ゲートドライバーの電力の課題を克服することによるEV電力設計の簡素化

EVの電力変換システムは、ハーフブリッジ構成に従います。この記事では、ゲートドライバの高電圧側（出力段）のIGBTハーフブリッジ設計について説明します。

EVはすべて電力に関するものです。大型のバッテリーパックは、高電圧と高電流を介してさまざまな電力変換システムに電力を供給し、メインのDC-DCコンバーターは車両の低電圧システムに電力を供給します。トラクションインバーターは、車輪に機械的な動力を供給します。最後に、バッテリー充電システムはバッテリーに電力を供給して、プロセス全体を最初からやり直します。各システムは、電力をある形式から別の形式に変換します。

ハーフブリッジ構成

これらのシステムの中心には、今日の電力変換システムの重要な構成要素の1つであるハーフブリッジ構成があります。この構成では、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチが、高電圧の正レールと負レールの間の負荷の接続をすばやく切り替えます。これらのスイッチのゲートを駆動することは、理想的なスイッチのように可能な限り動作させることによって効率を最大化するために不可欠です。ゲートドライバからスイッチングデバイスに電力がどのように流れるかを理解することにより、ゲートドライバの電力を設計して、ボードレイアウトの簡素化、コストの削減、および将来の設計での再利用の容易さを実現できます。

EVシステムでは、高電圧の正および負のレールをDC Link +およびDCLink–と呼ぶことがよくあります。図1は、IGBTデバイスから構築されたハーフブリッジ回路と、炭化ケイ素（SiC）FETを使用して構築されたハーフブリッジ回路を示しています。 IGBTをオンにするには、ゲートからエミッタ（VGE）までの電圧が特定のしきい値を超えて上昇する必要があります。

図1。 絶縁ゲートドライバとIGBTスイッチングデバイスおよびSiCFETスイッチングデバイスを備えたハーフブリッジ

同様に、SiC FETの場合、この電圧はゲートからソース（VGS）に現れます。簡単にするために、この記事の残りの部分では、IGBTハーフブリッジの設計について説明します。ただし、説明した原則はSiCFETの設計にも当てはまります。図1は、分離されたゲートドライバも示しています。多くのEVシステムには高電圧が関係しているため、低電圧システムコントローラーを高電圧電力段から分離するために絶縁が必要になることがよくあります。絶縁ゲートドライバはこれら2つのドメインをブリッジし、システムコントローラがパワーステージのIGBTまたはSiCFETを制御できるようにします。繰り返しになりますが、簡単にするために、この記事の残りの部分では、ゲートドライバの高電圧側（出力段）についてのみ説明します。

IGBTをオンにするには、ゲートドライバはゲート電圧を少なくともVGEしきい値まで上げてから、ゲートを充電してIGBTを完全にオンにするのに十分な電流を供給する必要があります。 DC Link–に接続されたローサイドゲートドライバーの場合、これはかなり簡単です。図1に示すように、ゲートドライバの出力段はDCリンクに接続されています。これは、そのグランドとして、および出力段のVDDの「パワードメイン2」の正のレールです。次に、ゲートをVDDにプルして、ローサイドデバイスをオンにします。これが機能するのは、VDDがIGBTのエミッタに接続されているDC Link–を基準にしているためです。したがって、正のVGEが作成されます。ハイサイドゲートドライバーにとって、物事はそれほど単純ではありません。

正のVGEを作成するには、ハイサイドゲートドライバのグランドをハイサイドIGBTのエミッタに接続する必要があります。この接続がないと、ゲートドライバはハイサイドIGBTのエミッタに対して本質的にフローティングになり、ゲートを駆動できません。これは、ハイサイドゲートドライバーが別の電源ドメインに存在する必要があることも意味します。ローサイドゲートドライバーと同じパワードメインに接続されている場合、ハイサイドIGBTのエミッターはDCリンクに接続され、ハーフブリッジのセットアップを中断します。したがって、特に複数のハーフブリッジ回路を備えたシステムでのゲートドライバパワードメインのアーキテクチャは、システムの複雑さに多大な影響を及ぼします。

複数のハーフブリッジ構成のコンバータトポロジ

多くの複雑なコンバータトポロジには、複数のハーフブリッジ構成が含まれています。たとえば、電気自動車の駆動列で使用されるモーターは、通常、各相がオンとオフになってモーションを生成する3相モーターです。トラクションインバーターは、3つのハーフブリッジ回路を使用してモーターの各相に電力を供給します。 6つのパワーデバイスとゲートドライバを使用する場合、ゲートドライバの配電を慎重に計画すると、パフォーマンスに大きな影響があります。三相インバーターは、1つまたは2つのハーフブリッジ回路のみを使用する他のシステムにも関連するさまざまな配電構成のトレードオフも示しています。

三相インバーターでは、すべてのローサイドデバイスがエミッターへの共通のDCリンク接続を共有します。したがって、ローサイドゲートドライバはすべて共通の電力ドメインを共有できます。残念ながら、ハイサイドゲートドライバのエミッタはシステムのさまざまなフェーズに接続されているため、図2に示すように、3つの個別の電源ドメインが必要です。

図2。 単一のDC-DCコンバーターを備えた三相システム

ローサイドドライバーを単一の電源ドメインに接続し、単一のDC-DCコンバーターを使用して4つの電源レールすべてを生成すること（図2にも示されています）は、この問題の一般的な解決策です。ただし、このアプローチでは、ボードレイアウトが複雑になり、PCBトレースが長くなることが多く、高周波システムでEMIの問題が発生する可能性があります。単一のDC-DCコントローラーを使用する場合、4つの出力レールすべてで厳密な電圧レギュレーションを実現することも困難であり、最終的に、共有トランスを介してハイサイドカップリングからローサイドにノイズが発生する可能性があります。これは、高周波SiC設計で特に問題になります。別のアプローチでは、DC-DCコンバーターを複数の独立したDC-DCコンバーターに分割します。

DC-DCコンバーターを複数の独立したDC-DCコンバーターに分割すると、一般にPCBレイアウトが簡素化され、トレース長が短縮され、各出力レールにクリーンなレギュレーションが提供されます。また、パワードメイン間のノイズを大幅に低減し、SiCベースのシステムが高いスイッチング周波数と最大効率を実現できるようにします。さらに、独立したDC-DCコンバータの設計は、フルブリッジシステムなど、スイッチの数が少ない他のハーフブリッジ構成で再利用できます。

DC-DCコントローラーのゲートドライバーへの統合

6つの独立したDC-DCコンバーター（分離されたゲートドライバーごとに1つ）を使用するのではなく、システムは通常、コストを削減するために4つのコンバーターに分割されます。図3に示すように、Silicon Labs Si828xなどの一部のゲートドライバーは、DC-DCコントローラーを統合して、コストとボードスペースをさらに削減し、統合されたDC-DCコントローラーの有無にかかわらず同じゲートドライバーを提供します。多くの場合、この構成は、複雑さ、コスト、およびパフォーマンスの間で適切なバランスを取ります。

図3。 統合されたDC-DCコントローラーと4つの独立した電源ドメインを備えたゲートドライバーを使用した三相システム

電気自動車、およびそれらが依存する電力変換システムは、ここにとどまります。より高い効率とより長い距離への要求が高まり続けるにつれて、電力システムは、より速いスイッチング速度、より複雑なトポロジー、およびより高い電圧を達成するように推進されます。新しい電源スイッチデバイスとゲートドライバ技術の進歩により、ハーフブリッジ回路の効率が新たな高みに押し上げられます。ただし、ハーフブリッジ回路が進化しても、パワードメインアーキテクチャは今後数年間、設計上の重要な考慮事項であり続けます。

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