Forschungsschwerpunkt

Im Rahmen des europäischen Projekts "HiEFFICIENT" wird die Verwendung von neuartigen und leistungsstarken Halbleitern, sogenannten Wide-Bandgap-Halbleitern, für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen untersucht. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer effizienten, integrierten Ladeeinheit für Elektrofahrzeuge mit einer Leistung von 22 kW.

Für mobile Ladegeräte (On-Board Charger) in Elektrofahrzeugen ist eine galvanische Isolation zwischen dem Versorgungsnetz und der Fahrzeugbatterie erforderlich. Durch den Einsatz von Galliumnitrid-Halbleitern (GaN) können Schaltfrequenzen im Megahertz-Bereich erreicht werden, was eine Volumenreduzierung durch kleinere magnetische Komponenten ermöglicht. Für die galvanische Isolation und Spannungsübertragung wird ein Sinus-Amplituden-Converter (SAC) verwendet, der schaltungstechnisch eine LLC-Topologie aufweist.

Um ein hocheffizientes und Leistungsdichte optimiertes System zu erhalten, muss bei der Gestaltung des Transformators besonderes Augenmerk auf ein kompensiertes Design gelegt werden, das erforderlich ist, um die Verluste gering zu halten. Aufgrund der geringen Einbauhöhe wurde der Transformator mit herkömmlicher Leiterplattentechnologie entworfen. Mit der geringen Bauhöhe wird ein sehr kurzer thermischer Pfad zum Kühlkörper geschaffen. Die PCB-Technologie ermöglicht eine kostengünstige und reproduzierbare Fertigung mit sehr hohen Stückzahlen.

Eine symmetrische Stromverteilung innerhalb der Lagen erfordert besondere Sorgfalt bei der Gestaltung des Lagenaufbaus und der Anbindung des Transformators an die Halbbrücken und den lokalen Zwischenkreis. Die Optimierung bezüglich der Stromverdrängungseffekte wurde mit Hilfe eines 3D-Feldsimulators durchgeführt.

Das Ergebnis der Optimierung war ein Transformator für eine Leistung von 11 kW mit einer Gesamthöhe von weniger als 13 mm, wodurch eine Leistungsdichte von 56kW/l (ohne Kühlkörper) mit einem maximalen Wirkungsgrad von 98 Prozent erreicht wurde.