Effektivare laddning för elbilar med GaN-teknik

Forskare arbetar med att göra garageladdning mer effektiv. Det visste vi redan att elnätet fungerar med växelström, medan elbilsbatterier lagrar likström – så någonstans måste en omvandling ske. Vid AC-laddning sker detta i det ombordmonterade laddningssystemet i bilen, men under denna omvandling uppstår energiförluster. Oavsett om laddningen sker med en ICCB-enhet via hushållsel eller med en Wallbox, går det inte att helt undvika dessa förluster.

I det BMBF-stödda projektet "EnerConnect" undersöker forskare från Fraunhofer-institutet för tillförlitlighet och mikrointegration IZM och Tekniska universitetet i Berlin, med hjälp av Delta Electronics Inc., BIT GmbH och Infineon Technologies AG, en ny typ av krets med bidirektional blockerande GaN-transistorer – det vill säga halverledare av galliumnitrid.

Precis som siliciumkarbid (SiC), som delvis redan används inom kraftelektronik för elbilar, möjliggör GaN-halvfabrikat högre switchfrekvenser, vilket i sin tur kan leda till mindre och potentiellt billigare komponenter. Skillnaden ligger i att de traditionella GaN-halvledarna bara kan blockera spänning i en riktning. Men de nya bidirektional blockerande GaN-transistorerna kan hantera både positiva och negativa spänningar genom två olika gatestrukturer, vilket öppnar för nya kretslösningar för både växel- och likriktare som kopplas till det offentliga elnätet.

Forskningsteamet vid "EnerConnect" arbetar på en lösning som skulle vara alldeles för komplex med konventionella halvledare, men blir möjlig med GaN. Den aktuella lösningen är en så kallad buck-boost-krets, som kan anpassa ingångsspänningen till både högre och lägre nivåer. Genom att använda bidirektional blockerande transistorer kan man utnyttja fördelarna med denna kretskonfiguration, berättar Fraunhofer-institutet.

Traditionellt sätt kopplas aktiva likriktare i elbilar med höga spänningar. Denna nya krets som forskarna på Fraunhofer IZM arbetar med gör det möjligt att sänka spänningen. Den lägre switchspänningen kan minska strömställarnas förluster, vilket är en stor fördel.

Ytterligare fördel med den nya kretsen är att den sparar en omvandlingssteg: Normalt måste ingångsspänningen i en likriktare först ökas och sedan sänkas i två separata steg för att uppnå den önskade batterispänningen. Genom att använda bidirektional blockerande GaN-transistorer kan dessa två steg kombineras i ett omvandlingssteg, vilket ytterligare ökar effektiviteten samtidigt som både materialbehov och kostnader minskar.

Resultatet är en effektivitet hos omvandlaren på upp till 99 procent. Det är även möjligt att öka switchfrekvensen till så mycket som 300 kHz, vilket ger potential att höja effekttätheten till 15 kW per liter – det är åtta gånger mer än nuvarande kommersiella laddare. Detta öppnar dörrar för att utveckla en kompakt och kraftfull ombordladdare som kan vara mindre än dagens laddare.

Fraunhofer IZM nämner också effekten av "effektiv snabbladdning via hemmakontakten." Här syftar de på potentialen för en kompakt 22 kW ombordladdare. I elbilar är det dock standard att använda tre-fasiga 11 kW ombordladdare med 16 ampere. Många tillverkare avstår från 22 kW-versioner på grund av kostnader och platsbrist. Med hjälp av GaN-transistorer kan både utrymmes- och kostnadsproblem åtgärdas, vilket skulle underlätta tillgången på 22 kW ombordladdare.