モジュール式パワーコンバータを用いた革新的な電力供給ネットワークの展開
著者 Art Pini 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2023-11-08
マルツ掲載日：2024-04-01
電気自動車(EV)の電力供給ネットワーク(PDN)は、急速に変化しています。12Vの鉛蓄電池のような従来の電力源は、48V以上の電力源に取って代わりつつあります。同時に、多くのモータやポンプ、センサ、アクチュエータは、依然として従来の電圧レベルで動作しています。その結果、より高いレベルの電圧を効率的に下げ、これらのさまざまな負荷に供給しなければなりません。
抵抗による電圧降下とそれに伴う電力損失を最小限に抑えながらこれを達成するために、電力系統の設計者は集中型アプローチ(電源の近くに大きなDC/DCコンバータを設置)から分散型アーキテクチャ(高電圧を各低電圧負荷の近くのパワーコンバータに供給する)へと移行しつつあります。
この分散型PDNを実現するには、高電力密度で最適な効率、小さな設置面積を備えた軽量な電源が必要です。従来のディスクリート部品を使用してコンバータを自社で設計することは、設計を最適化するために魅力的ではありますが、困難な作業でもあります。
そのためには、よりよい選択肢があります。それは、豊富な設計経験を持ち、入力電圧範囲や出力電圧、電力、密度、効率などのPDN要件に対するさまざまなソリューションを持つメーカーが提供する、既製のモジュール式デバイスを利用することです。
この記事では、最新のPDNのニーズと標準的な電源要件について説明します。また、 Vicorのモジュール式電源ソリューションを紹介し、高性能でコスト効率の高いPDNへの適用方法を説明します。
PDNの進化
電気自動車やハイブリッドEVには、最大限の航続距離と最小限の充電時間が必要であり、同時にドライバーや乗客にあらゆるサービスを提供する必要があります。これらの要件は、効率的で軽量な設計に重点を置いています。その結果、自動車メーカーは、集中型PDNアーキテクチャから分散型ゾーンアーキテクチャへと移行しつつあります(図1)。
図1：集中型アーキテクチャは、主電源電圧をその近くで12Vの負荷電圧に変換し、車両全体に供給します。分散型ゾーンアーキテクチャは、主電源電圧をローカルDC/DCコンバータに供給し、そこで電圧をできるだけ負荷の近くで12Vに下げます。(画像提供：Vicor)
集中型アーキテクチャは、旧式の低周波パルス幅変調(PWM)スイッチングトポロジを使用する大型DC/DCコンバータである「シルバーボックス」を介して、48Vの電源を12Vに変換します。電源はシルバーボックスから12Vで供給されます。
負荷に供給される所定の電力に対して、12Vの電流レベルは48Vの電圧で供給される電流の4倍です。これは、電流の2乗に比例する抵抗による電力損失が16倍になることを意味します。
一方、ゾーンアーキテクチャは、48Vの主電源をローカルゾーンに供給し、そこでより小型で高効率の48Vから12VへのDC/DCコンバータが負荷に電源を供給します。電流レベルが低いほど導体やコネクタの断面積が小さくなり、その結果、ワイヤハーネスが低コストかつ軽量になります。ローカルコンバータは、12V電源配線の長さを最小限にするため、負荷の近くに配置されています。
ゾーン方式では、熱源は主電源の近くに集中するのではなく、車両のゾーン全体に広く分布します。これにより、全体的な熱放散が改善され、個々のコンバータがより低温の環境で動作できるようになり、その結果、運転効率が向上し、信頼性が高まります。
PDN電源の設計
ディスクリート部品を使用してカスタムPDNコンバータを設計することは可能ですが、電源設計は非常に難しい作業です。アプリケーションや規制要件を満たすのに必要なスキルや経験を持つエンジニアはほとんどいません。モジュール式を選択するというアプローチは、よりシンプルで優れた考えです。
モジュール式のPDN設計は、柔軟でスケーラブルなアーキテクチャを可能にする幅広い電力関連機能を提供する電源モジュールの在庫があるかどうかに依存します(図2)。
図2：モジュール式PDN設計は、柔軟性と拡張性を確保するために、多様なソリューションを持つサプライヤに依存しています。(画像提供：Vicor)
基本的なゾーン型PDNアーキテクチャ(左上)は、48Vの電源をローカルDC/DCモジュール式コンバータに供給し、電圧を必要なレベルまで下げます。負荷要件が変更された場合、定格電力が高いモジュールへの単純なアップグレードが行われます(中央上部)。新しい負荷を追加するには、モジュール式コンバータ(右上)をもう1台追加するだけですみます。主電源構成を変更する必要はありません。
電源レールの損失低減は、ファクトライズドアーキテクチャへのわずかな変更で達成できます(左下)。ファクトライズドアーキテクチャは、パワーレギュレーションと電圧/電流変換を2つの別々のモジュールに分割します。プリレギュレータモジュール(PRM)は、電圧安定化機能を管理します。
ファクトライズドバス電流は、レールの出力電圧を安定化するために感知されます。電圧変換モジュール(VTM)は、直流トランスと同様の働きをし、電圧降下/電流逓倍を管理します。VTMは完全DC/DCコンバータモジュールよりも小型で、抵抗損失を減らすために負荷の近くに配置することができます。
また、出力インピーダンスが低いため、出力コンデンサを小さくする必要があります。つまり、負荷付近の大きなバルクコンデンサを、より小さなセラミックコンデンサで置き換えることができます。
より大きな電力が必要な場合は、複数のコンバータモジュールを並列接続することで対応できます(中央下)。400Vや800Vのような高電圧電源への更新は、固定比降圧モジュールとバスコンバータモジュール(BCM)を追加して、主電源電圧を安全超低電圧(SELV)バスレベルまで下げることで達成できます(右下)。
SELVバスは、感電に対する安全性を確保するため、電気機器の最大電圧制限を定めた安全規格であることに注意してください。SELVの電圧レベルは一般的に53V以下です。
これらの例は、ゾーンアーキテクチャで利用可能な柔軟性と拡張性を示しています。VicorはDCMシリーズで、このような多様なアプリケーションに適合する幅広いコンバータモジュールを提供しています。同社は、ChiP(Converter housed in Package)やVIA(Vicor Integrated Adapter)パッケージなど、電源モジュール設計における数々の技術的な革新を行ってきたパイオニア企業です(図3)。
図3：DCMシリーズのChiPとVIAの物理構成例。(画像提供：Vicor)
これらのパッケージは、電力損失を20%削減しながら、電力密度を以前のパッケージ構成に比べて4倍向上させています。ChiPは、高密度基板を通して取り付けられた磁気構造を使用しています。その他のコンポーネントは、電力密度を2倍にするために両面レイアウトで実装されています。
コンポーネントはパッケージ内で対称に配置され、熱性能を高めています。この高度なレイアウトは、最適化されたモールドコンパウンド材料を使用することで、熱経路を改善します。ChiPモジュールは上下面の熱インピーダンスが低くなります。冷却は、電気的接続だけでなく、上面と下面に熱的に結合されたヒートシンクを使って強化することができます。
VIAモジュールには、基本的な「ブリック」構造要素に、統合された電磁妨害(EMI)フィルタリング、より優れた出力電圧安定化、および2次制御インターフェースが追加されています。
DCMシリーズ DC/DCコンバータモジュールの例
DCMシリーズは、安定化絶縁型汎用DC/DCコンバータの1例です。入力として安定化されていない広い電圧範囲の電源から動作するこのコンバータは、最大46.43Aの出力電流で、最大1300Wのレベルで電圧が安定化された電力出力を生成します。入力と出力の間に最大4,242VのDC絶縁を提供します。
アイソレーションとはガルバニック絶縁のことで、入力と出力の間に電流が直接流れないことを意味します。この絶縁は、入力電圧が人体に有害な可能性がある場合、安全規格によって要求されることがあります。入力に対して出力をフローティングにすることで、出力極性の反転やシフトも可能になります。
DCMファミリは、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)トポロジを採用しており、電源デバイスをソフトスイッチングすることで、従来のPWMコンバータで一般的な高いターンオン損失を低減します。ZVSは、効率を犠牲にすることなく、高い周波数と高い入力電圧での動作を可能にします。
これらのコンバータは、500kHzから1MHz近くのスイッチング周波数で動作します。この高いスイッチング周波数を使用することで、関連するコイルやトランス、コンデンサ部品などのサイズも小さくなり、電力密度が向上します。出力密度は1244ワット/立方インチ(W/in.3)、効率は96%まで達成可能です。
DCMシリーズは、DCM2322、DCM3623、DCM4623の3種類のパッケージサイズがあり、入力電圧範囲と出力電力レベルが重複しています(図4)。
図4：DCMシリーズDC/DCコンバータの入出力電圧範囲を含む電気特性の概要グラフです。(画像提供：Vicor)
コンバータの3つのファミリの入力電圧範囲は9～420Vで、SELV出力は3～52.8VDCの範囲にあります。出力電圧リミットは、公称出力電圧の－40%～＋10%の範囲で調整が可能です。出力には、出力電圧の設定に関係なく、最大平均出力に基づいてコンバータを安全動作領域内に保つための完全動作電流制限があります。
DCMシリーズには、入力の低電圧や過電圧、過熱、出力の過電圧や過電流、出力短絡の故障保護機能があります。3種類のパッケージサイズすべてと、さまざまな入力電圧と最大電力範囲を含む、いくつかのDCM製品の例を表1に示します。
表1：一般的に使用されているDCMコンバータの特性は、幅広いアプリケーション要件を満たすために利用可能な入力電圧、出力電圧、電力レベルの範囲を示しています。(表提供：Art Pini氏)
この表は、DCM コンバータの各例の主な特性をまとめたもので、物理的な寸法も示しています。これはDCMの多様なモデルのほんの一部にすぎません。
標準的な用途
DCMコンバータは単独で使用できるほか、多くは並列運転も可能です。単独で使用する場合、出力は非絶縁型ポイントオブロード(POL)レギュレータを含む複数の負荷に供給することができます(図5)。
図5：DCM3623T75H06A6T00で直接負荷を駆動する標準的なアプリケーションと非絶縁型POLレギュレータを示します。(画像提供：Vicor)
この回路は簡単です。L1、C1、R4、C4、Cyは入力EMIフィルタを形成しています。出力コンデンサCOut-Extは、ROut-Extと共に制御ループの安定化させます。抵抗は、コンデンサの等価直列抵抗(ESR)で、約10mΩです。コンデンサは、コンバータの出力ピンの物理的に近くに配置する必要があります。Rdm、Lb、L2、C2は差動モード出力フィルタを形成します。フィルタの遮断周波数は、スイッチング周波数の10分の1に設定されています。
ほとんどのDCMコンバータは、出力を並列に接続して動作させることができます(アレイモード)。これは、最大8つのモジュールの出力を組み合わせることで、負荷に供給する出力を増加させます(図6)。
図6：この回路は、共通の負荷を駆動する4つのDCMコンバータの並列アレイ動作を示しています。(画像提供：Vicor)
外部コンポーネントは、単一コンバータの例と同じ機能を果たします。アレイモードでは、各DCMモジュールは直列インダクタンスの前に出力キャパシタンスの最小値を確認する必要があり、出力接合部よりも個々のコンバータの近くに配置する必要があります。
「N」個のDCMモジュールが同時に起動するアレイでは、出力キャパシタンスの最大値はCout-ExtのN倍までとなります。また、安定性を確保し、リンギングを最小限に抑えるために、電源インピーダンスはDCMアレイの入力インピーダンスの2分の1以下でなければならないという要件もあります。
まとめ
自動車やEVのようなアプリケーションは、集中型から分散型PDNアーキテクチャへと明らかな変化を遂げています。関連する効率、電力密度、重量の要件を満たすために必要なDC/DCコンバータは、ディスクリート部品を使用して設計するのは困難です。
代わりに、設計者はVicorのDCMシリーズモジュール式電源ソリューションを使用することで、時間とコストを削減することができます。このように、これらのモジュールはChiPやVIAのような先進パッケージの最前線にあり、革新的なZVSトポロジはスケーラブルで汎用性が高く、多種多様なアプリケーションに対応しています。
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