高性能と電力密度を実現するオンボードチャージャの設計
はじめに
電気自動車 (EV) は日々ますます普及しており、消費者にとってこれらの自動車の費用対効果を高めるための多くのインセンティブが全国的および世界的に提供されています (図1参照)。これにより、2023年の電動自動車販売台数は1,300万台を超え、2022年の販売台数と比較した場合、バッテリー電気自動車 (BEV) とプラグインハイブリッド電気自動車 (PHEV) に対して30%以上増加します。
カーボンニュートラルが世界的に大きなテーマとなる中、自動車メーカーはEVへの取り組みを増加し続けています。航続距離は300マイルがEVの基準でしたが、新しいEVは最大400マイル、または500マイルの航続距離を備えています。一方、ほとんどのプラグインハイブリッドは、バッテリーのみで25～50マイル走行できる動力装置を提供し、内燃エンジンでバッテリーを補助します。
図1: ACチャージャに接続されている電気自動車
車載チャージャの重要性
EVを所有する際の重要な側面の1つは、車がどれだけ速く充電できるかです。自宅でのEVの充電に影響を与えるシステムの1つは車載チャージャ (OBC) です。OBCは、ユーザーの自宅のACグリッド電圧を、EVまたはPHEVバッテリーを充電できるDC電圧に変換します。これらは通常、家庭や職場にあるL1またはL2 ACチャージャを使用して充電されます。L1チャージャは1kW～3kWの電力を供給でき、L2チャージャは3kW～22kWの電力を供給できます。
従来、車載チャージャは多くのプラグインハイブリッドで3.3kW (または6.6kW) をサポートできました。ただし、航続距離の不安に対処するためにバッテリーのサイズはますます大きくなり、今日の多くのEVには11kWのOBCが搭載されています。さらにより高速な充電を可能にするために、最大22kWまで対応できる新しい設計が進行中です。
表1は、OBCシステムのさまざまな電力定格と、EVがバッテリーを10%～90%まで充電できる速度を示しています。航続距離は、3マイル/kWhの効率を想定して計算されます。ほとんどのEVメーカーは、バッテリーの劣化を抑えるために、日常の運転ではバッテリーの充電量を80%～90%未満に保ち、長距離のドライブの場合にのみ100%まで充電することをユーザーに推奨しています。
表1: OBC電力定格の比較
| パラメータ | LLC共振トポロジー | PSRフライバックトポロジー | 利点 |
| スイッチング周波数 (fSW) | 高 (最大5MHz) | 低 (400kHz未満) | 周波数が高いほど、ソリューションのサイズを大幅に小型化可能 |
| トランスサイズ | 13µH (11mm x 6mm) | 30µH (10mm x 10mm) | |
| 漏れインダクタンス | 共振タンクの一部として漏れインダクタンスを利用 | 漏れインダクタンスによる性能低下 | LLCでは、漏れインダクタンスにより効率を向上し、電圧スパイクを防止 |
| 絶縁電圧 | 高 (最大5kV) | 低 (1.5kV) | LLCは、よりA高い絶縁電圧を可能にして安全性を向上。 |
| 絶縁容量 | 低 (1pF～6pF) | 高 (最大25pF) | ソリューションサイズを最大40%削減し、部品数を20%削減 |
| パッケージサイズ | 2mm x 2.5mm | 4mm x 4mm | |
| ダイオード (ツェナーダイオードを含む) | 3 | 6 | |
| ソリューションサイズ | 109mm2 | 180mm2 | |
| BOM部品 | 21部品 | 26部品 |
表1に基づくと、車両に高出力車載チャージャを搭載することには大きな利点があります。注意事項の1つは、OBCの定格電力はAC電源からバッテリーを充電できる最大電力量ですが、実際の出力電力は使用するACチャージャ、および壁のチャージャ自体から電力を供給できるチャージャの電圧と最大電流によって異なるということです。たとえば、チャージャが208Vの電源に接続されており、定格50Aの回路ブレーカーが付いている場合、そのチャージャは10.4kW (208V x 50A) の電力を供給できます。これは、利用可能な充電速度を最大限に活用するには、11kWのOBCが必要であることを意味します。
オンボードチャージャのアーキテクチャ
オンボードチャージャはAC電力をDC電力に変換するためのいくつかの段階で構成されています。
最初の段階は1フェーズから3フェーズの力率改善 (PFC) 段階で、車両のバッテリーの電圧に応じて、グリッドからのAC電圧を400V～800Vの中間DC電圧に変換します (効率の向上、充電時間の短縮、車内のケーブルの軽量化を可能にするために、バッテリー電圧が上昇していることにご注意ください）。PFCアーキテクチャには1フェーズから3フェーズまでの幅がありますが、電力レベルが増加するにつれて3フェーズの方が一般的になってきています。
2段階目は、中間DC電圧をターゲット電圧に変換する絶縁DC/DC段階です。目標電圧は充電されるバッテリーに特有のものであり、充電されるのがPHEVかBEVかに応じて200Vから800Vの間で変化します。DC/DC 段階では、LLCおよび位相シフト、フルブリッジコンバータ トポロジーを使用するのが一般的です。
図2は、OBCのブロック図です。
図2: PFC段と絶縁型DC/DCステージを備えたOBCシステム
これらのシステムの課題には、最大22kWまで増加する電力レベルに対応するためにOBCのサイズを最小化するために電力密度を高めることなどがあります。バッテリー電圧が400V～800Vに上昇するにつれて、業界では効率と電力密度を向上させるために、従来のIGBTの代わりに炭化ケイ素 (SiC) の採用が広がっています。
バッテリー電圧が上昇し続けるため、高バス電圧と高電力レベルでの安全性を確保するために、これらのシステムを絶縁することが重要です。MPSは、OBCで使用できるいくつかの絶縁ソリューションを提供して、最大5kVRMS絶縁を提供します。
MPQ188xxファミリは、最大5kVRMSの絶縁を達成できるいくつかの異なるパッケージ オプションをもつデュアルチャネルの車載グレード絶縁型ゲートドライバを備えています。MPQ18831は、調整可能なデッドタイム制御を備えたデュアル入力ハーフブリッジ ドライバです。MPQ18851は、2つの独立した入力を可能にするデュアルチャネルゲートドライバです。これらの製品には、出力ドライバ間の沿面距離が3.3 mmのワイドボディ (WB) SOIC-16パッケージとSOIC-14 WBパッケージの両方が含まれています。SOIC-14 WBパッケージは、ハイサイド出力とローサイド出力間の沿面距離が増加するため、400V / 800Vシステムに推奨されます。これらのデュアルチャネル絶縁ゲートドライバは、最大4Aのソース電流と8Aのシンク電流を供給して効率を高め、SiCまたはIGBT FETをより速くオン / オフできるようにします。
LLC 電源を使用する利点
MPQ18913は、絶縁バイアス電源用の車載グレードのLLCトランスドライバです。このデバイスは、SiCゲートドライバの絶縁したバイアスとしてSiC MOSETと連携できます。フライバックトポロジーは、SiC FETを駆動する絶縁型18V/-4V出力を提供するために、絶縁型電源によく使用されます。図3は、18V/-4V出力を実現するためにMPQ18913で実装された代表的なアプリケーション回路を示しています。出力数は使用するトランスに基づいて構成でき、出力電圧 (VOUT) は巻数比によって変更できます。
図3: MPQ18913アプリケーション回路
MPQ18913は、LLCコンバータとして使用できます。これは、絶縁ゲート駆動電源の最も効率的なトポロジーです（図4参照）。これらのコンバータは、エネルギー伝達用の励磁インダクタと、タンクを特定の周波数で共振させる追加のコンデンサとインダクタを備えている、共振LLCタンクを使用します。コンバータはこの共振を使用してソフトスイッチングを実現し、高効率の電力変換を保証します。LLCコンバータの主な利点は、トランスで発生した漏れインダクタンスをタンク内の共振インダクタとして使用できることです。これにより、漏れインダクタンスによって誘発される電圧スパイクが排除され、フライバックトポロジーと比較して効率が向上します。このソフトスイッチング トポロジーは、フライバックなどのハードスイッチング トポロジーによく見られるオーバーシュートやリンギングがないため、電磁障害を考慮する場合にも役立ちます。
図4: LLCトポロジー
LLC絶縁バイアス電源とディスクリートハーフブリッジドライバの比較
MPQ18913を例に挙げると、LLC共振トポロジーには、ハーフブリッジドライバと比較した場合にいくつかの注目すべき利点があります。ハーフブリッジドライバにはマイクロコントローラーと2つのハーフブリッジドライバこれによりソリューションのサイズが大きくなり、設計が複雑になる可能性があります。
MPQ18913は、ハーフブリッジドライバとコントローラおよびFETを小型の2mm x 2.5mmパッケージに統合しています (図5)。これにより、ソリューションの総コストが削減されるだけでなく、調達が必要な部品の数、製造の複雑さも削減されます。MPQ18913には、過電流保護 (OCP)、過熱保護 (OTP)、ソフトスタートなどのいくつかの保護機能も統合されています。ディスクリートハーフブリッジゲートドライバと比較すると、MPQ18913は大幅に小さくなり、複雑さが軽減されます (図5参照)。
図5: LLCゲートドライバのバイアス電源 (左) とディスクリートハーフブリッジ ゲートドライバ (右) の比較
LLC絶縁バイアス電源 対 フライバック
ゲートドライバのバイアス電源に使用されるもう1つの一般的なトポロジーは、1次側調整 (PSR) フライバックトポロジーです。LLC共振トポロジーの利点の1つは、ソリューションサイズの縮小です。これはスイッチング周波数 (fSW) によるもので、5MHzに達することができます。一方、フライバックトポロジーは400kHzのfSWをもっています。これにより、ソリューション全体のサイズが40%小さくなり、同等の電力レベルを提供できるようになります。
図6: LLCトポロジーとフライバックの合計ソリューションサイズ比較
表3は、標準のフライバックトポロジーと比較したMPQ18913を使用する利点を示しています。
表3: LCC共振トポロジーとフライバックトポロジー
| パラメータ | LLC共振トポロジー | PSRフライバックトポロジー | 利点 |
| スイッチング周波数 (fSW) | 高 (最大5MHz) | 低 (400kHz未満) | 周波数が高いほど、ソリューションのサイズを大幅に小型化可能 |
| トランスサイズ | 13µH (11mm x 6mm) | 30µH (10mm x 10mm) | |
| 漏れインダクタンス | 共振タンクの一部として漏れインダクタンスを利用 | 漏れインダクタンスによる性能低下 | LLCでは、漏れインダクタンスにより効率を向上し、電圧スパイクを防止 |
| 絶縁電圧 | 高 (最大5kV) | 低 (1.5kV) | LLCは、よりA高い絶縁電圧を可能にして安全性を向上。 |
| 絶縁容量 | 低 (1pF～6pF) | 高 (最大25pF) | ソリューションサイズを最大40%削減し、部品数を20%削減 |
| パッケージサイズ | 2mm x 2.5mm | 4mm x 4mm | |
| ダイオード (ツェナーダイオードを含む) | 3 | 6 | |
| ソリューションサイズ | 109mm2 | 180mm2 | |
| BOM部品 | 21部品 | 26部品 |
結論
高周波LLC電源は通常、低周波コンバータよりも設計での実装と最適化がより困難ですが、MPQ18913のようなデバイスは、自動共振周波数検出、統合FET、および統合コントローラなどの機能を備えたLLC電源を簡素化します。さらに、LLC共振トポロジーによりソリューションのサイズが縮小され、高出力オンボードチャージャ設計に対する電力密度が増加します。
電気自動車の普及が進むにつれ、車載グレードの電源管理ソリューションとLLC電源は、OBC、トラクションインバータ、DC/DCコンバータなどの、さまざまなEVとバイアスSiC FETで頻繁に使用されるようになるでしょう。オンボードチャージャ、トラクションインバータ、DC急速充電ステーションの詳細については、MPSの電動化ソリューションのページでご覧になれます。
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