Lernen Sie die Schnellladelösungen für Elektrofahrzeuge von Murata kennen, und erfahren Sie mehr über die fünf Eigenschaften, auf die Sie bei der Auswahl eines isolierten DC-DC-Wandlers achten sollten.
Die Entwicklung von Schnellladelösungen für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle Service Equipment, EVSE) ist mit einigen Herausforderungen verbunden. Bei dieser Art von Anwendung erfolgt die AC-DC-Wandlung innerhalb des Ladegeräts und nicht über das On-Board-Ladegerät (On-Board Charger, OBC) des Fahrzeugs, wie dies bei Geräten mit geringerer Nennleistung der Fall ist. Weiterhin kann die DC-Ladespannung zwischen 300 und mehr als 900 V liegen, während die Stromstärken bis zu 500 A reichen können.
Ein DC-Schnellladegerät besteht normalerweise aus einem AC-DC-Gleichrichter und einem isolierten DC-DC-Wandler. Für optimale Leistung und Zuverlässigkeit sollten die Eigenschaften des isolierten DC-DC-Ladegeräts besonders sorgfältig betrachtet werden. Dazu gehören besonders die bipolare Spannungsausgabe, eine ausreichende Isolation und die Widerstandsfähigkeit bei kontinuierlich hohen Spannungswerten.
Hier sind die wichtigsten Faktoren, die Sie bei der Auswahl eines isolierten DC-DC-Wandlers für EVSE-Anwendungen berücksichtigen sollten.
1. Ausreichende Stromversorgung für schnelle Schaltvorgänge
Um die hohen Anforderungen von Schnellladeanwendungen und schnellen Schaltvorgängen zu erfüllen, muss der Gate-Treiber sorgfältig konstruiert und ausreichend mit Strom versorgt sein. Letzteres erfordert für gewöhnlich einen DC-DC-Wandler.
Abb. 1. DC-DC-Wandler versorgt den Gate-Stromkreis für einen High-Side-Leistungsschalter
Der DC-DC-Wandler muss genügend Strom liefern, um die Gate-Kapazität des Leistungsschalters zu laden und zu entladen. Dies kann als Produkt aus Gate-Ladung, PWM-Frequenz und Gate-Spannungsschwankung berechnet werden, wobei die Werte abhängig vom ausgewählten Leistungsschalter sind.
HINWEIS: Es sollte stets eine negative Abschaltspannung verwendet werden, um die negativen Auswirkungen von Transienten zu minimieren und um sicherzustellen, dass die Abschalteigenschaften gut definiert sind.
2. Auswahl des geeigneten Leistungswandlers
Tabelle 1 vergleicht die Gate-Treiber-Anforderungen für typische Hochspannungsleistungsschalter auf dem Markt: Silizium-IGBTs oder MOSFETs, Siliziumkarbid(SiC)-MOSFETs und Galliumnitrid(GaN)-MOSFETs.
| Bausteintyp | Schwellenspannung (VGTH) |
Ein-/Abschaltspannung | Gate-Ladung (Wert nach Datenblatt) | Gate-Ladung über vollständige Spannungsschwankung | Frequenz | Strom |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1200 V IGBT | 5,7 V | +15 V/-9 V | 285 nC (0 V–15 V) | 456 nC (-9 V–15 V) | 20 kHz | 86 mW |
| 1200 V SiC FET | 2,6 V | +20 V/-5 V | 118 nC (-5 V–20 V) | 118 nC (-5 V–20 V) | 200 kHz | 590 mW |
| 650 V GaN | 1,3 V | +6 V/-3 V | 12,1 nC (0 V–6 V) | 18,2 nC (-3 V–6 V) | 1 MHz | 164 mW |
| 650 V MOSFET | 4 V | +15 V/-5 V | 125 nC (0 V–10 V) | 250 nC (-5 V–15 V) | 100 kHz | 500 mW |
Tabelle 1. Vergleich der Gate-Drive-Anforderungen für typische Hochspannungsleistungsschalter
Spannung und Stromstärke müssen ebenfalls berücksichtigt werden, da Leistungstransistoren große Unterschiede zwischen Schwellenschaltspannung (VGTH) und Maximalspannung aufweisen. Eine größere Spannungsschwankung erfordert eine höhere Gate-Treiber-Leistung. Für maximale Effizienz und EMC-Leistung muss dementsprechend eine passende Spannung gewählt werden.
3. Erstellen einer bipolaren Spannungsausgabe
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ein DC-DC-Wandler eine bipolare Spannungsausgabe bereitstellen kann. Die 1-W- und 2-W-MGJ1 * MGJ2-Serien von Murata unterstützen feste Ausgangsspannungen.
Dank einer patentierten Technologie können 3-Watt-MGJ3- und 6-Watt-MGJ6-Wandler die Spannungswerte bei einer Konfiguration mit einem Ausgang bereitstellen, die für Silizium-IGBTs, Silizium-MOSFETs oder SiC-MOSFETS erforderlich sind. Durch das Ein- und Ausschalten über ein Ein-/Aus-Steuerelement reduzieren diese Geräte das Shoot-Through-Risiko.
Murata bietet eine Reihe von Produkten mit Kombinationen aus positiven und negativen Spannungen und speziellen Ausgängen.
Abbildung 2. Eine Konfiguration mit einem Ausgang kann verschiedene positive und negative Gate-Treiber-Spannungen bereitstellen.
HINWEIS: Wenn bei Fortsetzung des Betriebs des Ladegeräts nach einer Unterbrechung an den Schalter eine hohe Spannung angelegt wird, kann das Gate übermäßig belastet werden, bevor die Betriebswerte stabilisiert sind. Um dies zu vermeiden, verfügen die MGJ-DC-DC-Wandler von Murata über angeklemmte Ausgänge, um die No-Load-Spannung auf einen sicheren Wert zu begrenzen.
4. Minimierung von Spannungsspitzen
Zur Minimierung des Risikos disruptiver Spannungsspitzen über Verbindungswiderstände und Induktanzen hinweg ist es wichtig, einen DC-DC-Wandler mit niedriger kapazitiver Kopplung zu wählen. Die MGJ-Wandler von Murata bieten eine solche niedrige kapazitive Kopplung, typischerweise 3–4 pF.
5. Ausreichende Isolation zum Umgang mit hohen Spannungswerten
Isolierte DC-DC-Wandler für EV-Schnellladegeräte sollten mit kontinuierlich hohen Spannungswerten über die Isolationsbarriere hinweg umgehen können, ohne dabei an Leistungsfähigkeit einzubüßen. Weiterhin sollten sie keinerlei Leistungseinbußen durch Entladungseffekte zeigen. Bei Tests sind die Lösungen der MGJ-Serie von Murata für kontinuierlichen Betrieb bis zu 3 kV ausgelegt.
Zusammenfassung
Aufgrund der High-Side-Spannungswerte und des für EVSE erforderlichen komplexen Gate-Treiber-Designs sollten sich Techniker für einen isolierten DC-DC-Wandler entscheiden, der die folgenden Vorteile bietet:
• Bipolare Ausgabe mit Möglichkeit zur Generierung eines Abschaltsignals unter 0 V
• Angeklemmte Ausgangsspannung oder sehr niedrige Mindestlastanforderung
• Niedrige Isolationskapazität
• Isolation für den Umgang mit kontinuierlichen hohen Spannungswerten
Unter Berücksichtigung aller dieser Eigenschaften sind die MGJ-DC-DC-Wandler von Murata ideal für Elektrofahrzeug-Schnellladelösungen geeignet.
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