市場にはバッテリー駆動のデバイスがますます増えています。電池の動作効率を向上させ、二次電池をより多くの用途にリサイクルすることが、現在重要な開発方向です。この記事では、電池形成システムの運用、使用済み電池の再利用、太陽光発電システムのアプリケーション開発、および関連ソリューションについて説明します。
エネルギーリサイクル機能を備えた効率的な電池形成システム
電気自動車（EV）やスマートフォン、タブレット、電動工具などのポータブルデバイスなど、バッテリー駆動のアプリケーションがますます増えているため、リチウムイオン電池の需要は世界的に増加しています。バッテリー形成プロセスでは、正確に制御された充電および放電サイクルを通じてリチウムの化学組成を活性化し、その化学組成を使用可能な形式に変換します。したがって、バッテリー形成システムには、充放電チャネルを増やすための高電力密度と、エネルギーリサイクル機能、双方向電力処理による効率的な電力変換が必要です。
ACグリッドからフォーマットされたバッテリーへの電源供給によって形成されるシステムには、ACグリッド インターフェイスとしての力率補正 (PFC) ステージ、電流の絶縁と降圧のための絶縁型DC-DCステージ、および充電電流と放電電流を適切に制御するための厳密な充電電圧と放電電圧を提供する非絶縁型DC-DCステージが含まれます。すべてのステージは、リニア レギュレータではなくスイッチング コンバータ テクノロジに基づいています。スイッチングコンバータのアプローチにより、フォーメーションシステムのエネルギー効率と電力密度が向上し、同じハードウェアを使用してエネルギーをリサイクルできるようになり、バッテリーの製造コストが削減されます。
信頼性の高いバッテリー形成システムの高電力密度、高効率、エネルギーリサイクル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IC、マイクロコントローラなど、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ステージは、PFCステージ、絶縁型DC-DCステージ、非絶縁型DC-DCステージに分けられます。
Infineonは、効率的な電力変換のために、これらのPFCトポロジのアクティブ スイッチとして600 V CoolMOS™ C7およびP7シリーズを使用することを推奨しています。CoolSiC™ ショットキー ダイオード650 V G6は、1.25 Vの順方向電圧降下のみを提供する推奨パッシブ スイッチであり、PFCステージでの伝導損失を削減します。
高効率サーバー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つの一般的なトポロジーは、ハーフブリッジLLCとZVS位相シフト フルブリッジ コンバーターです。コントローラの選択に応じて、InfineonはLLC一次側MOSFETとして600 V CoolMOS™ CFD7、P7、およびC7を推奨します。
フォーメーション システム コントローラは、非絶縁コンバータにそれぞれのバッテリーを充電するように指示し、通常は、システムの他の非絶縁コンバータと同じタイミングで放電プロセスを開始します。コンバータのスイッチング周波数に応じて、設計者は最も適切なInfineonファミリを選択できます。スイッチング周波数が100 kHz以下の場合はStrongIRFT™ が推奨されますが、スイッチング周波数が100 kHzを超える場合はOptiMOS™ 5の方が電力損失が少なくなります。
エネルギー貯蔵システムは電気自動車の二次電池の問題を解決します
エネルギー貯蔵は、常に電力の発電、送電、配電、消費に欠かせない要素となっています。再生可能エネルギー発電の継続的な成長により、電力パターン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、公益事業会社と消費者にコスト削減をもたらす幅広い技術的方法を提供します。バッテリーベースのESSテクノロジーは、併設された太陽光発電所や風力発電所からのクリーンなエネルギーを活用して、1秒以内に停電に対応できます。
インフィニオンは、エネルギー生成、伝送、電力変換、バッテリー管理に関する独自の専門知識を備えており、効率、革新、パフォーマンス、最適なコストの面でESSソリューションを進化させるのに最適なパートナーです。Infineonの独自の専門知識と製品ポートフォリオは、設計の労力を軽減し、システム パフォーマンスを向上させ、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マルチモジュールアプローチ、およびバッテリー管理システム (BMS) の開発です。Infineon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、最先端の最適化されたトレンチ半導体プロセスで製造されており、アプリケーションでの損失を最小限に抑え、動作時の信頼性を最大限に高めることに妥協しません。
電気自動車ソリューションの人気が高まる時代において、将来、世界中で大量の使用済み電気自動車バッテリーに対処しなければならないことが予想されます。モジュール式のカスケード型およびマルチレベルアーキテクチャの主な利点の1つは、バッテリーの2度目の寿命を実現できることです。例えば、寿命が尽きて電気自動車に使用できなくなったバッテリーに適しています。インフィニオンは、電気自動車のバッテリーをなくすという問題を解決するために、市場をリードするインフィニオンのOptiMOS™ ファミリーなどの高効率で低電圧のMOSFETの利点を活用した、モジュール式のカスケード型マルチレベルアーキテクチャを開発しました。
バッテリー管理システムは、ESSアプリケーションの2つのトップレベル機能、つまりバッテリー保護とバッテリー監視を実装し、Infineonのバッテリー管理製品ラインとリファレンス デザインを実装します。これにより、より効率的で、持続的で、信頼性の高いバッテリー駆動アプリケーションの開発を成功させることができます。InfineonのTLE9012AQUは、自動車、産業、民生用アプリケーションで使用されるリチウムイオン バッテリー パック向けに設計された、マルチチャネル バッテリー監視およびバランス調整システムICです。TLE9012AQUは、セル電圧測定、温度測定、セルバランス、メインバッテリーコントローラとの独立した通信という4つの主要機能を実装しています。さらに、TLE9012AQUは、制御されたバッテリーの適切な機能を確認し、障害を検出するために必要な診断ツールを提供します。
太陽光発電エネルギー貯蔵用双方向DC/DCコンバータ
21世紀において、電気エネルギーは私たちの生活と仕事に欠かせないものとなっています。人類が主に利用してきた伝統的な一次エネルギーは、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、100年以上にわたる人類社会と科学技術の急速な発展と進歩の中で徐々に枯渇してきました。
エネルギー危機の影響に加え、従来の一次エネルギーを使用して発電すると、CO2、SO2 、NOxなどの酸性ガスが大気中に大量に排出され、世界中で酸性雨の量が増加し、温室効果を引き起こします。発電のための従来のエネルギーの燃焼も深刻なスモッグを引き起こし、植物や人体に害を及ぼします。
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です。太陽光発電エネルギー貯蔵システムには、MPPT + 双方向バックブースト + PCS、MPPT + DC/DC + PCSという2つの主な構造があります。それらの違いは、双方向バックブーストのバックエンドが高電圧バッテリーに接続され、双方向DC/DCのバックエンドが低電圧バッテリーに接続されていることです。
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更されず、入力および出力電流の方向は変更できます。一般的に、双方向DC/DCは絶縁型と非絶縁型に分けられます。絶縁型双方向DC/DCコンバータは広く使用されており、回路トポロジには多くの変換形式があります。
現在、太陽光発電エネルギー貯蔵部分の双方向DC/DCでは、主にCLLC変換回路と位相シフトフルブリッジトポロジを採用しています。DC/DCにおけるパワーデバイスのほとんどはIGBTであり、スイッチング周波数は20K程度で制御されます。Arrow Electronicsとチップメーカーは、スイッチング周波数200Kと効率96% を達成できる純粋なSIC方式のDC/DC部品設計を開発しました。
Arrow Electronicsは、トーテムポールPFC + CLLLCトポロジを含む、エネルギー貯蔵用の双方向電力コンバータのリファレンス デザインを発表しました。SiC MOSFETによる高スイッチング周波数で動作し、高効率を実現し、サイズと重量を削減します。UPSや太陽光発電システムなどの高出力充電システムに使用できます。このリファレンス デザインは、SiC MOSFETシステムの設計をスピードアップし、製品開発サイクルを大幅に短縮するのに役立ちます。
Arrow Electronicsの双方向電力コンバータのリファレンス設計は、IGBT設計と比較してサイズが50% 縮小され、高出力電力 (最大6.6 kW) と高効率 (> 93%) を備え、デジタル制御双方向出力、強化絶縁をサポートし、実用的なファームウェアが用意されており、AC/DC双方向電力変換をサポートし、最大充電電力は6.6kWで、AC入力電圧は200Vac ～ 265Vac 50Hz、DC出力電圧は60Vdc ～ 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です。
高効率LLCパワーモジュールデモボード
EPCが発表したEPC9149デモ ボードは、1 kW、48 V入力から12 V出力へのLLCコンバーターで、4:1の固定変換比を持つDCトランスとして使用できます。100 V定格のEPC2218と40 V定格のEPC2024 GaN FET、uP1966AおよびLMG1020ゲート ドライバ、およびMicrochip dsPIC33CK32MP102 16ビット デジタル コントローラを搭載しています。EPC9149デモボードは、400 Wでピーク効率97.5%、12 Vで全負荷効率96.7%、出力83.3 A、サイズ22.9 × 58.4 mm（0.90 × 2.30インチ）、薄型設計、ヒートシンクなしでのコンバーターの合計厚さ10 mm、ヒートシンクキットを取り付けた場合の最大温度上昇70 ℃ @ 12 V、出力83.3 A、1 MHzの固定スイッチング周波数、フル抵抗負荷サポートへのソフトスタートアップ、および1227 W/in3の高電力密度（ピンを除く）を備えています。
このコンバーターは評価目的のみであり、完全に機能するコンバーターではないため、最終製品では使用できません。EPC9149は、EPC2218およびEPC2024 eGaN FETをベースにした、一次側フルブリッジ構成とデュアル二次側センタータップ ハーフブリッジ構成を備えています。EPC9149ボードには、LLCボードのメイン入力電源電圧によって電力が供給されるロジックおよびゲート ドライバ用のハウスキーピング電源も含まれています。EPC9149ボードの入力電圧と出力電圧は抵抗分割器によって測定され、制御目的でマイクロコントローラにフィードバックされます。このモジュールは、日立金属の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。高周波動作時のコア損失は低くなります。必要な磁化インダクタンスを実現するために、ボードの上部と下部から2つの半分のコア部品が挿入され、中央に適切なスペーサーが追加されます。
正確で信頼性の高い動作を確保するには熱管理が非常に重要であり、EPC9149は通常の周囲温度でのベンチ評価に使用されます。ヒートスプレッダーまたはヒートシンクを追加し、強制空冷を行うと、電源デバイスの定格電流を大幅に増加させることができます。ただし、チップの絶対最大温度である150℃ を超えないように注意する必要があります。
EPC9149 LLC電源モジュールには、Microchip DSPIC33CK32MP102デジタル信号コントローラDSCが搭載されています。この100 MHzシングル コア デバイスには、スイッチング モード電源 (SMPS) アプリケーション専用の周辺モジュールが付属しています。これには、機能豊富な4チャネル (8倍出力)、250 ps分解能のパルス幅変調 (PWM) ロジック、3つの3.5 Mspsアナログ/デジタル コンバーター (ADC)、統合型デジタル/アナログ コンバーター (DAC) を備えた3つの15 ns伝播遅延アナログ コンパレーター、ランプ信号生成のサポート、3つのオペアンプ、および高性能リアルタイム制御アプリケーション用の密結合データ パスを備えたデジタル信号処理 (DSP) コアなどが含まれます。使用されるデバイスは、dsPIC33CKシングルコアおよびdsPIC33CHデュアルコアDSCファミリの最小派生製品です。この設計で使用されるデバイスは、28ピン4 x 4 mm UQFNパッケージに収められており、周囲温度は -40℃ ～ +125℃ に指定されています。
結論
電力変換システムはすべての電子設計の基礎であり、電流の種類を変更することで電圧が変化し、さまざまなアプリケーションのニーズを満たします。本稿で紹介した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方向です。市場の潜在性は非常に大きく、さらに深く理解する価値があります。