高効率電力変換システムの開発と解決

エネルギーリサイクル機能を備えた効率的なバッテリー形成システム

バッテリーを利用したアプリケーションが増加し続けている中で、特に電気自動車（EV）やスマートフォン、タブレット、電動工具などの携帯機器において、リチウムイオン電池の世界的需要が増加しています。バッテリー形成プロセスは、正確に制御された充放電サイクルを通じてリチウム化学物質を活性化し、それを使用可能な形式に変換するものです。そのため、バッテリー形成システムには、高い電力密度が求められ、充放電チャネルを増加させることや、エネルギー再利用が可能な効率的な電力変換、双方向の電力処理が必要となります。

交流電源網から整形されたバッテリーへの供給によって構成されるシステムは、AC電源網のインターフェースとしての力率補正（PFC）段階、電流の絶縁と降圧のための絶縁DC-DC段階、そして充電・放電電流をうまく制御するための厳密な充電・放電電圧を提供する非絶縁DC-DC段階を含みます。すべての段階は線形レギュレーターではなく、スイッチングコンバータ技術に基づいています。このスイッチングコンバータアプローチにより、成形システムはエネルギー効率や電力密度を向上させるとともに、同じハードウェアを使用してエネルギーリサイクルの可能性を提供し、それによりバッテリー製造コストの低減が可能になります。

信頼性の高いバッテリー形成システムにおける高い電力密度、高効率、エネルギー再利用の要件を満たすために、インフィニオンは、パワーデバイス、ドライバーIC、マイクロコントローラーを含むさまざまな製品を提供しています。バッテリー形成システムのコア段階は、PFC段階、絶縁型DC-DC段階、および非絶縁型DC-DC段階に分けることができます。

インフィニオンは、これらのPFCトポロジーにおいて効率的な電力変換を実現するために、アクティブスイッチとして600 V CoolMOS™ C7およびP7シリーズの使用を推奨しています。推奨されるパッシブスイッチはCoolSiC™ Schottky Diode 650 V G6であり、1.25 Vの順方向電圧降下のみを提供し、PFCステージでの伝導損失を低減します。

高効率サーバー用スイッチングモード電源 (SMPS) 設計と同様に、ゼロ電圧スイッチング (ZVS) トポロジーは通常、バッテリー形成システムの絶縁型DC-DCステージに適用されます。2つの典型的なトポロジーは、ハーフブリッジLLCとZVS位相シフトフルブリッジコンバータです。コントローラの選択に応じて、インフィニオンはLLCの一次側MOSFETとして600 V CoolMOS™ CFD7、P7、C7を推奨しています。

フォーメーションシステムコントローラーは、非絶縁型コンバーターにそれぞれのバッテリーを充電するよう指示し、通常はシステムの他の非絶縁型コンバーターと同時に放電プロセスを開始します。コンバーターのスイッチング周波数に応じて、設計者は最適なインフィニオンファミリーを選択することができます。スイッチング周波数が100 kHz以下またはそれと等しい場合はStrongIRFT™が推奨され、スイッチング周波数が100 kHzを超える場合はOptiMOS™ 5がより少ない電力損失を提供します。

エネルギー蓄電システムは電気自動車のセカンドライフバッテリーの問題を解決します

エネルギー貯蔵は、発電、送電、配電、消費の不可欠な部分として常に存在してきました。再生可能エネルギー発電の継続的な成長に伴い、電力の形態は大きな変化を遂げています。エネルギー貯蔵システム (ESS) は、供給と需要を管理し、より柔軟なエネルギーインフラストラクチャを構築し、公共事業および消費者にコスト削減をもたらすための幅広い技術的手段を提供します。バッテリーを基盤としたESS技術は、停電に対して1秒以内に対応でき、併設された太陽光発電所や風力発電所からのクリーンエネルギーを活用することが可能です。

インフィニオンのエネルギー生成、送電、電力変換、バッテリー管理における独自の専門知識は、効率性、革新性、性能、最適なコストの観点からESSソリューションを進化させる完璧なパートナーとなります。インフィニオンの独自の専門知識と製品ポートフォリオは、設計作業を簡素化し、システム性能を向上させ、市場投入までの時間を短縮し、システムコストを最適化する、最先端のソリューションを提供します。

ESSの3つの主要なトレンドは、シリコンカーバイド（SiC）、セカンドライフバッテリーのモジュール化アプローチ、そしてバッテリーマネジメントシステム（BMS）の開発です。インフィニオンのSiCポートフォリオの最新メンバーであるCoolSiC™ MOSFET 650 Vファミリーは、最先端で最適化されたトレンチ半導体プロセスの成果であり、アプリケーションでの最低損失と運用での最高信頼性を妥協することなく実現します。

電気自動車ソリューションの人気がますます高まる時代において、将来的には大量の使用済み電気自動車バッテリーの処理が必要になることが予測されます。モジュール方式のカスケード型および多段アーキテクチャの主な利点の一つは、バッテリーのセカンドライフを実現できる点です。例えば、ライフサイクルの終わりを迎え、電気自動車として使用できなくなったバッテリーに適しています。電気自動車におけるバッテリー廃棄の問題を解決するために、インフィニオンはモジュール方式のカスケード型および多段アーキテクチャを開発しました。このアーキテクチャは、インフィニオンの市場をリードするOptiMOS™ファミリーのような高効率で低電圧のMOSFETの特長を活かしています。

バッテリー管理システムは、ESSアプリケーションにおいて、バッテリー保護とバッテリー監視という二つのトップレベル機能を実現します。そして、インフィニオンのバッテリー管理製品ラインとリファレンスデザインは、より効率的で持続可能かつ信頼性の高いバッテリー駆動アプリケーションを成功裏に開発する手助けをします。インフィニオンのTLE9012AQUは、自動車、産業用、および家庭用アプリケーション向けのリチウムイオンバッテリーパックに使用される多チャンネルバッテリー監視およびバランスシステムICです。TLE9012AQUは、セル電圧測定、温度測定、セルバランス、およびメインバッテリーコントローラーとの絶縁通信という4つの主要機能を実現します。さらに、TLE9012AQUは、制御されるバッテリーの正確な機能を保証し、いかなる故障も検出するために必要な診断ツールを提供します。

双方向DC/DCコンバーターによる太陽光エネルギー貯蔵

21世紀において、電力は私たちの生活や仕事に欠かせない存在となっています。人類が主に利用してきた従来の一次エネルギーは、石油、天然ガス、石炭などの化石エネルギーです。化石エネルギーは、人類社会および科学技術の急速な発展と進歩により、100年以上にわたって徐々に枯渇しつつあります。

エネルギー危機の影響に加えて、従来の一次エネルギーを使用して発電すると、大量の酸性ガス（CO₂、SO₂、NOxなど）が大気中に放出され、世界中で酸性雨の増加を引き起こし、温室効果をもたらします。また、従来のエネルギーを燃焼して発電することで深刻なスモッグが発生し、植物や人体に悪影響を及ぼします。

グリーンエネルギーにおける太陽エネルギーは、エネルギー問題を解決するための重要な鍵となります。光電エネルギー貯蔵システムには主に2つの構造があります：MPPT + 双方向Buckboost + PCS、MPPT + DC/DC + PCSです。それらの違いは、双方向Buckboostの後部が高電圧バッテリーに接続されているのに対し、双方向DC/DCの後部が低電圧バッテリーに接続されている点にあります。

双方向DC/DCコンバータは、DC/DCコンバータの2象限動作です。入力および出力電圧の極性は変わらず、入力および出力電流の方向を変更することができます。一般的に、双方向DC/DCコンバータは絶縁型と非絶縁型に分類されます。絶縁型双方向DC/DCコンバータは広く使用されており、回路トポロジーには多くの変換形式があります。

現在、太陽光発電のエネルギー貯蔵部分の双方向DC/DCは主にCLLC変換回路および位相シフトフルブリッジ方式を採用しています。DC/DCのほとんどの電力デバイスはIGBTが使用されており、スイッチング周波数は約20Kに制御されています。Arrow Electronicsと半導体メーカーは、純SIC方式によるDC/DC部分の設計を開発しており、200Kのスイッチング周波数と96％の効率を実現することが可能です。

Arrow Electronicsは、双方向電力変換用リファレンス設計を発表しました。この設計はエネルギー貯蔵向けに、トーテムポールPFC + CLLLCトポロジを採用しています。このシステムはSiC MOSFETを使用して高い効率を実現し、高スイッチング周波数で動作することで、サイズと重量の削減を可能にします。UPSや太陽光発電システムなど、高出力充電システムでの利用が可能です。このリファレンス設計は、ユーザーがSiC MOSFETシステムの設計を迅速化し、製品開発サイクルを大幅に短縮するのに役立ちます。

IGBT設計と比較して、アローエレクトロニクスの双方向パワーコンバータのリファレンス設計は、サイズを50％縮小し、高出力電力 (最大6.6kW) と高効率 (>93%) を実現しています。デジタル制御による双方向出力をサポートし、強化された絶縁を備え、動作可能なファームウェアが整っています。AC/DC双方向の電力変換をサポートしており、最大充電電力は6.6kWです。AC入力電圧は200Vacから265Vac 50Hzに対応し、DC出力電圧は60Vdcから90Vdc、最大インバータ電力は6.6kW、インバータ定格入力は80Vdc、インバータ定格出力は220Vac 50Hzとなっています。

高効率LLC電力モジュールデモボード

EPCが発表したEPC9149デモボードは、1kWの48V入力から12V出力のLLCコンバーターで、4:1の固定変換比率を持つDCトランスフォーマーとして使用できます。このボードには、100V定格のEPC2218および40V定格のEPC2024のGaN FET、uP1966AとLMG1020のゲートドライバー、そしてMicrochipのdsPIC33CK32MP102 16ビットデジタルコントローラーが搭載されています。EPC9149デモボードは、ピーク効率97.5%（400W時）、フル負荷効率96.7%（12V時）、出力83.3A、サイズ22.9 × 58.4mm（0.90 × 2.30インチ）、低プロフィールデザイン、ヒートシンクなしのコンバーター厚さ10mm、ヒートシンクキット装着時の最大温度上昇70℃（12V時）、出力83.3A、固定スイッチング周波数1MHz、フル抵抗負荷サポートのソフトスタート、高い電力密度（ピンを除く）1227W/in³の特徴を備えています。

このコンバーターは評価目的専用であり、完全に機能するコンバーターではなく、最終製品での使用はできません。EPC9149には、EPC2218およびEPC2024 eGaN FETsに基づいた一次側フルブリッジ構成と、二次側のセンタータップ付きハーフブリッジ構成が備わっています。EPC9149ボードには、LLCボードのメイン入力電圧によって駆動されるロジックおよびゲートドライバー用のハウスキーピング電源も含まれています。EPC9149ボードの入力および出力電圧は抵抗分圧によって測定され、制御目的のためにマイクロコントローラーにフィードバックされます。このモジュールでは、日立金属製のML91S材料で作られたカスタマイズされたトランスコアを使用しています。このコアは高周波動作時にコア損失が少ないです。2つの半コア部品がボードの上部と下部から挿入され、中間部に適切なスペーサーを追加することで、必要な励磁インダクタンスを実現しています。

熱管理は、正確で信頼性のある動作を確保するために非常に重要であり、EPC9149 は通常の周囲温度でのベンチ評価に使用されます。ヒートスプレッダやヒートシンクを追加し、強制空冷を行うことで、電力デバイスの定格電流を大幅に増加させることが可能です。ただし、絶対最大チップ温度である150℃を超えないように注意する必要があります。

EPC9149 LLC電力モジュールには、Microchip製DSPIC33CK32MP102デジタル信号コントローラー（DSC）が搭載されています。この100MHz単一コアデバイスは、スイッチングモード電源（SMPS）用途に特化した周辺モジュールを備えています。例えば、機能豊富な4チャンネル（8x出力）の250ps分解能のパルス幅変調（PWM）ロジック、3.5Mspsのアナログ-デジタル変換器（ADC）3基、統合型デジタル-アナログ変換器（DAC）付き15ns伝搬遅延のアナログコンパレータ3基、ランプ信号生成のサポート、演算増幅器3基、そして緊密に結合されたデータパスを備えたデジタル信号処理（DSP）コアを含み、高性能なリアルタイム制御用途向けに設計されています。このデバイスは、dsPIC33CK単一コアおよびdsPIC33CH二重コアDSCファミリーの最小モデルを使用しています。本デザインで使用されているデバイスは、28ピン4x4mm UQFNパッケージで提供され、周囲温度-40℃～+125℃の仕様となっています。

結論

電力変換システムは、電流の種類や電圧を変更することで、さまざまな用途のニーズに対応する、すべての電子設計の基礎となるものです。本論文で紹介するさまざまなソリューションは、主にバッテリーシステムと太陽光発電システムの構築に焦点を当てており、現在最も注目されている応用分野です。この市場は非常に大きな可能性を秘めており、さらに深く理解する価値があります。