gesponsertSiC-Leistungsgeräte: Der Schlüssel zum Erfolg im EV-Geschäft Die Verbesserung der Energieeffizienz erhöht die Leistung und senkt gleichzeitig die Stromkosten

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ROHM Semiconductor GmbH

Die technische Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) schreitet schnell voran. In letzter Zeit ist es möglich geworden, die Batteriespannung und -kapazität zu erhöhen. Das vergrößert die Reichweite und verkürzt gleichzeitig die Ladezeiten. Die verbesserte Umwandlungseffizienz von Stromversorgungssystemen in E-Fahrzeugen bringt erhebliche Vorteile für die Nachhaltigkeit.

Die Landschaft der Elektrofahrzeuge bietet eine Reihe von Optionen, darunter batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und serielle Hybrid-Elektrofahrzeuge. Das Herzstück dieser Fahrzeuge ist ein ausgeklügeltes elektrisches Antriebssystem, das aus einem Onboard-Ladegerät (OBC), einer Batterie, einem Wechselrichter (DC-AC-Inverter), einem DC-DC-Wandler und einem Motor besteht.

Während die Kernkomponenten der Stromversorgungssysteme gleichbleiben, variieren die Funktionen und Schaltkreiskonfigurationen je nach Art des Elektrofahrzeugs. So müssen BEVs beispielsweise schnelles bidirektionales Laden ermöglichen. Dies erfordert ein fortschrittliches Onboard-Ladegerät (OBC) , das mit der Vehicle-to-Grid-Technologie (V2G) kompatibel ist. Um dies zu erreichen, kombiniert eine gängige Schaltungstopologie eine bidirektionale Totem-Pol-Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) mit einem bidirektionalen CLLC-Resonanz-Gleichspannungswandler. Der Ausgang dieses Onboard-Ladegeräts wird dann zur Stromversorgung von isolierten DC-DC-Hilfswandlern, Batterien, DC-DC-Aufwärtswandlern für Wechselrichter und dem Haupttraktionswechselrichter verwendet.

SiC-Bauelemente reduzieren die Verlustleistung drastisch

Der Erfolg von Elektrofahrzeugen hängt von einem wichtigen Faktor ab: der verbesserten Umwandlungseffizienz der Stromversorgungskreise im Fahrzeug. Dieser oft übersehene Aspekt hat erhebliche Auswirkungen auf die Fahrleistung und wirkt sich direkt auf die Reichweite und die Ladetarife (Stromkosten) aus. Die Steigerung des Umwandlungswirkungsgrads erhöht die Reichweite, die ein Elektrofahrzeug mit einer einzigen Ladung zurücklegen kann, und senkt gleichzeitig die Kosten – ein starker Anreiz für Kunden, die den Umstieg auf ein Elektrofahrzeug erwägen.

Wie gelingt also eine verbesserte Umwandlungseffizienz? Der Schlüssel liegt in den Halbleiterschaltern, die den Stromkreislauf bilden. Durch den Einsatz von Hochleistungsschaltern, die bei hohen Frequenzen arbeiten und hohe Leistungslasten bewältigen können, lässt sich die Umwandlungseffizienz erheblich steigern. Aus diesem Grund haben SiC-Leistungsbauelemente (SiC-MOSFETs) an Aufmerksamkeit gewonnen. SiC-MOSFETs arbeiten mit höheren Frequenzen, bieten eine höhere Spannungstoleranz und einen besseren Umwandlungswirkungsgrad als bestehende Si-Leistungsbauelemente wie IGBTs.

Durch den Einsatz der neuesten SiC-MOSFETs kann die Effizienz von Stromversorgungssystemen in Elektrofahrzeugen gesteigert werden. Der Halbleiterhersteller ROHM gibt in einem Anwendungsbericht über seine SiC-MOSFETs der 4. Generation eine detaillierte Erklärung zur Steigerung der Effizienz. Mit diesen bahnbrechenden Bauelementen wird die in der vorherigen Generation eingeführte Trench-Gate-Struktur weiter verfeinert. Die bemerkenswerteste Verbesserung ist eine beträchtliche Reduzierung des ON-Widerstands um ca. 40 %, ohne die Kurzschlussfestigkeit zu beeinträchtigen. Dieser Effekt ist erheblich, da die bei der Leistungsumwandlung entstehenden Verluste deutlich geringer sind. Bei einem 5-kW-Ausgangswechselrichterschaltkreis beispielsweise konnte die Gesamtleistung gegenüber herkömmlichen IGBTs um etwa 36 % gesenkt werden.

Auch die Auswirkungen auf die Traktionsumrichter sind beträchtlich

Das Energieumwandlungssystem in Elektrofahrzeugen ist ein komplexes Netzwerk von Komponenten, das aus einem Onboard-Ladegerät (OBC), einem isolierten DC-DC-Hilfswandler, einem DC-DC-Aufwärtswandler und einem Traktionswechselrichter besteht. Der Antriebswechselrichter spielt dabei eine zentrale Rolle, denn er wandelt den in der Hochspannungsbatterie gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom für den Antrieb des Motors um.

ROHM simulierte den Stromverbrauch von Traktionswechselrichtern unter Verwendung der WLTC (World Harmonized Light Vehicle Test Cycle)-Testmethode für PKWs. Die obige Abbildung vergleicht den Stromverbrauch eines Wechselrichters für ein Elektrofahrzeug des C-Segments bei Verwendung von SiC-MOSFETs der 4. Generation mit herkömmlichen IGBTs. Es wurde festgestellt, dass der Ersatz herkömmlicher IGBTs durch SiC-MOSFETs der 4. Generation die Stromkosten im Stadtbetrieb um 10 % und in allen Fahrmodi (Stadt, Vorstadt und Autobahn) um 6 % senkt.

OBC-Effizienz mit SiC-MOSFETs verbessern

Wie der Traktionswechselrichter ist auch das Onboard-Ladegerät (OBC) eine wichtige Komponente des Stromversorgungssystems eines Elektrofahrzeugs. Das OBC verwendet Wechselstrom aus dem Stromnetz, um die Batterien zu laden. Eine Schlüsselinnovation ist der Einsatz von bidirektionalen Totem-Pol-PFC-Schaltungen (Power Factor Correction), die eine bemerkenswert hohe Umwandlungseffizienz im gesamten AC-DC-Wandlersystem ermöglichen. So haben beispielsweise Experimente mit ROHMs SiC-MOSFETs der 4. Generation Umwandlungswirkungsgrade von rund 98 % bei Halblast (1,5-kW) und 97,6 % bei Volllast (3-kW) Ausgangsleistung ergeben.

Der Einsatz von SiC-MOSFETs in kritischen Komponenten von Elektrofahrzeugen, wie z. B. Traktionswechselrichtern und Onboard-Ladegeräten, führt zu einer erheblichen Steigerung des Umwandlungswirkungsgrads, weshalb sich viele Elektrofahrzeughersteller auf diese Bauelemente der nächsten Generation konzentrieren.　

Ein solches Unternehmen ist Vitesco Technologies, ein weltweit führendes Unternehmen in der Entwicklung und Herstellung von Spitzentechnologien für den Antriebsstrang. Um die Versorgung mit SiC-Leistungsbauelementen, die die Energieeffizienz verbessern können, strategisch zu sichern, hat Vitesco Technologies eine langfristige Partnerschaftsvereinbarung mit ROHM geschlossen.

Ein weiteres Unternehmen, das sich auf SiC-Leistungsbauelemente konzentriert, ist Semikron Danfoss, ein weltweit führender Technologieanbieter im Bereich der Leistungselektronik. Semikron Danfoss arbeitet seit über einem Jahrzehnt mit ROHM zusammen, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Leistungsmodulen mit SiC-Leistungsbauelementen liegt. Vor kurzem hat Semikron Danfoss sein Angebot an Leistungsmodulen für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch durch die Einführung der neuen 1200-V-IGBTs der RGA-Serie von ROHM erweitert. Dieser Schritt steht für das kontinuierliche Engagement beider Unternehmen, den Bedürfnissen der Hersteller von Motorantrieben weltweit gerecht zu werden.

Diese Partnerschaften werden die Einführung von SiC-Leistungsbauelementen in Zukunft wahrscheinlich weiter beschleunigen. ROHM erwartet, dass SiC-Leistungsbauelemente die Umwandlungseffizienz nicht nur in Elektrofahrzeugen, sondern auch in einer Vielzahl anderer Anwendungen weltweit verbessern werden.

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