Die auf Silizium (Si) basierende Leistungselektronik dominiert die Branche schon seit langem aufgrund ihres technologischen Reifegrades und ihrer relativ leichten Zugänglichkeit. In der letzten Zeit gewinnt jedoch das Siliziumkarbid(SiC)-Substrat aufgrund seiner wichtigen intrinsischen Vorteile, die sehr gut zu den jüngsten Branchentrends passen, an Bedeutung. Dieser WBG(Wide Bandgap)-Halbleiter kann nicht nur mit größeren Energiedichten umgehen als sein Si-Gegenstück, er bietet dazu auch Hochleistungskonversionseffizienz mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Diese Faktoren sind besonders wichtig für batteriegestützte Anwendungen, die Energieeinsparungen auf hohem Niveau und kurze Ladezyklen erfordern.
Dieser Artikel gehört zu einer zweiteiligen Serie, in der die Konstruktionsüberlegungen zu OBC(On-Board Charger)-Systemen sowie die Vorteile von SiC gegenüber Si für OBCs mit besonderer Konzentration auf bidirektionale Ladegeräte besprochen werden. Die Vorteile der Implementierung von SiC anstelle von Si für OBCs werden durch einen Vergleich von Referenzdesigns für ein Si- und ein SiC-OBC sowie eine Analyse der Kosteneinsparungen und einer detaillierten Aufzählung der Systemvorteile veranschaulicht.
Warum SiC?
SiC ist bereits jetzt in unzähligen Leistungselektronikanwendungen vertreten, darunter in Spannungsversorgungen, bei der Solarenergieumwandlung, der Energieumwandlung für andere erneuerbare Energiequellen oder bei Invertern für industrielle Motorantriebe. Dieser WBG-Halbleiter ist durch seine einzigartige Kombination von kritischem elektrischem Feld (2,2 × 106 V/cm), Elektronengeschwindigkeit, Schmelzpunkt (300 °C) und Wärmeleitfähigkeit (4,9 W/cmK) hervorragend für die meisten Anwendung sowohl im niedrigen als auch im hohen Leistungsspektrum positioniert. Auf Transistorebene führt dies zu einem niedrigen Durchlasswiderstand (R(DS)on) und dadurch zu geringeren Leitungsverlusten, die wiederum Anwendungen mit hohen Stromstärken ermöglichen. Die gegenüber auf Si basierenden Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) geringere Gerätekapazität ermöglicht geringe Schaltverluste bei hohen Schaltfrequenzen mit kleineren Filtern, passive Komponenten und ein insgesamt einfacheres Wärmemanagementsystem.
Wolfspeed ist auf den Entwurf und die Entwicklung von SiC-Systemen spezialisiert, von der einfachen Wafer-Entwicklung bis hin zur Konstruktion und Unterstützung installierter SiC-Gerätschaften. Tabelle 1 erläutert die Vorteile von SiC sowie die zusätzlichen Vorteile der Nutzung der Sach- und Fachkenntnisse von Wolfspeed zu SiC.
Tabelle 1
Diese erwünschten Eigenschaften führen zu einer geradezu explosiven Zunahme der Nutzung auf SiC basierender AC/DC- und DC/DC-Wandler sowohl in Niedrigenergie-, als auch in Hochenergie-Elektrofahrzeuganwendungen. Dies gilt ganz besonders für OBCs in Elektrofahrzeugen wie etwa E-Bikes, hybriden Elektrofahrzeugen (HEVs), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs) sowie verschiedenen batteriegestützten Elektrofahrzeugen (BEVs), einschließlich Pendlerfahrzeugen und kommerziellen LKWs. Dies gilt besonders für OBC-Systeme mit höheren Leistungswerten über 3,3 kW, die zum schnelleren Laden von EV-Batterien verwendet werden. Die Vorteile dieser Vorgehensweise beinhalten die Vereinfachung des Ladevorgangs und machen diese Technologie attraktiver für Kunden, die an interne Verbrennungsmotoren (ICEs) gewöhnt sind, da negative Effekte wie „Reichweitenangst“ weniger stark ins Gewicht fallen.
Aus diesen Gründen sind Ladezeiten und die effektive Fahrzeugreichweite nach einer Ladung sehr wichtige Parameter für Fahrzeughersteller – zwei Faktoren, die von der Batteriegröße und der nominellen Ladungsenergie abhängen. Diese Ladungsenergiebereiche reichen von einphasigen Systemen mit geringeren Leistungswerten von 3,3 und 6,6 kW bis zu leistungsstärkeren Systemen mit 11 und 22 kW. Abbildung 1 zeigt die typische Fahrzeugart, die Batteriegröße, die Ladezeit von 0 bis 100 % sowie kompetitive Technologien für OBCs mit 3,3 kW, 6,6 kW, 11 kW und 22 kW.
Abbildung 1: Vergleich von Fahrzeugart, Batteriegröße, Ladezeit (0 bis 100 %) sowie kompetitiven Technologien mit 6,6- und 22-kW-OBCs
Die Fahrzeugarten reichen von BEV für Pendler bis hin zu größeren BEVs mit höherer Leistung wie etwa LKWs. Wie in der Abbildung gezeigt, können die Fahrzeuge mit höherer Kapazität selbst bei dreifacher Ladeleistung noch längere Ladezeiten (0 % bis 100 %) aufweisen. Dadurch sind OBCs besonders effizient für Hochleistungssysteme: Es wird weniger Energie verschwendet und die Ladezeiten sind kürzer.
Abgesehen von der OBC-Effizienz sind Parameter wie Kosten, Gewicht und Größe sehr wichtig. Hier ist es von Vorteil, dass kleinere und leichtere OBCs auch in Fahrzeuge implementiert werden können, bei denen platzsparend gedacht werden muss. Darüber wirken sich die OBC-Kosten für den Verbraucher und den OEM direkt auf den Kapitalaufwand bzw. das Betriebsergebnis des Herstellers und die leichte Zugänglichkeit für den Verbraucher aus. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, muss das OBC dabei helfen, dass das Elektrofahrzeug im Preisbereich ICE-basierter Fahrzeuge bleibt.
Bidirektionale 22-kW-OBC-Designs: Si- vs. SiC-Beispieldesign
Vorteile des bidirektionalen Energieflusses
Wie im Teil zum unidirektionalen OBC-Design bereits gesagt, können bidirektionale Ladegeräte durch die Ausschaltung von Diodenverlusten grundsätzlich höhere Effizienzwerte erreichen als unidirektionale Ladegeräte. Der unidirektionale DC/DC-Block verwendet die Vienna PFC-Diode, während ein unidirektionaler LLC-Resonanz-Konverter die Ausgangsgleichrichtung mithilfe einer Diodenbrücke erreicht. Abbildung 2 zeigt die typische Skelettstruktur eines einphasigen bidirektionalen OBC. Der Voll-Brückengleichrichter wurde durch SiC-MOSFETS mit geringen Verlustwerten ersetzt, um die Verluste durch den Vorwärts-Spannungsabfall der Gleichrichterdioden zu eliminieren. Dies verringert seinerseits die Verlustleistung und vereinfacht damit die Anforderungen an das Wärmemanagement.
Während die Region Asien-Pazifik (APAC) bei bidirektionalen Ladegeräten für Elektrofahrzeuge führend ist, gibt es einen allgemeinen Trend hin zur Verwendung bidirektionaler OBCs aufgrund ihrer höheren Systemeffizienz, aber auch wegen ihres Potenzials für V2-Other- und andere Anwendungen, etwa die Fahrzeug-zu-Heim(Vehicle-to-Home, V2H)-Stromerzeugung, Fahrzeug-zu-Netz(Vehicle-to-Grid, V2G)-Möglichkeiten oder Fahrzeug-zu-Fahrzeug(Vehicle-to-Vehicle, V2V)-Ladeanwendungen (etwa zur Startüberbrückung für ein anderes Elektrofahrzeug).
Abbildung 2: Typische Skelettstruktur eines einphasigen bidirektionalen OBC
Bidirektionale 22-kW-OBCs: Si vs. SiC
Wie oben in Abbildung 1 gezeigt sind auf Si basierende bidirektionale OBCs mit Si-Superjunction-Technologien und auf Si basierende IGBTs die wichtigste Konkurrenz für bidirektionale SiC-OBCs. Dieser Abschnitt erläutert demgegenüber aber, wie SiC diese Technologien in allen wesentlichen Aspekten (Kosten, Größe, Gewicht, leistungsdichte, Effizienz) übertrifft. Betrachten wir zunächst Abbildung 3, die ein Referenzschema für auf Si und auf SiC basierende bidirektionale 22-kW-OBCs präsentiert und einen direkten Vergleich der Anzahl der Stromversorgungsgeräte und Gate-Treiber zeigt.
Abbildung 3: Schematische Darstellung (A) auf Si basierender und (B) auf SiC basierender bidirektionaler 22-kW-OBCs
Tabelle 2 führt die jeweiligen Spezifikationen der ersten (AC/DC-Totem-Pole-PFC-) und der zweiten (bidirektionalen DC/DC-CLLC-Resonanz-)Phase auf. Abbildung und Tabelle zeigen deutlich, dass das SiC- gegenüber dem Si-Design eine Reduzierung der Stromversorgungsgeräte und der Gate-Treiber um 30 % und dazu den weiteren Vorteil einer mehr als doppelt so hohen Schaltfrequenz bietet. Dies führt zu kleineren und leichteren Komponenten und insgesamt kostengünstigeren Energieumwandlungssystemen bei generell höherer Effizienz.
Tabelle 2
Bidirektionale 22-kW-OBCs: Si vs. SiC
Die Kosteneinsparungen sind in Abbildung 4 für Si- und SiC-Systeme weiter aufgeschlüsselt. Das Si-System ist mit fast 20 % höheren Kosten verbunden als SiC – der Grund dafür ist die vergleichsweise hohe Zahl von Gate-Treibern und Magnetelementen im DC/DC-Block. Hier könnte man argumentieren, dass beim Einsatz innerhalb eines Systems diskrete auf SiC basierende Stromversorgungsgeräte relativ kostspieliger als einzelne auf Si basierende Dioden und Leistungstransistoren sind. Andererseits gilt aber, dass die Kapazitäten von SiC-Geräten erlauben, weniger davon einzusetzen, was wiederum hilft, die Kosten für Schaltkreiskomponenten zur Unterstützung der verschiedenen Stromversorgungsfunktionen zu senken.
Über die Kosteneinsparungen hinaus kann das SiC-System eine Spitzensystemeffizienz von 97 % bei einer Leistungsdichte 3 kW/L erzielen, während ein Si-OBC eine Effizienz von 95 % bei einer Leistungsdichte von lediglich 2 kW/L bietet. Diese Zunahme der Systemeffizienz kann Kunden jährliche zusätzliche Energieeinsparungen von durchschnittlich 4.000 USD ermöglichen.
Abbildung 4: Aufschlüsselung der Systemkosten für bidirektionale 22-kW-OBC in SiC- und Si-Implementierungen
Tabelle 3 vergleicht Kosten, Leistungsdichte, Betriebseinsparungen sowie CO2-basierte Einsparungen zwischen Si- und SiC-Implementierungen eines bidirektionalen 6,6-kW- und eines 22-kW-OBC. Die Einsparungen werden noch deutlicher, je höher im Leistungsspektrum ein OBC operiert. Bidirektionale SiC-basierte 6,6-kW- und 22-kW-OBCs bieten niedrigere Stücklistenkosten, was letztendlich die Gesamtsystemkosten für den OEM reduziert. Zusammen mit den betrieblichen Einsparungen und den CO2-Einsparungen des SiC-Antriebs können diese Einsparungen an den Endverbraucher weitergegeben werden, wodurch sich die Preislücke zu ICE-basierten Lösungen schließen lässt und die Umwelt durch geringere Emissionen belastet wird.
Tabelle 3: Vorteile von SiC-Systemen
Wolfspeeds Fachkenntnisse auf dem SiC-Gebiet
Die mehr als 30 Jahre lange Erfahrung von Wolfspeed mit der Konstruktion und der Entwicklung von SiC-Komponenten und -Systemen unterstützt Konstrukteure dabei, die vorteilhaften auf SiC basierenden Komponenten für ihren nächsten OBC zu verwenden. Die Kombination der breiten Auswahl von SiC-Stromerzeugungsgeräten und SiC-Geräten von Wolfspeed mit den Kenntnissen und der Erfahrung des Unternehmens ermöglicht die schnelle Entwicklung robuster Entwurfstopologien, die im Einsatz zuverlässig funktionieren. Das Produktportfolio von Wolfspeed bietet bereits jetzt vollständige bidirektionale OBCs zusammen mit individuellen AC/DC- und DC/DC-Phasen. Dazu gehören ein bidirektionaler 6,6-kW-OBC mit 97 % Systemeffizienz sowie bidirektionale 22-kW-OBC-AC/DC- und DC/DC-Konverterblöcke mit Effizienzen von bis zu 98,6 % (Abbildung 5).
Abbildung 5: Bidirektionale SiC-basierte 6,6-kW- und 22-kW-OBC-AC/DC- und DC/DC-Blöcke von Wolfspeed
Wolfspeed bietet eine umfassende Grundlage für Konstruktion und Entwicklung von SiC-Systemen – von einem vollständigen Produktportfolio bis hin zu umfassender Engineering- und Anwendungsunterstützung mit einer Online-Simulationsplattform und Branchenexperten. Dies gilt auch für SiC-basierte OBCs, bei denen OEMs von den Vorteilen für ihr nächstes Design profitieren und die Einsparungen bei den Stücklistenkosten sowie durch das effiziente Design an den Kunden weitergeben können.