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E-Fahrzeuge: Ohne unterschiedliche isolierte Gleichspannungswandler kein Erfolg

| Autor/ Redakteur: Brian Johnson* / Benjamin Kirchbeck

Verschieden isolierte Gleichspannungswandler-Lösung sind für die Elektrofahrzeuge unerlässlich. Einer der weiß worauf es ankommt ist Bryan Johnson. Im Beitrag analysiert er, dass drei entscheidende Aspekte zu beachten sind – und erklärt was das Ganze mit Fußballtaktik zu tun hat.

( Bild: TI )

Hybrid- und Elektrofahrzeuge enthalten eine Vielzahl von Subsystemen und kritischen Bauelementen, die reibungslos zusammenarbeiten müssen. Isolierte Gleichspannungswandler kann man sich wie Spieler einer Mannschaft vorstellen, die das Strategiebuch des Teams zum Wohl der Mannschaft auf individuelle Weise umsetzen. Wenn Sie Fußballfan sind, werden Sie in Bild 1 Ähnlichkeiten mit einem Spieldiagramm erkennen. Die Design-Entscheidungen und das Spieldiagramm mit den verschiedenen isolierten Gleichspannungswandler-Lösungen, die zusammenarbeiten, können ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs sein und über Erfolg oder Misserfolg entscheiden.

Zahlreiche Beiträge haben sich bereits mit den Anforderungen des Antriebsstrangs von Hybrid- und Elektrofahrzeugen, mit Bord-Ladegeräten oder Elektrofahrzeug-Ladestationen befasst, wobei es um die AC/DC-Wandlung (mit dem UCC28070-Q1) und leistungsstarke isolierte Gleichspannungswandler-Systeme (mit dem UCC28951-Q1) geht. Andere Subsysteme in Hybrid- und Elektrofahrzeugen verlangen nach isolierten DC/DC-Controllern. Die Isolation ist wichtig, damit in elektrifizierten Fahrzeugen gefahrlos mit hohen Spannungen umgegangen werden kann. Die Automotive-Spezifikationen verlangen nach der doppelten funktionalen Isolation. Hohe Spannungen in Hybridfahrzeugen erlauben die Verwendung eines kleineren Verbrennungsmotors mit geringerer Traktionsleistung.

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In Bild 2 finden Sie eine Übersicht über die grundlegenden Subsysteme in einem Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug (auch wenn durchaus nicht alle Hybrid- und Elektrofahrzeuge nach diesem Prinzip konstruiert sind). Hierin eingeschlossen sind auch Spezialfahrzeuge oder solche mit weniger als vier Rädern, da auch hier in Batterien gespeicherte Energie umgewandelt werden muss. Zu den Spezialfahrzeugen gehören auch kleine, für bestimmte Aufgaben vorgesehene Fahrzeuge (Lastkarren, Nutzfahrzeuge, Geländefahrzeuge) sowie Personentransport-Geräte (E-Bikes, Roller, Rollstühle, E-Rikschas und sogar Skateboards).

Für Subsysteme, die geregelte, isolierte Spannungen für ihre Elektronik benötigen, die sich nicht direkt an der Batteriespannung betreiben lässt, müssen Sie die bestgeeignete Topologie für den jeweiligen isolierten Gleichspannungswandler auswählen. Was Sie hier brauchen, ist eine Liste erprobter Designs mitsamt einer Aufstellung, welche Ausgangsleistungen benötigt werden und welche Topologien in Frage kommen.

Zum Beispiel wird das elektronische Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug eine niedrigere Gleichspannung aus dem 12-V-Bordnetz benötigen. Ein spezielles Sperrwandler-Design (Flyback) auf der Basis des primärseitig geregelten Flyback-Controllers UCC28700-Q1 bietet die niedrigsten Material- und Entwicklungskosten, wenn die Ausgangsleistung kleiner als 50 W ist. Das PTC-Heizmodul (Positive Temperature Coefficient) eines elektrifizierten Autos erfordert möglicherweise die Isolation vom Bordnetz mit seiner stark variierenden Spannung. Eine gute Wahl ist hier der UCC2808A-2Q1 in einer Push-Pull-Topologie. Es handelt sich hier um einen phasenversetzt arbeitenden, doppelten Pulsweiten-Modulator (PWM) für Leistungen von einigen hundert Watt. Motoren für Pumpen, Kompressoren, Lüfter oder Gebläse mit weniger als 500 W können mit einem Halbbrücken-Controller bestückt werden, wenn die Spannung aus dem 48-V-Akusatz nach Isolation und/oder Spannungsregelung verlangt.

Sie können sich hier für den LM25037-Q1 entscheiden und diesen für Verbraucher mit mehr als 500 W auch in einer Vollbrücken-Topologie einsetzen. Derselbe Controller lässt sich ferner in einer Push-Pull-Topologie für einen Klasse-A/B-Audioverstärker nutzen, der eine positive und eine negative Versorgungsspannung benötigt. Eine gute Wahl ist die Push-Pull-Topologie auch zum Ansteuern von IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors), die in Antrieben oder Wechselrichtern zum Einsatz kommen und für den Gatetreiber ebenfalls positive und negative Spannungen erfordern.

Ein Forward Controller mit aktiver Klemmung findet ebenfalls seinen Platz in der Power-Management-Architektur von Hybrid- und Elektrofahrzeugen, und zwar hier speziell in Motorrädern und Rollern. Mit diesem Controller verbessert sich der Wirkungsgrad hart geschalteter Topologien. Bei der Wahl der Topologie müssen grundsätzlich die Ausgangsleistung, der Wirkungsgrad, die Kosten, der Bauteileaufwand, die Komplexität des Designs und die Leiterplattenfläche in Betracht gezogen werden. In einem Automotive-System aber kommen der Temperaturbereich, die Umgebungsbedingungen, die Sicherheit und die Isolation sowie die Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche als weitere Aspekte hinzu. Investiert man mehr Geld in die Wahl der richtigen Topologie, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen, kann dies den Verzicht auf teure Kühlmaßnahmen bei der thermischen Auslegung des Fahrzeugs ermöglichen, was sich unter dem Strich durch niedrigere Gesamtkosten und eine höhere Zuverlässigkeit auszahlt.

Bei Lösungen aus dem Zubehörmarkt, zum Beispiel aus dem Premium-Audio-Sektor, können Bauteile, die nicht für Automotive-Anwendungen ausgelegt sind, die Auswahl an Controllern erweitern, sodass auch andere Topologien in Frage kommen. Zum Beispiel lässt sich eine einfache Aufwärtswandler-Topologie für einen Klasse-D-Audioverstärker einsetzen. Jeder Trainer braucht schließlich eine ganze Palette unterschiedlicher Spieler, um eine Mannschaft zum Erfolg zu führen. Sie können auch die Vorteile überlegen, die sich aus der Verwendung ein und desselben Controllers in unterschiedlichen Topologien ergeben. Die Bausteine UC2825A-Q1 und UC2856-Q1 sind universelle PWM-Controller für den Einsatz in Aufwärtswandlern und Sperrwandlern sowie in Push-Pull-, Halbbrücken- und Vollbrücken-Designs.

Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die verschiedenen isolierten Gleichspannungswandler-Topologien. Dort wird ebenso die AC/DC-Wandlertopologie mit Leistungsfaktor-Korrektur (Power Factor Correction, PFC) aufgeführt, auch wenn sich dieser Beitrag schwerpunktmäßig mit Gleichspannungswandlern befasst. Tabelle 2 bietet eine andere Perspektive. Hier sind je nach dem Leistungsbereich des jeweiligen Designs allgemeine Leitlinien für die Wahl der Gleichspannungswandler-Topologien aufgeführt.

* Brian Johnson ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments

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