より速く、より安全で、高効率のEV充電器のためのテクノロジーイネーブラー

この記事では、高電圧半導体スイッチ、電力変換器、マルチレベルの複雑な電力段など、EV充電器を駆動する半導体技術について説明します。

電気自動車（EV）の数が増えるにつれ、これまで以上に速く車両を充電できる、よりエネルギー効率の高い充電インフラストラクチャシステムを作成する必要性が高まっています。新しいEVは、以前のEVよりも範囲が広く、バッテリー容量が大きいため、急速充電の要件をサポートするための高速DC充電ソリューションの開発が必要です。 150kWまたは200kWの充電ステーションがEVを最大80％充電するのに約30分かかります。これは、約250kmを移動するのに十分な電力です。コンバインドチャージングシステムとChargede Move規格に準拠した高速DC充電ステーションは、最大400kWの電力を供給できます。

今日は、より速く、より安全で、より効率的な充電器を駆動する半導体技術について見ていきます。

• 高電圧半導体スイッチ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ[IGBT]および炭化ケイ素[SiC]）は、システム内のバス電圧（800Vまたは1,000V）を駆動しています。システム電圧の上昇に伴い、全体的な安全性と信頼性を確保するための絶縁技術が必要になります。
• 電力変換器がより高速なスイッチング周波数（数百キロヘルツから数メガヘルツ）に対応できるようになると、これらの高周波で動作することにより、回路で使用される磁気コンポーネントやその他のパッシブデバイスのサイズが縮小され、システムコストが削減され、全体が向上します。電力密度。したがって、デジタルパワーステージを正確に制御および保護するには、高帯域幅の電流および電圧検出が必要です。
• 効率を高めるには、マルチレベルの複雑なパワーステージを使用する必要があります。そのため、これらのパワーステージを効率的に切り替え、全体的なスイッチング損失を低減すると同時に、強化された絶縁および短絡保護機能を備えた高電圧絶縁ゲートドライバが必要になります。 。

これらのテクノロジーイネーブラーについて詳しく見ていきましょう。

アイソレーションテクノロジー

EV充電器はユーティリティグリッドと直接インターフェースするため、安全コンプライアンスは非常に重要です。オペレータの安全を確保し、高電圧変電システムの損傷からプロセッサを保護し、異なる通信サブシステム間のグランドループや電位差を防ぐために、絶縁が必要です。二次側制御アーキテクチャを備えたパワーコントローラは、パワーステージ（絶縁トランスを介して）だけでなく、コントローラ駆動回路および関連する信号調整回路でも絶縁を必要とします。

電力変換器のスイッチング動作によって引き起こされるノイズ干渉は、システムパフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。たとえば、電力変換器のスイッチングによるトランジェントが発生すると、スルーレートが高いと信号パスにトランジェント電圧が発生し、コモンモード電圧トランジェントが発生し、シグナルインテグリティを維持するために高いコモンモードトランジェントイミュニティ（CMTI）を備えたアイソレータが必要になります。 。

EV充電ステーションのDCリンク電圧を上げることは、オペレーターの安全性と信頼性のための強化された絶縁の重要性も示しています。動作電圧に応じて、絶縁には3つの基本的なクラスがあります。機能、基本、および強化です。動作絶縁とも呼ばれる機能絶縁は、感電から保護または絶縁しませんが、製品が機能するために必要です。基本的な断熱は、衝撃に対する基本的な保護を提供する単一レベルの断熱材です。強化絶縁は、二重絶縁と同等の感電保護を提供する単一絶縁システムです。

半導体にはさまざまな分離技術が可能です：

• 光絶縁は、透明な非導電性絶縁バリアを通過するLED光伝達を使用します。その主な利点は、高い電気的絶縁値と低コストです。ただし、光絶縁は、伝搬時間が長く、ノイズ耐性が低く、静止電流が高く、温度と経年変化による絶縁の劣化が速いこともあります。これらの制限により、光絶縁技術はコストに敏感な低速の電力変換器に制限されます。
• 磁気絶縁は、トランスコイル設計を使用した誘導結合伝達を使用し、高周波で高い絶縁を提供します。光学技術と比較して伝搬時間は長くなりますが、電磁ノイズの問題が高く、ノイズ耐性が低く、温度と湿度による絶縁劣化があります。
• 容量性絶縁は、変化する電界を使用して、静電容量を介してエネルギーを伝達します。このテクノロジーの利点は、高速で動作できることと、パッケージが比較的小さいことです。最高の信頼性と、温度に対する最高の断熱安定性、および高いCMTIと低い放射エミッションを備えています。

図1は、Texas Instrumentsが絶縁ゲートドライバ、増幅器、およびデジタルアイソレータで使用する容量性絶縁を示しています。

図1。 容量性分離

高帯域幅の電流および電圧検出

EV充電器アプリケーションは、監視、保護、制御の3つの主要機能に電流と電圧の検知を使用します。 EV充電器では、グリッドからのエネルギーの変換は通常2段階で行われます。力率補正ステージは、グリッド電圧を安定したDCリンク電圧に変換します。次に、DC / DCステージがDC電圧をEVバッテリーパックに適した電圧に変換します。

図2は、EV充電ステーションのブロック図であり、電流検出位置はAとしてマークされ、電圧検出位置はVとしてマークされています。

図2。 EV充電ステーションのブロック図

電力段でのSiCおよび窒化ガリウム（GaN）スイッチの使用の増加により、効率の向上と電力密度の向上を実現しながら、動作周波数の向上（数百キロヘルツから数メガヘルツ）が可能になりました。これらの電力段は、コンバーターの安定した動作を保証するために、制御ループの信頼性の高い動作のために高速スイッチング電流の正確な検知を必要とします。高速応答時間、線形動作の過熱、および正確な電流と電圧の検出は、高電圧ステージを備えたすべての高電力システムに不可欠です。

電流検出を支援する半導体技術は、直接および間接の検出方法に大きく分類できます。直接的な方法には、絶縁型増幅器または絶縁型​​シグマデルタ変調器のいずれかを使用することによるシャント抵抗ベースの検出が含まれます。シャント抵抗の両端の電圧降下は、通常50mVまたは250mV（電流抵抗損失を最小限に抑えるため）であり、このステージへの入力を形成します。

絶縁型アンプの場合、低電圧信号のスケーリングされた増幅が外部コントローラに送信され、電気的絶縁を維持しながら高電圧レールの電流を正確に測定します。

分離されたシグマデルタ変調器は、シャント全体の電圧降下を直接デジタルビットストリームに変調します。デジタルビットストリームは、マイクロコントローラーのシグマデルタ周辺機器と直接接続すると、はるかに高い帯域幅を実現します。より高い信号帯域幅により、コンバータの電力段を制御するための迅速で正確な電流測定とスイッチング信号の正確な表現が保証されます。

シャントベースのセンシングが推奨されます。これは、この方法では、基本的な1回限りのキャリブレーションを使用したホール効果ベースのソリューションと比較して、温度に対するDC精度が向上するためです。シャントベースのソリューションは、外部磁場に対する感度が限られているため、特に低電流ではるかに正確です。シャントベースのソリューションは、特にゼロ交差および磁気コア飽和領域の近くで、電圧範囲全体にわたって線形です。このソリューションは、ホール効果センサーと比較して、最大5 kVの強化された絶縁と、低減されたフォームファクターも提供します。

間接的な方法では、通電導体の周囲の磁場を検出します。たとえば、ホール効果センサーは、導体を流れる電流を検知することにより、導体の周囲に発生する磁場を間接的に測定します。開ループホール効果センサーは、最大1MHzの帯域幅で使用できます。閉ループセンサーの帯域幅は350kHzで、開ループホール効果センサーと比較して優れたパフォーマンスを提供しますが、コストも高くなります。

優れた帯域幅と応答時間を考えると、開ループおよび閉ループのホール効果センサーは、短絡状態、特に高周波で切り替えられたときに、シャントソリューションよりもSiCスイッチの保護を強化します。 SiCスイッチの短絡耐時間は通常1〜3 µsであり、短絡を防ぐために高速検出が必要になります。インラインシャントでの電圧降下により、ホール効果ベースのソリューションと比較した場合、特に測定電流が増加した場合に、熱放散と電力損失が発生します。

絶縁ゲートドライバ

高速ゲートドライバは、高効率、高電力密度、信頼性と堅牢性を備えたパワーモジュールを構築するために重要です。ゲートドライバは、コントローラのパルス幅変調器と高出力スイッチの間のインターフェイスです。ハイパワーSiC- / IGBTベースのパワーモジュールには、非常に高速でピーク電流をソースおよびシンクする機能を備えたゲートドライバが必要であり、ターンオンおよびターンオフの遷移時間を最小限に抑え、それによってスイッチング損失を最小限に抑えます。ゲートドライバーは次のことを行う必要があります：

• 広い動作電圧とさまざまなタイプの電源スイッチで同じドライバーを柔軟に使用できます。
• ノイズの多い環境や極端な温度条件での動作に堅牢である必要があります。
• ターンオン伝搬遅延を最小限に抑えて、電界効果トランジスタ（FET）のスイッチングを高速化し、ボディダイオードの導通時間を最小限に抑えて、効率を向上させます。
• ターンオン遅延の差を最小限に抑えて、並列の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を確実に駆動するために、優れた遅延マッチングを実現します。

高電圧アプリケーションの場合、強化された絶縁ゲートドライバは、サージ（CMTI）、電位差によって引き起こされるリーク電流、およびシステムに損傷を与える恐れのあるその他の異常なイベントに対するシステムの復元力を向上させます。

コントローラの配置によっては、コントローラとドライバを分離する必要がある場合があります。絶縁の従来の方法は、非絶縁ゲートドライバを備えた別のトランスを使用することです。統合ゲートドライバは、ディスクリートトランスソリューションと同等またはそれ以上の伝搬遅延を持ち、占有面積は最大50％少なくなります。さらに、統合ゲートドライバーは、100 V / nsを超えるCMTIを提供するように調整できます。これは、ディスクリートソリューションで達成可能な数値よりも大幅に高い数値です。 CMTIは、ゲートドライバの堅牢性を決定する重要なパラメータです。

コンバータの信頼性の高い動作には、ゲートドライバの保護機能が必要です。改善された電力密度と効率の利点により、SiCとGaNはさまざまなアプリケーションのシリコンIGBTの潜在的な代替品になりました。 SiC MOSFETには、より厳しい短絡保護要件があります。短絡耐量は、IGBTが約10 µsであるのに対し、1〜3 µsです。ゲートドライバに統合されたDESATピンは、短絡の検出で高速応答を提供するために重要です。統合された低電圧ロックアウトとアクティブなミラークランプも、ハーフブリッジアプリケーションで使用されるFETの誤ったターンオンを防ぐために不可欠です。

自然対流冷却を備えたポータブルDC急速充電器（EVトランクの後ろで簡単に持ち上げて保管できる）の必要性は、最先端の電力密度と効率を備えたEV充電器の設計の限界を押し上げています。ゲートドライバが統合されたGaNベースのスイッチは、オン抵抗、高速スイッチング、低出力容量を提供し、電力密度を最大3分の1向上させたEV充電器の設計を支援します。 EV充電器で一般的に使用されている共振アーキテクチャは、スイッチング損失を軽減し、システム全体の効率を向上させるゼロ電圧およびゼロ電流スイッチングの恩恵を受けることもできます。

結論

EV充電ステーションで使用される電力変換器では、高電力密度、信頼性、および堅牢性がますます重要になっています。電力と電圧のレベルが上がるにつれ、危険な操作条件から人と機器を保護することが重要になります。

高電力密度で効率的な充電器をターゲットにしているメーカーは、スイッチング周波数が数百キロヘルツから数メガヘルツに変化するIGBT、SiC、およびGaNベースの電力変換器を採用する予定です。これらのプラットフォームでの開発には、高周波の電流および電圧センサーが不可欠です。

スマートゲートドライバテクノロジーは、必要な高電圧レベル、高速スイッチング速度、および高速保護の必要性を可能にします。半導体技術が過去10年間に飛躍したことを考えると、コーヒーブレイクの間にEVを完全な範囲まで充電できるようになるかもしれません。

この記事は、TexasInstrumentsのシステムエンジニアであるHarishRamakrishnanによって共同執筆されました。

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