Siliziumkarbid für die Schnellladung von Elektrofahrzeugen

Gleichstrom-Schnellladestationen können Elektrofahrzeuge (electric vehicles, EV) in nur 30 Minuten aufladen, indem sie das Onboard-Ladegerät (OBC) für eine schnelle, direkte Batterieladung umgehen.

Durch den Ersatz herkömmlicher Si-Komponenten durch Siliziumkarbid-Upgrades von Wolfspeed kann die Konstruktion von DC-Schnellladegeräten bezüglich Systemeffizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit signifikant verbessert werden. Diese Schnellladegeräte bestehen in der Regel aus gestapelten Gruppen von Leistungswandlungsblöcken mit einer Leistung von jeweils 20 kW bis 60 kW.

Siliziumkarbid-Vorteil* von Wolfspeed für Schnellladung von Elektrofahrzeugen

Ca. 1-2 % höhere Effizienz und 35-50 % höhere Leistungsdichte bei vergleichbaren Systemkosten
Geringerer Gesamtkühlbedarf des Systems, kleineres und kostengünstigeres mechanisches Gehäuse
Besseres bidirektionales Laden für V2G-Fähigkeit (vehicle to grid - Fahrzeug zu Netz)

*Vorteile von Siliziumkarbid im Vergleich zu konkurrierenden Silizium-Lösungen

Siliziumkarbid-Leistungsmodule WolfPACK™ von Wolfspeed

Die Siliziumkarbid-(SiC)-Leistungsmodule von Wolfspeed ermöglichen eine einfachere Schnellladeschaltungstopologie mit weniger Komponenten bei einem sehr hohen Wirkungsgrad (97,0 % Spitzenwert), die mit mehr als der doppelten Frequenz (45-250 kHz) schalten. Die höhere Frequenz ermöglicht kleinere Magnetbauteile und Kondensatoren, was wiederum zu einem kleineren, leichteren und kostengünstigeren System führt.

Die WolfPACK™-Leistungsmodule FM3 und GM3 von Wolfspeed sind ideal für Anwendungen mit mittlerer Leistung geeignet, einschließlich der Schnellladung von Elektrofahrzeugen.

Die Module sind in MOSFET-Halbbrücken- und MOSFET-6er-Pack-Konfigurationen mit einer Vielzahl von mΩ-Optionen erhältlich. Die Komponenten zeichnen sich durch ein grundplattenloses Design, eine kompakte Grundfläche und Einpressstifte aus, die eine effiziente und starke Leistung bieten und gleichzeitig das Systemlayout für Design- und Montageprozesse vereinfachen.

Die Produktfamilie umfasst Hochleistungsmodule mit einem Aluminiumnitrid-(AlN)-Substrat, das den Wärmewiderstand um mehr als 50 % reduzieren kann und eine 7-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumoxid bietet.

R(ON) bei 25 °C	Artikel	Konfiguration	Gehäuse	Sperrspannung
11 mΩ	CAB011M12FM3	Halbbrücke	FM3	1200 V
16 mΩ	CAB016M12FM3	Halbbrücke	FM3	1200 V
21 mΩ	CCB021M12FM3	6er-Pack	FM3	1200 V
32 mΩ	CCB032M12FM3	6er-Pack	FM3	1200 V
6 mΩ	CAB006M12GM3	Halbbrücke	GM3	1200 V
8 mΩ	CAB008M12GM3	Halbbrücke	GM3	1200 V
6 mΩ	CAB006A12GM3	Halbbrücke (AlN-Substrat)	GM3	1200 V
8 mΩ	CAB008A12GM3	Halbbrücke (AlN-Substrat)	GM3	1200 V

Schnelllade-Referenzdesign: Aktives 25-kW-SiC-Front-End

Das Referenzdesign CRD25AD12N-FMC demonstriert die Anwendung der WolfPACK™-Leistungsmodule von Wolfspeed zur Erstellung eines bidirektionalen aktiven Front-Ends (AFE) mit hoher Leistungsdichte, das für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann.

Das Design ist ideal für die Skalierung auf höhere Leistungsstufen durch Verschachtelung mehrerer 25-kW-AFE geeignet. Die Verwendung eines einzigen Leistungsmoduls mit einem isolierten Substrat vereinfacht das Systemdesign mit den üblichen Wärmemanagementtechniken.

Der komplette Aufbau umfasst: Module von Wolfspeed, Gate-Treiber Si823H-AAWA-KIT von Skyworks, einen Kühlkörper, Magnetbauteile, Leistungsplatinen, Spannungs-/Stromsensoren und einen Controller.

Abbildung 1: Vereinfachtes Blockdiagramm der Leistungswandler für ein EV-Schnellladegerät.

Abbildung 2: Ein bidirektionales AC/DC-AFE mit 25 kW, das mit WolfPACK™-Leistungsmodulen von Wolfspeed ausgestattet ist und sich für DC-Schnellladegeräte eignet.

Lösungen der Skyworks Inc.

Die Isolationsprodukte von Skyworks sind zuverlässig, leistungsstark und robust. Mit mehr als einer Milliarde in Betrieb genommener Kanäle und über einem Jahrzehnt bewährter Technologie vertrauen Industrie- und Automobilkunden weltweit auf unsere Isolierungslösungen.

Die Gate-Treiberplatine Si823Hx von Skyworks ist für die Verbindung mit den Evaluierungsboards von Wolfspeed mit geklemmter induktiver Last für dynamische Tests der WolfPACK™-Module von Wolfspeed konzipiert.

Die Platine verfügt über den zweikanaligen Gate-Treiber Si823H2x mit integrierter Totzeitkontrolle und Überlappungsschutz zur sicheren Ansteuerung der Module. Außerdem wird der digitale Isolator Si88421x mit integriertem DC/DC-Wandler verwendet, um die Temperaturrückkopplung zu isolieren und die integrierte isolierte Gate-Stromversorgung bereitzustellen. Vom Benutzer konfigurierbare Gate-Widerstände, Status-LEDs und Prüfpunkte gestalten Evaluierung und Prototyping einfach und effektiv.

Geboten werden die Werkzeuge, die nötig sind, um die Schaltleistung der Siliziumkarbid-Leistungsmodule WolfPACK™ FM3 und GM3 von Wolfspeed zu evaluieren und zu optimieren.

Teilenummer	CIL-Platine	Differenzieller Transceiver	Gate-Treiber von Skyworks	Gate-Treiber von Wolfspeed
CAB011M12FM3	KIT-CRD-CIL12N-FMA	CGD12HB00D	Si823H-AAWA-KIT	CGD1700HB2M-UNA
CAB016M12FM3	KIT-CRD-CIL12N-FMA	CGD12HB00D	Si823H-AAWA-KIT	CGD1700HB2M-UNA
CCB021M12FM3	KIT-CRD-CIL12N-FMC	CGD12HB00D (3Stück)	Si823H-ABWA-KIT (3 Stck.)	CGD1700HB2M-UNA (3 Stck.)
CCB032M12FM3	KIT-CRD-CIL12N-FMC	CGD12HB00D (3 Stck.)	Si823H-ABWA-KIT (3 Stck.)	CGD1700HB2M-UNA (3 Stck.)
CAB006M12GM3	KIT-CRD-CIL12N-GMA	CGD12HB00D	Si823H-ABWA-KIT	CGD1700HB2M-UNA
CAB008M12GM3	KIT-CRD-CIL12N-GMA	CGD12HB00D	Si823H-ABWA-KIT	CGD1700HB2M-UNA
CAB006A12GM3	KIT-CRD-CIL12N-GMA	CGD12HB00D	Si823H-ABWA-KIT	CGD1700HB2M-UNA
CAB008A12GM3	KIT-CRD-CIL12N-GMA	CGD12HB00D	Si823H-ABWA-KIT	CGD1700HB2M-UNA