Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZMOn-Board-Charger in drei Liter Volumen – Packaging macht’s möglich
Für die E-Mobilität ist das Laden an öffentlichen Wechselstrom -Netzen eine Herausforderung. Am Fraunhofer IZM ist es nun gelungen, jüngste Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste Generation der On-Board- Charger zu kombinieren. Bidirektionale Ladevorgänge bis zu 22 kW werden durch richtungsweisende PCB- und Packaging- Lösungen ermöglicht, die zudem eine maschinelle Fertigung erlauben.
In der Abteilung SIIT am Fraunhofer IZM ist es gelungen, die Bauweise des On-Board-Chargers (OBC) eines Elektroautos auf die nächste Entwicklungsstufe zu heben. Eine der beiden wesentlichen neu entwickelten Komponenten ist der Sinus-Amplituden-Converter (SAC) unter Verwendung von neuartigen Wide- Bandgap-Halbleitern auf Galliumnitrid-Basis (GaN). Die neuen GaN-Schalter ermöglichen es, den resonanten Transformator – mit einer LLC-Topologie – bei 1 MHz und höher zu takten.
Die andere der zwei wesentlichen Komponenten ist der Power-Factor-Correction-Konverter (PFC) – in bisherigen OBC insbesondere wegen der benötigten Drosseln ein sperriges Bauteil mit hohen Fertigungskosten. Am Fraunhofer IZM wurden planare PFC-Drosseln auf PCBBasis entwickelt, mit vier magnetisch gekoppelten Wicklungen auf einem gemeinsamen Ferritkern. Die flache Bauform ist nicht nur platzsparend, sondern geht zugleich mit sehr kurzen Kühlpfaden einher. Zwar bedeutet sie niedrige Induktivitäten, jedoch schafft auch hier eine höhere Taktfrequenz Abhilfe: Die PFC ist mit Siliziumcarbid-Schaltern (SiC) aufgebaut und kann daher bei 140 kHz getaktet werden.
Die Kombination dieser und weiterer Komponenten erlaubt einen zukunftsweisenden OBC mit ausgezeichneten Eigenschaften:
- Raumbedarf von lediglich drei Litern
- geringe Fertigungskosten, weil maschinell herstellbar
- kompatibel mit 1- und 3-Phasen-AC-Netzen unterschiedlicher Spannung bis 22 kW
- hoher Wirkungsgrad von 97 %
- anpassbar für 400- und 800-V-Batterien
- bidirektionales Laden (Auto-Akku als Energiespeicher nutzbar)