HF-Litzen in AC/DC- und DC/DC-Stufen

Moderne Schnellladestationen (HPC) basieren auf komplexen Topologien mit AC/DC-Gleichrichtung und nachgeschalteter, galvanisch getrennter DC/DC-Wandlung. Um die geforderten hohen Ladeleistungen auf engstem Raum zu realisieren, ist das thermische Management der induktiven Bauelemente der limitierende Faktor. PACK LitzWire unterstützte einen Hersteller bei der Auslegung einer Wicklung, die extreme Leistungsdichte mit der erforderlichen Spannungsfestigkeit vereint.

Die Anwendung

Das Gesamtsystem einer DC-Schnellladestation bestand aus einer AC/DC-Eingangsstufe (PFC), die den Netzstrom gleichrichtet, und einer galvanisch getrennten DC/DC-Stufe, die die Spannung an das Batterieniveau des Fahrzeugs anpasst. Beide Stufen arbeiteten mit hohen Schaltfrequenzen, um die magnetischen Bauteile kompakt zu halten. Die Transformatoren und Induktivitäten mussten Ströme im Bereich von mehreren hundert Ampere führen und Wärme effizient abführen, um Ladeleistungen von 150–350 kW (bzw. pro Modul 20–40 kW) zu ermöglichen.

Die Herausforderung

Die Anforderungen an die Wickelgüter waren in diesem Szenario gegenläufig (Trade-off):

• Verlustminimierung: Die hohen HF-Ströme und ausgeprägten Proximity-Effekte bei den verwendeten Schaltfrequenzen führen zu AC-Verlusten und damit zu Wärme.
• Spannungsfestigkeit: Die galvanische Trennung im DC/DC-Wandler sowie Netztransienten in der AC/DC-Stufe erfordern dicke Isolationsschichten und große Kriechstrecken.
• Leistungsdichte: Um die Ladestationen kompakt zu halten, musste der Kupferfüllfaktor im Wickelfenster maximiert werden, was oft im Konflikt mit dem benötigten Isolationsraum steht.

Eine Standard-Lösung würde entweder thermisch durchgehen oder die Isolationsanforderungen der Normen verletzen.

Unterstützung durch PACK LitzWire

Um dieses komplexe Zusammenspiel zu lösen, setzte PACK LitzWire auf eine Kombination aus simulationsgestützter Auslegung und Materialexpertise:

• AC-Verlust-Berechnung: Mithilfe des Berechnungstools LiWiCalc vom Fraunhofer-Institut wurde die Litzenkonstruktion exakt auf das Frequenzspektrum der AC/DC- und DC/DC-Stufe abgestimmt. Durch die Simulation konnte der optimale Einzeldrahtdurchmesser ermittelt werden, der die Wirbelstromverluste minimiert, ohne den Füllfaktor durch zu viel Lackanteil unnötig zu reduzieren.
• Isolationskonzept: Für die Einhaltung der erforderlichen Spannungsfestigkeit empfahl PackLitzWire den Einsatz von RUPALIT® Safety HF-Litzen. Diese verfügen über verstärkte Isolationssysteme, z. B. Polyimid-Folie (Kapton) oder mehrfach extrudierte Fluorpolymer-Schichten (z. B. ETFE), die eine hohe Durchschlagsfestigkeit direkt am Leiter gewährleisten. Dies ermöglichte eine Reduzierung der passiven Isolationsmaterialien (Tapes) zwischen den Lagen.
• Thermische Optimierung: Die optimierte Litzengeometrie führte zu einer homogeneren Stromverteilung im Leiterpaket und damit zu einer gleichmäßigeren thermischen Belastung. 

Ergebnis

Durch die enge technische Abstimmung konnte ein Transformator-Design realisiert werden, das die Gesamtverluste signifikant senkte. Die optimierte HF-Litze ermöglichte die Einhaltung der geforderten Isolationsabstände bei gleichzeitiger Maximierung der Leistungsdichte. Der Kunde konnte so ein Schnelllademodul in Serie bringen, das auch unter Volllast thermisch stabil bleibt und die hohen Sicherheitsanforderungen für öffentliche Ladeinfrastruktur erfüllt.