電気自動車 (EV) オンボード充電器 (OBC) は、電力レベルと機能に基づいてさまざまな形態をとることができます。充電電力は、電動スクーターなどのアプリケーションでは2kW未満から、高級EVでは22kWまでさまざまです。従来、充電電力は一方向です。近年、双方向充電が普及しつつあります。この論文では、双方向OBCに焦点を当て、中出力 (6.6 kW) および高出力 (11 ～ 22 kW) OBCにおけるシリコンカーバイド (SiC) の利点について説明します。
双方向OBCに移行する理由は何ですか?
自動車業界がガソリンをよりクリーンな代替燃料に置き換える方向に進んでいるため、EV輸送分野は急速な成長を遂げています。純粋に電気で動作するEVの市場シェアが拡大するにつれ、車両1台あたりの搭載バッテリー容量も増加しています。消費者は、大容量バッテリーの充電時間の短縮も求めています。この需要は、高性能車両を皮切りに、バッテリーの動作電圧を400Vから800Vに引き上げる動きにも拍車をかけています。
十分なバッテリー容量を備えたEVは、潜在的にエネルギー貯蔵システムとして機能することができ、車両から家庭への発電、車両からグリッドへの機会、車両から車両への充電など、さまざまな車両からあらゆるものへの充電ユースケースを可能にします。その結果、OBCは単方向トポロジから双方向トポロジに移行しています。システム効率を高めるために双方向OBCを採用する傾向が一般的にあります。
図1: 双方向OBCにより、車両からあらゆるものへの新しいユースケースが可能に
双方向OBCシステムブロック
EV用のOBC設計では、利用可能なEVスペースを最大限に活用し、重量を最小限に抑えるために、高い電力密度と最大限の効率が求められます。双方向OBCは、双方向AC/DCコンバータ（通常は力率補正 (PFC) またはアクティブ フロント エンド (AFE) 回路）とそれに続く絶縁型双方向DC/DCコンバータで構成されます。これらのブロックを個別に調べてみましょう。
PFC/AFEブロック
入力では、従来のPFCブースト コンバータが単相用として最も広く使用されているトポロジですが、双方向動作をサポートしておらず、比較的効率が悪いです。トーテムポールPFCは、ブリッジ整流段を排除し、伝導経路内の半導体デバイスの数を3個から2個に減らすことで効率を向上させます。
図2: ブースト トポロジ (a) からトーテムポールPFC (b) に変更すると、効率が向上し、双方向の動作が可能になります。
トーテムポールPFCには、異なる周波数で動作する2つのセクション (レッグ) が含まれています。紫色のボックス内の高速レッグは電圧を増幅し、電流を形成します。このレッグは高周波数で切り替える必要があります。低速レグは主に入力電圧を整流し、50/60 Hzのライン周波数で切り替えることができます。
ヨーロッパの一部の地域では、住宅用電力として三相電力が利用可能であり、通常は図3に示すように三相6スイッチPFC/AFEトポロジを使用できます。
図3. 双方向3相6スイッチPFCトポロジ
3レベル コンバータであるTタイプPFCなど、他のタイプの3相PFCもあります。3レベル コンバータの利点は、スイッチング損失が低く、インダクタのサイズが小さいことです。ただし、メリットには、システムの複雑さが増し、5カウントが増え、総コストが高くなり、コンバーターの全体的なサイズが大きくなるという側面があります。したがって、図3に示す基本的な2レベル3相PFCコンバーターは、3相双方向OBCで最も一般的に使用されるトポロジーです。
DC/DCコンバータブロック
単方向OBCのDC/DCコンバータは通常LLC共振コンバータですが、これは単方向トポロジです。逆動作モードでは、コンバータの電圧ゲインが制限され、パフォーマンスが低下します。したがって、図4の双方向CLLC共振コンバータは、充電モードと放電モードの両方で高い効率と広い出力電圧範囲を兼ね備えているため、DC/DCステージに適しています。
図4. 双方向CLLC DCDCコンバータ
EV OBCアプリケーションでは、CLLCはより高い効率を得るためにソフト スイッチング (一次側ではゼロ電圧スイッチング (ZVS)、二次側ではゼロ電流スイッチングと組み合わせたZVS) を採用しています。
もう1つの一般的な双方向DCDCコンバータ トポロジは、デュアル アクティブ ブリッジ (DAB) です。DABの動作は非常にシンプルで、位相シフトによって出力を調整します。ただし、ZVSの範囲は限られており、DABのターンオフ電流はCLLCよりも高いため、スイッチング損失はCLLCよりも高くなります。したがって、一般的に、DABはCLLCよりも効率が低くなります。一方、CLLCにおける共振回路の設計はより複雑です。
シリコンカーバイドの多くの利点
SiCは、高い臨界電界、高い電子ドリフト速度、高温、および高い熱伝導率の独自の組み合わせにより、高出力システムに適しています。トランジスタレベルでは、これによりオン抵抗（R DS(オン)) と低スイッチング損失を実現しており、高電流・高電圧アプリケーションに最適です。
SiCの他に、高出力設計のアクティブ デバイスには、シリコン (Si) MOSFETとSi IGBTという2つのオプションがあります。Si MOSFETは、トーテムポールPFCの高電力アプリケーションには実用的ではありません。Si MOSFETボディ ダイオードの逆回復により、連続導通モード (CCM) で大きな電力損失が発生するため、その使用は不連続モード動作と低電力アプリケーションに制限されます。対照的に、SiC MOSFETにより、トーテムポールPFCをCCMで動作させることができ、高効率、低EMI、および電力密度の向上が実現します。電圧定格に関しては、Si MOSFETは良好なR DS(オン) 650 Vまでの性能。1200 Vクラスでは、Si MOSFETのR DS(オン) このような高出力アプリケーションには高すぎるでしょう。
SiC MOSFETにはIGBTに比べて優れた点もあります。IGBTにはボディダイオードが含まれないため、代わりに超高速ダイオードが使用される場合があります。しかし、IGBTの最大スイッチング周波数は、スイッチング損失が大きいため制限されます。スイッチング周波数が低いため、SiCソリューションと比較して、磁気部品と受動部品の重量とサイズが増加します。
中出力双方向OBCアーキテクチャ（<6.6 kW）
中電力OBCは通常、400 V DCバスを備えた単相120 Vまたは240 V入力で動作します。トポロジは、図5に示すように、単相トーテムポールPFCとそれに続くCLLC DCDCコンバータです。
図5: SiCとトーテムポールPFCを使用した高効率OBCアーキテクチャ
6.6 kWの場合、PFCの各位置に2つの60 mΩ MOSFET (例: WolfspeedのE3M0060065K) を並列で使用するか、または1つの25 mΩ を、DCDCの各位置に1つの60 mΩ (E3M0060065K) または45 mΩ (例: WolfspeedのE3M0045065K) デバイスをそれぞれ使用できます。この双方向OBC設計のデバイス選択は、次の表にまとめられています。
表1: 高効率双方向OBCアーキテクチャ(3.3～6.6kW)のMOSFETの選択肢
Wolfspeedチームによって、このアプリケーションにおけるSiC MOSFETのパフォーマンスと実用性を実証するために、図5のアーキテクチャに基づく6.6 kW OBCリファレンス デザインが作成されました。
表に要件を示します。
表2 6.6kW双方向OBCの高レベル仕様
Wolfspeed 6.6 kW高出力双方向OBCリファレンス デザインの詳細については、オンラインで参照できます。
高出力双方向OBC設計（11kW/22kW）
11 kWや22 kWなどの高電力レベルでは、バッテリー電圧は400 Vまたは800 Vのいずれかになりますが、前述のように、市場は800 Vに向かっています。図6は、高電力3相双方向OBCのシステム ブロック図を示しています。
図6: 高出力3相双方向OBCのシステムブロック図
この設計は、400 Vまたは800 Vのバスに対応できます。
11 kW設計では、PFCとCLLCコンバータの一次側に75 mΩ 1200 V MOSFET (例: E3M0075120K) を使用できます。二次側では、800Vバッテリー アプリケーションで一次側と同じ75 mΩ MOSFETが使用されます。40 mΩ 1200 V MOSFETは高性能アプリケーションに使用できます。400 Vバッテリー アプリケーションの場合、二次側に4つの650 V 25 mΩ MOSFETを選択できます。
22kWの設計は11kW OBCの設計と似ていますが、より高い出力にはより低いRが必要です。 DS(オン) デバイス。PFCとDCDCの一次側には32 mΩ 1200 V MOSFETが使用されます。これまでと同様に、二次側では、800 Vバス アプリケーションに同じ一次側デバイスを使用することも、400 Vアプリケーションに650 V 15 mΩ を代用することもできます。
高出力3相設計におけるデバイスの選択肢を表3にまとめます。
表3: 11kWおよび22kW双方向OBCのMOSFETの選択
Wolfspeedによって、3相双方向OBCのリファレンス デザインが2つ作成されました。1つは22 kWの3相PFC用、もう1つは22 kW DCDC用です。以下の表は、高出力22 kW OBCの要件を示しています。OBC設計では、充電モードと放電モードの両方で96% を超える全体効率と98.5% を超えるDC/DCピーク効率が実現されます。3相22 kW PFCおよび22 kW DC/DCの詳細については、Wolfspeed Webサイトをご覧ください。
表4. 双方向OBC用22kW三相PFCおよびDCDCの高レベル仕様
単相入力と三相入力を備えた22kWシリコンカーバイドベースの設計
多くのヨーロッパの家庭では三相電力が容易に利用できますが、典型的な米国の家庭、アジアおよび南米の家庭では、240 Vの単相電力のみが標準となっています。この場合、設計では高出力の22 kW OBCが必要であり、これは単相と三相の両方と互換性があり、OBC SKUを削減できます。従来の3相 (レッグ) PFCに4番目のレッグが追加され、設計者は単相入力にインターリーブ手法を使用できるようになります。図7は、3つの高周波セクションと4番目の低周波レッグを持つインターリーブ トーテムポールPFCを示しています。各PFCの高周波レッグは、32 mΩ 1200 V SiC MOSFETを介して6.6 kWを供給します。低周波レグでは2つのSi IGBTを使用してコストを削減できます。3相が利用可能な場合、この回路は自動的に3相動作に再構成され、4番目のレッグは浮いた状態になります。
図7: 22kW単相設計のインターリーブトーテムポールPFC
結論: 22kW双方向OBCにおけるシリコンカーバイドとシリコン
双方向OBCでは、コスト、サイズ、重量、電力密度、効率など、すべての関連側面において、SiCベースのソリューションがSiベースのソリューションよりも優れています。たとえば、22kW双方向OBCの場合、詳細な比較 (次の双方向オンボード充電器の設計にSiではなくSiCを選択する理由) により、図6に示すSiCベースのソリューションでは14個のパワー デバイスと14個のゲート ドライバが必要であることがわかります。Siベースの設計では、各タイプのデバイスが22個必要です。
性能を比較すると、SiC設計は97% の効率と3 kW/Lの電力密度を実現しますが、シリコンは95% の効率と2 kW/Lです。
最後に、システムコストの内訳を見ると、SiベースのソリューションはSiC設計よりも約18% 高くなることがわかります。6.6 kWの比較でも、全面的に改善されたSiC設計の優位性が示されています。
これらの利点により、SiCシステムではSi設計と比較して生涯で約550ドルの節約になります。
Wolfspeedシリコンカーバイドデバイスについて
双方向機能は、EV OBC設計における新しいトレンドです。Wolfspeed SiC MOSFETは、低いオン抵抗、非常に低い出力容量、および低いソースインダクタンスを備えたデバイスを提供し、低いスイッチング損失と低い伝導損失を完璧に組み合わせることで、多くの電力設計の課題に対処します。Siベースのソリューションと比較して、Wolfspeed SiCパワーデバイス テクノロジーにより、システムの電力密度の向上、スイッチング周波数の向上、インダクタ、コンデンサ、フィルター、トランスなどのコンポーネントの数とサイズの削減、システム コストの潜在的な削減が可能になります。
この記事では、6.6 kWおよび22 kW OBCアプリケーションの双方向設計について説明し、SiCベースのソリューションに切り替えることで得られるパフォーマンス上の利点とコスト削減について概説しました。電源設計の考慮事項やその他のトピックの詳細については、Wolfspeed Knowledge Centerをご覧ください。