高電圧絶縁は、決して新しい技術ではありませんが、高電圧システムを包含する電動化推進の時代に、まったく新しいコンポーネント領域として再活性化されつつあります。自動車業界が車両の電動化へと移行する中、高電圧絶縁の必要性が車両のアーキテクチャといくつかの重要なコンポーネントに根本的な変化をもたらします。
CANbusと電流センシングは、高電圧システムへの移行によって影響を受ける主要な領域の1つです。このようなシステムでは、DCバス電圧と制御されていない過渡現象が2点間に流れるのを防ぐために、絶縁が必須です。たとえば、ハイブリッド電気自動車 (HEV) では、12 V側で動作するコンポーネントを、48 Vまたはそれ以上の電圧で動作する高電圧コンポーネントから保護することが重要です。
電気自動車 (EV) の普及に伴い高電圧システムが普及しつつあり、400 V、800 Vおよびそれ以上の電圧では、絶縁が設計上の考慮事項としてさらに重要になります。したがって、複数のドメインで動作する高度な絶縁ICに対する需要が、現代の電化設計において顕著になっているのは当然のことです。
半導体ベースの絶縁ソリューションは、従来のオプトカプラに比べて大きな利点があります。（出典：オンセミ）
そのため、自動車OEMおよびTier 1エンジニアは、分離技術を開発し、それがシステムにとって何を意味するかを理解しているところです。たとえば、自動車や産業環境における高電圧MOSFET、IGBT、ゲート ドライバー、シリコン カーバイド (SiC) デバイスの取り扱いに絶縁がどのように影響するかなどです。
この記事では、絶縁技術がこれらの高電圧コンポーネントに与える影響と、電圧サージによる幅広い温度変化にわたってこれらのデバイスを安全に保つ方法について説明します。特に、ワット数の上昇により電力密度がますます高まると、厳しい熱および電気ノイズ条件が発生します。
ソリッドステートリレー
高電圧設計のこの新しいパラダイムでは、半導体ベースの絶縁デバイスが従来のオプトカプラ ソリューションに比べて大きな利点を提供します。その結果、半導体ベースの絶縁製品は、サージ性能、信頼性、統合の容易さの点で従来のオプトカプラに取って代わりつつあります。
たとえば、ソリッドステートリレー (SSR) は、単一の絶縁バリアを介してマイクロ秒単位で負荷を切断および接続し、高電圧自動車システムのより安全な動作を確保できます。一方、電気機械式リレーは同じタスクを数ミリ秒で実行します。
機械部品を必要としないソリッドステート リレーは、通常、外部制御信号がリレーに渡されたときに動作する単純なオン/オフ スイッチとして設計されています。(出典: センサタ・テクノロジーズ)
ソリッドステート リレー (SSR) は、電気機械式リレー ソリューションとは異なり、絶縁電源、デジタル アイソレータ、ゲート ドライバの機能を1つのデバイスに統合します。したがって、電力と信号転送を1つのチップに統合したSSRでは、少なくとも3つのコンポーネントが不要になり、設計サイズとBOMコストが大幅に削減されます。
スイッチング時の音響ノイズが低く、長寿命を特徴とするTE Connectivityのソリッドステート リレー、SSR-240A50およびSSR-240D125を例に挙げてみましょう。次に、Sensata Technologiesは、自動車および産業設計における絶縁の課題を克服するためのさまざまなSSRデバイスを提供しています。
分離されたドライバやスイッチなどのその他のSSR表現も、単一のバリアを介した電力と信号の分離を容易にします。これにより、絶縁スイッチ ドライバはバッテリ パック モニタと連携して、400 Vおよび800 Vバッテリ管理システム (BMS) の絶縁障害を、ソリッド ステート フォトリレーよりも高速かつ高精度に検出できるようになります。
従来のソリッドステートフォトリレーソリューションと比較して、絶縁スイッチドライバは、信号電界効果トランジスタと抵抗器を統合することで設計サイズを大幅に縮小できます。さらに、これらの高電圧絶縁デバイスにより、リードリレーが不要になります。
SSRや絶縁ドライバ、スイッチは高電圧絶縁の強化に重要な役割を果たしますが、他のコンポーネントも同様に重要な役割を果たしています。次のセクションでは、そのようなコンポーネントとその基盤となるテクノロジーのいくつかについて概説し、分離する必要があるさまざまなシステムでどのように機能するかを示します。
その他の高電圧絶縁部品
このラインナップに関連するSSTおよび絶縁ドライバとスイッチの他に、自動車や産業の設計がより高い電圧と電流に移行するにつれて複雑な絶縁の課題を解決するのに役立つ他のコンポーネントもあります。
まずデジタル アイソレータから始めましょう。これにより、エンジニアはHEVおよびEVシステム内の高電圧イベントから低電圧回路をより適切に保護できるようになり、温度を125°C未満に下げるための冷却システムを組み込む必要がなくなります。たとえば、内燃エンジン (ICE) とバッテリー システムが共存し、IC周囲の空気が125°Cを超えて加熱される可能性がある48 V HEVシステムでは、BOMや設計の複雑さを増やすことなく、デジタル アイソレータを高温領域に配置できます。
CMOSとモノリシック空芯トランスフォーマーを1つのデバイスに組み合わせたデジタル アイソレータは、複数の信号パス チャネルをサポートします。(出典: Analog Devices Inc.)
自動車設計でCAN通信を扱う場合、エンジニアはデジタル アイソレータを使用して車内の信号保護と到達範囲を拡張できます。これらの絶縁デバイスにより、エンジニアは、スターター ジェネレータ、冷却ファン、トラクション インバータなどのHEVおよびEVサブシステム内の絶縁バリアを介した信号伝送を必要とするパワートレインおよびHVACシステムの信頼性を確保することもできます。
Skyworks Solutionsの自動車グレードのデジタル アイソレータSI8660BD-ASは、2.5 kV、3.75 kV、5 kVの絶縁定格と、電源喪失時にデフォルトの出力状態を制御する選択可能なフェイルセーフ動作モードを備えています。
さらに、Analog Devices Inc. (ADI) のADUM1310ARWデジタル アイソレータは、オプトカプラによく関連する非線形伝達関数などの設計上の問題を処理します。また、外部ドライバやその他の個別コンポーネントが不要になり、消費電力も大幅に削減されます。
次に、オンセミコンダクターの4チャネル デジタル アイソレータNCID9411R2は、ガルバニック オフチップ コンデンサ アイソレーション技術を採用し、高い絶縁性とノイズ耐性を実現します。これにより、従来オプトカプラによって提供されてきたものと同様の、0.5 mmを超える絶縁体バリアの安全性と信頼性を提供できます。
高電圧絶縁については、絶縁コンパレータも注目に値します。これは、標準コンパレータの機能とガルバニック絶縁バリアを組み合わせ、400 ns未満で超高速の絶縁双方向過電流および過電圧検出を可能にします。電流検知および絶縁監視デバイスは、充電ステーション、高電圧配電ユニット、および全エネルギー貯蔵ソリューションの設計においても重要なコンポーネントです。
絶縁技術のルネッサンス
EVおよびHEVシステム以外にも、高電圧絶縁は、大型車両、特殊輸送、産業用アプリケーションなど、他の多くの業界でも電化の重要な要素となっています。これらの設計における電化が高ワット数のパワーエレクトロニクスへと進むにつれて、低電圧側と高電力システムの電気的分離が重要になります。
ここで、半導体ベースの絶縁デバイスは、EVバッテリー管理および充電システム、太陽光および風力タービンインバータ、産業用モーターなどの高電圧設計と電力コントローラを接続する上で不可欠です。つまり、高電圧絶縁は高密度パワーエレクトロニクスと密接に関連しています。
