アクティブ力率補正AC/DCコンバータ、スイッチングDC/DCコンバータ、およびDC/ACインバータはすべて、同様の課題に直面し、適切かつ効率的に調整するために電流フィードバックを必要とする電力変換システムです。このため、電源設計者にとって、電流検知とそれが全体的なシステム設計およびパフォーマンスにどのように影響するかを理解することが不可欠になります。Allegro MicroSystemsのSam Lockeによるこの記事では、電力供給におけるさまざまな電流検知方法の利点について説明します。
この記事で取り上げるアプリケーション:
- • EV充電
- • 産業用電力
- • サーバーとデータセンター
- • 通信
- • 太陽エネルギー
- • 白物家電
電子機器に関しては、電力にはさまざまな形態と要因があります。電源レールはACまたはDCにすることができ、電圧レベル、電流レベル、電力制限も異なります。その結果、ある形態またはレベルから別の形態またはレベルへの電力の変換が必要になります。電気自動車の急速DC充電やデータセンターの高出力プロセッサなどの最近の技術開発により、より狭いスペースでより高い電力を必要とするようになっています。電力が1つの形式から別の形式に変換されるたびに、変換に伴って何らかの形の電力損失が発生し、それが熱として放散されます。消費者だけでなく、Energy StarTMなどの認証機関も、無駄な電力を最小限に抑えるために、製品や機器に一定レベルの効率を求めています。このため、電源設計者は、電力密度を最大化するとともに、パフォーマンスと効率の要件を満たす方法を模索することになります。
電力変換における電流検出方法
一部の電力変換コントローラには、通常、外部シャントに接続されたオンボード アンプを使用した電流検出機能が統合されています。これにより設計の複雑さは軽減されますが、多くの統合ソリューションは特定のアプリケーションに特化しており、適応できません。したがって、多くのトポロジでは、より汎用的なマイクロコントローラと外部電流検出ソリューションを使用して、情報をコントローラに送り返します。
電力変換システムで一般的に見られる電流検知ソリューションには、
- • 従来の電流検出アンプとシャント
- • 絶縁アンプとシャント
- • ホール効果電流センサー
シャントソリューション
従来のシャント ソリューションはコスト効率に優れていますが、精度要件が増すとシャントのコストも増加し、ソリューション全体のコストが上昇します。シャント ソリューションは、磁気センシング アプローチと比較して、非常に低い電流 (<2 A) でも優れた精度を実現します。電流検出アンプは、多くの場合、コモンモード電圧範囲によって制限されます。コモンモード電圧は、電流センス アンプの入力間の平均電圧であり、通常は負の数ボルトから最大100 Vの範囲です。負の範囲は通常2 ～ 10 Vであるため、従来のアンプはACソースの負の電圧を処理できません。100 Vの正の最大値は、センサーがグランドの近くに配置されていない限り、高電圧DCアプリケーションにおける従来のアンプにも制限を与え、短絡を検出する能力が失われ、システム グランドと実際のグランドからの電圧降下が発生します。絶縁アンプは負電圧と高い正電圧を検知する制限を取り除きますが、帯域幅が狭くなり、レイアウトスペースと予算を消費する絶縁電源が必要になります。シャント ソリューションの欠点の1つは、許容誤差、温度ドリフト、寄生インダクタンスなどのシャント パラメータに依存し、システム全体の精度とパフォーマンスに影響することです。電力変換で一般的な高速スイッチングでは、シャント インダクタンスによって全体的なシャント インピーダンスが増加します。周波数が増加すると、シャント インピーダンスも増加し、システム全体の精度と速度が低下し、出力スパイクが発生します。
ホールソリューション
ホール効果電流検出は、電圧（Vホール）は、電流が流れるワイヤ（I）の磁場（B）によって生成されるバイアスされたホールプレートを横切る（図1を参照）。
ホールベースのソリューションは、固有のガルバニック絶縁と最大1000 Vを超える動作電圧という利点があるため、二次絶縁電源を必要とせずにACおよびDC高電圧アプリケーションで使用できます。内部導体ホール センサーは高度に統合されており、外部シャントが不要なので、狭いレイアウト設計にも適合します。さらに、センシングは磁気的に行われるため、導体のインダクタンスはセンサー出力に影響を与えず、電流のオン/オフを切り替えるときに出力スパイクを軽減するのに特に役立ちます。もう一つの利点は、内部導体の抵抗が低いことです。これにより、ホールベースのソリューションはシャントベースのソリューションよりも電力損失が低くなり、より高い電流レベルでソリューションに利点がもたらされます。
表1: 電流検出ソリューションの比較
力率改善
力率補正 (PFC) は、無効電力を削減し、全体的な効率を向上させることを目的としたACからDCへの変換の一種です。AC負荷の場合、電力は瞬間電圧と瞬間電流の積に等しくなります。モーター、コイル、変圧器などの誘導負荷により、電流が電圧と位相がずれることがあります。これにより、生成されるものの実際の作業は行われない無効電力が発生します。無効電力を削減すると、システム全体の効率が向上します。
次のような多くのPFCトポロジがあります。
- • パッシブフィルタリング技術
- • PFCをブースト
- • デュアルブーストブリッジレスPFC
- • トーテムポールブリッジレスPFC
効率性の要件が高まるにつれて、複雑さとコストも増加します。トーテムポール トポロジ (図2を参照) は、効率が高く、場合によっては99% を超える効率が得られることから、非常に人気が高まっています。
図2: トーテムポールPFC回路。赤い円は電流検知位置を示しています。
すべてのアクティブPFCトポロジでは、出力を調整し、位相分離を減らすために入力電流と電圧の検知が必要です。高電圧には、ホールベースまたは絶縁アンプなどの絶縁ソリューションが必要です。PFC回路のスイッチング速度は非常に高速で、電力損失を低減します。速度は50 ～ 100 kHzの範囲で設定でき、適切なフィードバックを可能にするために、電流センサーの帯域幅は通常、スイッチング速度の2 ～ 10倍にすることが望まれます。これは、100 kHz ～ 1 MHzの電流センサー帯域幅要件に相当します。絶縁型電流センスアンプソリューションは通常300 kHzに制限されますが、ホールソリューションは最大1 MHzまで到達できます。
スイッチングDC/DCコンバータ
電子回路は広範囲のDC電圧で動作するため、AC/DC出力または複数のDCレールを備えたシステムではDCからDCへの変換が必要になります。DC/DCトポロジには以下のものが含まれますが、これらに限定されません。
- • バック
- • ブースト
- • バックブースト
- • フライバック
- • 共鳴する
共振トポロジー (図3を参照) は、コンパクトなサイズ、電力密度、ガルバニック絶縁の利点があり、EVの充電やエネルギー貯蔵で人気があります。ホールベースの電流センシングは、高い絶縁要件 (> 100 V) を備えた高電圧DCトポロジで特に有利です。PFCトポロジと比較すると、DC/DCのスイッチング周波数と帯域幅の要件は100 kHz ～ 1 MHzと似ています。
図3: 共振DC-DCコンバータ回路。赤い円は電流検知位置を示しています。左側のセンサーは入力電流用であり、絶縁が必要です。右側の電流センサーは、選択したアプローチに応じて低側または高側に配置された出力電流用です。
インバーター
インバーター (図4参照) はDC電圧をAC電圧に変換します。これは、太陽光やバッテリーなどのDC電源をグリッドに供給する場合や、強力なACモーターに使用している場合などに使用されます。インバーターは通常、スイッチング速度が低く、必要な帯域幅も少なくなります。シャントを備えた従来の電流検出アンプなどの非絶縁型電流検出ソリューションもインバータで使用できますが、センサーはAC出力と同相ではなく、グランドの隣に配置する必要があります。これにより、出力短絡を検出する能力が制限され、システム グランドと実際のグランドからの電圧降下が発生します。このローサイド センサーの配置では、ローサイド スイッチがオンのときにのみ電流を感知できます。同相絶縁アンプまたはホールベースのソリューションは、接地差を排除し、短絡検出を可能にし、スイッチング状態に関係なく電流を感知できます。同じ概念は、モーター制御における電流センサーの配置にも適用できます。
図4: 単相インバータ回路。赤い円は電流検知位置を示しています。1つの円は負荷の前の同相センシングを表し、もう1つの円はセンサーが負荷とグランドの間に配置されているローサイド センシングを表します。
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