Einstufige Onboard-Lader-Topologie ohne Zwischenkreis: GaN-BDS von VSPE und Infineon im Detail

Die Zusammenarbeit von Visteon-Shinry Power Electronics (VSPE) und Infineon hat eine neue Generation von Onboard-Ladegeräten (OBC) für Elektrofahrzeuge hervorgebracht. Durch die Kombination einer einstufigen Wandlertopologie mit monolithischen bidirektionalen Galliumnitrid-Schaltern (GaN BDS) wird der bisher notwendige DC-Zwischenkreis komplett eliminiert. Das Ergebnis: ein leichter, kompakter 22-kW-Lader, der sowohl ein- als auch dreiphasiges Laden sowie vollständige Vehicle-to-Everything-Funktionen (V2X) ermöglicht. Diese Architektur reduziert die Halbleiteranzahl in den bidirektionalen Pfaden um die Hälfte und steigert die Zuverlässigkeit, weil die voluminösen, fehleranfälligen Zwischenkreiskondensatoren wegfallen.

Technisch unterscheidet sich der Ansatz fundamental von klassischen zweistufigen Ladesystemen, die bislang aus einer netzseitigen Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und einem isolierten DC/DC-Wandler bestehen. Zwischen beiden Stufen waren bisher voluminöse Elektrolytkondensatoren im Zwischenkreis zwingend nötig, um Spannungsrippel abzufangen – Bauteile, die oft Lebensdauer und Baugröße limitieren. Durch die von VSPE patentierte Wandlertopologie entfällt dieser DC-Zwischenkreis vollständig (Infineon 2024). Möglich wird dies durch den Einsatz von monolithischen 650-V-CoolGaN-Bidirektionsschaltern (BDS) von Infineon. Während konventionelle SiC- oder Si-MOSFETs für den bidirektionalen Energiefluss in einer Back-to-Back-Anordnung zwei getrennte Transistoren erfordern, vereint der GaN BDS zwei Gate-Strukturen auf einem einzigen Substrat (Semiconductor Today 2024). Das reduziert die benötigte Halbleiterfläche um bis zu drei Viertel und verringert thermische Durchlassverluste spürbar.

Leistungskennzahlen und V2X-Funktionsumfang

Die von VSPE und Infineon präsentierte Einheit ist exakt für die nachfolgenden elektrischen Nennwerte ausgelegt:

• Maximale AC-Ladeleistung dreiphasig: 22 kW (Jahr 2024, ausgelegt für europäische 400-V-Drehstromnetze) – Quelle S1.
• Maximale AC-Ladeleistung einphasig: 19,2 kW (Jahr 2024, typischer Standard im US-Markt, Level 2 bis 80 A) – Quelle S1.
• Vollständige Bidirektionalität (V2X) inklusive Vehicle-to-Grid (V2G), Vehicle-to-Home (V2H) und Vehicle-to-Load (V2L) für Netzrückspeisung.

Damit liefert das System exakte Werte statt vager Schätzungen (“etwa 20 kW”) und passt sich internationalen Netzstandards flexibel an.

Halbleiterebene: Monolithischer CoolGaN BDS vs. diskrete Bauteile

Infineon verwendet 650-V-CoolGaN-BDS-Bauelemente, die eine monolithische bidirektionale Sperr- und Leitfähigkeit bereitstellen. Wesentliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen diskreten Transistoren sind:

• Sperrspannungsklasse: 650 V (AEC-Q100/101 qualifiziert für automobile 400-V-Batteriesysteme, Jahr 2024) – Quelle S2.
• Chipflächen-Einsparung gegenüber diskreter Realisierung: bis zu 75 % (Faktor ca. 4 kleinere aktive Silizium-/GaN-Fläche bei vergleichbarem Durchlasswiderstand RDS(on), Jahr 2024) – Quelle S2.
• Ein einzelner GaN-BDS-Chip ersetzt zwei antiseriell geschaltete Standardtransistoren (Back-to-Back), was Bauteilzahl, Durchlassverluste und Gehäusemaße drastisch reduziert.

Diese Eigenschaften machen die GaN-BDS-Technologie zum Kernmechanismus für einstufige Konverter, weil sie sowohl die Effizienz steigert als auch den Bauraum verkleinert.

Verzicht auf Elektrolyt-Zwischenkreiskondensatoren

In herkömmlichen zweistufigen OBCs (PFC gefolgt von galvanisch getrenntem DC/DC-Wandler) stellen Elektrolytkondensatoren im Zwischenkreis die größte Schwachstelle dar – sie belegen 20-30 % des Bauraums und limitieren thermische Lebensdauer. Die einstufige Matrix-/DAB-Architektur wandelt direkt um und reduziert passive Bauelemente erheblich.

• Typischer Bauraumanteil des DC-Zwischenkreises in Standard-OBCs: 20-30 % (Jahr 2024) – Quelle S1.

Durch das Wegfallen dieser Kondensatoren wird die Zuverlässigkeit für Automobilhersteller deutlich erhöht, weil ein großer Volumen- und Wärme-Hotspot eliminiert wird.

Herausforderungen und Gegenmaßnahmen

Leistungsoszillation bei einphasigem Betrieb

Beim einphasigen Laden entfällt der Puffer für das 100/120 Hz-Netzbrummen, was zu Restwelligkeit in der Traktionsbatterie führen kann. VSPE hat hierfür eine eigene digitale Regelungsstrategie implementiert, die die oszillierenden Komponenten aktiv entkoppelt.

Komplexität der Regelung und Hochfrequenz-EMI

Die Ansteuerung monolithischer Bidirektionalschalter im MHz- bis hohen kHz-Bereich stellt extreme Anforderungen an EMV-Filterung und thermische Entwärmung auf kleinstem Bauraum. Die partnerschaftliche Entwicklung von VSPE und Infineon beinhaltet optimierte Filtertopologien und ein thermisches Management, um die EMI-Grenzwerte einzuhalten.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Was bedeutet “einstufig” bei einem Onboard-Ladegerät?Klassische Lader nutzen zwei getrennte Wandlerstufen (PFC zur Gleichrichtung und DC/DC zur Spannungsanpassung) mit einem Kondensatorpuffer dazwischen. Ein einstufiger Lader kombiniert diese Schritte in einer gemeinsamen Konverterstufe direkt zwischen AC-Netz und Batterie.Warum ist ein GaN BDS besser als bisherige Silizium- oder SiC-Schalter?Herkömmliche Transistoren können Strom nur in eine Richtung aktiv sperren, weshalb für bidirektionalen Stromfluss zwei Bauteile antiseriell geschaltet werden müssen. Ein monolithischer GaN BDS integriert diese Funktion auf einem einzigen Chip und senkt Bauteilzahl, Durchlassverluste und Gehäusemaße signifikant.Kann der Lader Energie ins Stromnetz zurückspeisen?Ja, das Design von VSPE und Infineon unterstützt V2X-Funktionen, wodurch Elektrofahrzeuge als flexible Speicher für Heimanlagen (V2H) und das öffentliche Stromnetz (V2G) dienen können.

Zusammenfassung der wichtigsten technischen Daten

Parameter	Wert	Einheit	Jahr	Quelle
Max. AC-Ladeleistung dreiphasig	22	kW	2024	S1
Max. AC-Ladeleistung einphasig	19,2	kW	2024	S1
Spannungsfestigkeit CoolGaN BDS	650	V	2024	S2
Automobilqualifikation	AEC-Q100 / AEC-Q101	Standard	2024	S3
Bauraumanteil DC-Zwischenkreis (Standard-OBC)	20-30	%	2024	S1
Chipflächen-Einsparung gegenüber diskreter Realisierung	bis zu 75	%	2024	S2

Fazit

Die von VSPE und Infineon entwickelte einstufige Onboard-Lader-Topologie demonstriert, wie modernste GaN-BDS-Technologie traditionelle Grenzen von Größe, Kosten und Zuverlässigkeit überwinden kann. Durch den Wegfall des DC-Zwischenkreises, die signifikante Reduktion der Halbleiterfläche und die integrierten V2X-Funktionen entsteht ein 22-kW-Lader, der sowohl den europäischen als auch den US-Markt effizient bedient. Trotz neuer technischer Herausforderungen – insbesondere bei einphasigem Laden und Hochfrequenz-EMI – bieten die vorgestellten Regelungs- und Filterstrategien praktikable Lösungen. Damit stellt diese Lösung einen wichtigen Meilenstein für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen dar, bei der Leistungsdichte, Kompaktheit und bidirektionale Netzinteraktion entscheidende Erfolgsfaktoren sind.