Aufgrund ihrer Effizienz und Robustheit eignen sich Schaltnetzteile (SMPS) besonders für Anwendungen wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EV), Solarwechselrichter und industrielle Motorantriebe. Aufgrund der Notwendigkeit einer höheren Betriebsspannung und eines höheren Betriebsstroms, geringerer Leitungs- und Wärmeverluste sowie eines kompakteren Erscheinungsbilds müssen Entwickler jedoch die fortschrittliche Siliziumkarbid-MOSFET-Technologie (SiC) übernehmen. Diese Technologie muss sorgfältig mit MOS-gesteuerten Thyristoren und Brückengleichrichtern mit schneller Wiederherstellung kombiniert werden, um das beste Stromumwandlungssystem zu schaffen.
In diesem Artikel werden die Anforderungen von SMPS am Beispiel von Ladestationen für Elektrofahrzeuge erläutert. Anschließend wurden die SiC-MOSFETs von IXYS/Litelfuse vorgestellt, ihre Leistung untersucht und gezeigt, wie verschiedene Gerätetechnologien (jeweils optimiert für bestimmte Schaltkreisfunktionen) kombiniert wurden, um ein effizienteres und kompakteres Stromumwandlungssystem zu schaffen.
Überblick über moderne SMPS am Beispiel öffentlicher Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge
Effizienz ist ein charakteristisches Merkmal von SMPS, aber moderne Hochleistungsanwendungen treiben diese Designs auf neue Extreme. Berücksichtigen Sie die Anforderungen öffentlicher Gleichstrom-Schnellladestationen, beispielsweise ein 3-Stufen-System mit einer Leistung von bis zu 350 kW. Ein Effizienzverlust von 1 % entspricht einer Energieverschwendung von 3,5 Kilowatt, was die Betriebskosten und die thermische Belastung erheblich erhöht.
Hochleistungs-SiC-MOSFET ist der Kern für eine höhere Effizienz. Sie können Hochfrequenzschaltungen durchführen und dabei den Widerstand niedrig halten, was den Einsatz kleinerer passiver Komponenten ermöglicht und Umwandlungsverluste reduziert. Leider machen diese Faktoren SiC-MOSFETs auch anfällig für transiente Spannungsspitzen. Daher erfordert ein effizientes Design häufig fortschrittlichere Schutzsysteme.
Darüber hinaus ist SiC-MOSFET nicht für jeden Teil einer 3-Ebenen-Ladestation die optimale Lösung. Beispielsweise benötigen öffentliche Ladestationen ein Hilfsstromsystem für Kühlmittelpumpen, Netzwerkkommunikation und andere Systemfunktionen. Auch wenn der Hauptladepfad unterbrochen wird, müssen diese Systeme betriebsbereit bleiben. In diesem Fall sind hochzuverlässige Siliziumdioden (Si) möglicherweise die bessere Wahl.
Es ist notwendig, die Anforderungen jedes Teils der DC-Schnellladestation zu verstehen und die geeignete Gerätetechnologie sorgfältig auszuwählen.
Verwendung eines SiC-MOSFET mit niedrigem Widerstand zur Erzielung einer Hochleistungs-DC-DC-Umwandlung
Die DC-DC-Umwandlungsstufe der 3-stufigen Schnellladestation zeigt die Herausforderungen, denen sich das moderne SMPS-Design gegenübersieht. Aufgrund der hohen Ausgangsspannung von bis zu 1 Kilovolt (kV) erfordert diese Stufe traditionell den Einsatz von Hochspannungs-Silizium-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) oder Hochspannungs-Siliziumkarbid-MOSFETs. Beide Methoden führen zu Effizienzverlusten: IGBTs weisen hohe Schaltverluste auf, während einige frühe SiC-MOSFETs relativ hohe Leitungsverluste aufweisen. Beispielsweise betrug der Einschaltwiderstand (RDS (ON)) einiger früher Hochspannungs-SiC-MOSFETs etwa 100 mΩ.
Die SiC-MOSFET-Serie IXSJxxN120R1 von Littelfuse bietet eine überzeugende Lösung für dieses Problem. Diese Produktserie hat eine Sperrspannung von bis zu 1200 Volt und einen RDS (ON) von nur 18 mΩ. Diese Eigenschaft des niedrigen Widerstands kann Leitungsverluste minimieren und eine hervorragende thermische Leistung erzielen.
Diese Geräte sind in isolierter Keramik verpackt und haben eine Isolationsspannung von 2500 VAC (1 Minute). Dieses Design reduziert den Wärmewiderstand zum Kühlkörper und minimiert elektromagnetische Störungen (EMI), indem die Streukapazität des Kühlkörpers minimiert wird. Gleichzeitig übernimmt es das bekannte TO-247-3L-Paket, was die Integration erleichtert.
IXSJ43N120R1 ist ein typisches Beispiel (Abbildung 1). Der Nenn-Dauerstrom-ID des Geräts bei +25 °C beträgt 45 A und der RDS (ON) beträgt 36 m Ω (typischer Wert). Außerdem verfügt er über eine niedrige Gate-Ladung von 79 nC und eine Eingangskapazität von 2453 pF, wodurch er sich für Designs mit kleineren Magneten eignet.
Littelfuse IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET Bild
Abbildung 1: Der 1200-V-SiC-MOSFET IXSJ43N120R1 verfügt über ein isoliertes TO-247-3L-Gehäuse mit einem Nenn-Dauerstrom-ID von 45 A und einem RDS (ON) von 36 m Ω (typischer Wert) bei +25 °C. (Bildquelle: Littelfuse)
Die IXSJxxN120R1-Serie reduziert Leitungsverluste und behält gleichzeitig die Hochspannungs-Sperrfähigkeit bei, sodass Entwickler die Wandlertopologie vereinfachen, den thermischen Overhead reduzieren und die Gesamtsystemeffizienz maximieren können.
Minimieren Sie Switch-Verluste bei der aktiven Front-End-Leistung
In anderen Teilen der DC-Schnellladestation können Schalterverluste wichtiger sein als Widerstandsverluste. Das aktive Frontend wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um und formt die Stromwellenform so, dass sie den Anforderungen der Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und der harmonischen Verzerrung entspricht. Aufgrund der Abhängigkeit von höheren Schaltfrequenzen in dieser Stufe zur Minimierung der Größe von Induktivitäten und Filtern spielen Schaltverluste eine wichtige Rolle für die Gesamteffizienz.
Die SiC-MOSFET-Serie LSIC1MO120E von Littelfuse wurde für diese Hochfrequenzanwendungen optimiert. Diese Geräte kombinieren eine 1200-Volt-Sperrfähigkeit und geringe dynamische Verluste und eignen sich daher hervorragend für PFC-Aufwärtswandler in DC-Schnellladestationen und anderen netzgebundenen Systemen.
Beispielsweise beträgt der Nenn-Dauerstrom (II) von LSIC1MO120E0080 (Abbildung 2) bei +25 °C 39 A, R (DSON) beträgt 80 mΩ (typischer Wert) und die Schaltenergie pro Zyklus beträgt 252 µJ. Der erweiterte Sperrschichttemperaturbereich reicht von -55 °C bis +175 °C und bietet zusätzlichen Designspielraum für Außeninstallationen mit großen Umgebungsbedingungen.