包括的な高出力DC急速充電ソリューション

直流電流（DC）急速充電は、より高い電力レベルでバッテリーを充電できるようにし、高速充電、損失の低減、高効率といった利点を提供します。大容量バッテリーに対応可能であり、電気自動車（EV）の使い勝手と利便性を向上させます。電気自動車の普及と発展に伴い、DC急速充電は現在のEV充電用途において主流の技術となっており、明るい市場展望を約束しています。本記事では、DC充電のアプリケーション開発の動向と、InfineonやSTなどのパートナーと協力してArrow Electronicsが導入した関連ソリューションについて紹介します。

DC急速充電のグローバルな展望は有望です

市場分析によると、2034年までに公共充電ステーション市場においてDC急速充電器が33％のシェアを占めると予測されています。例えばアメリカでは、二党間インフラ法（Bipartisan Infrastructure Law）により、5年間で50億ドル規模の全国電気自動車インフラ（NEVI）プログラムが含まれています。
 
ヨーロッパ、中東、アフリカ（EMEA）地域では、2030年までに350万台の充電ポイントを設置することを目標としており、代替燃料インフラを含む電気急速充電施設のために150億ユーロの投資が承認されています。このインフラは欧州横断ネットワークにわたり整備されます。
 
アジア太平洋地域では、マッキンゼーの推計によれば、2030年までにASEAN市場は公共AC充電ポイントが95,000台、DC充電ポイントが40,000台を必要とすることが予測されており、現在の数値と比べて30倍の増加となります。この市場の90％以上は中国が占めるとされています。
 
DC充電の用途は、50 kWから350 kWの典型的な電力範囲をカバーします。世界的には、DC充電器の数は2023年には868,000台に達し、2022年の330,000台から60％以上増加しました。2030年のロードマップによれば、アメリカは500,000台の急速充電器を持つと予測されており、EUでは350万台の充電ポイントが設置される予定です。これにより、市場の成長可能性が大いに示されています。

30kW電気自動車充電器のワンストップソリューション

Arrow社の子会社であるeInfochipsは、DC急速充電市場の発展に楽観的であり、30kWの電気自動車向け充電器のワンストップソリューションを発表しました。eInfochipsのDC急速充電器デザインは、インテリジェントで接続性があり、未来に準備されたDC充電器です。   eInfochipsのDC充電器は、10インチの大型HMIディスプレイ（1000ニットの明るさ）を搭載しており、LEDやスピーカーを通じて通知を行うことができます。LEDは電力状態、故障、充電状態を表示でき、3Wのスピーカー出力を通じてユーザー通知を提供します。また、EVWER（eInfochips独自の知的財産）を使用してリモート管理が可能です。この充電器は、CCS1/CCS2充電規格をサポートし、超小型のエネルギーメータリングを組み込み、スマート充電/V2Gアプリケーション向けにOCPP 1.6J/ISO15118規格に適合しています。また、過電圧、過電流、サージなどのシステム保護メカニズムを内蔵しており、定格出力は30kW/60Aです。   eInfochipsのDC充電器はモジュール式設計で、パワーモジュールとSECCユニットで構成されています。入力保護として過電圧/低電圧、過温、過電流、接地故障、RCD/CCIDデバイス、短絡、サージ、緊急停止をサポートしています。出力保護には、過温、過電流、DC高電圧（入力/出力）、ガルバニック絶縁、電気衝撃（DC絶縁モニター）が含まれます。また、ギガビットイーサネットとWi-Fiネットワークインターフェイスを備え、OCPP 1.6Jネットワーク通信、ISO15118、IEC 61851-23、-24車両通信、CCS1/CCS2充電インターフェイス、エネルギーメータリング機能をサポートしています。   この包括的な電気自動車充電ソリューションには、クラウド非依存型ソリューション（Azure、AWS、GCP）のソフトウェア/デジタルプラットフォーム開発、高度な充電機能の実装、通知、プッシュアラート、レポートおよびダッシュボード、データの集約と分析機能が含まれます。また、事前の適合性と認証テスト（CE、FCC、UL、RoHS、REACH）を経て、機能テスト、環境開発試験（EDVT）、熱試験、機械的試験（IP67、衝撃、加圧洗浄、UV放射試験含む）をサポートし、品質保証とテスト自動化を提供します。   さらに、電気自動車充電ソリューションにはマルチテナントウェブベースプラットフォームに基づくモバイル/WebApp開発が含まれており、クロスプラットフォームのAndroid/iOSモバイルアプリの開発を可能にします。フルスタックデザイン、UI/UX、アプリ分析、多言語対応も含まれています。ファームウェア開発に関して、Linux、RTOS、Androidなどのオペレーティングシステム向けのBSP開発/カスタマイズ/テストをサポートし、ファームウェアアプリケーション、OTAアップデート、サイバーセキュリティ、デバイスドライバー、HAL、ミドルウェア、ライブラリを可能にします。   このソリューションはさらに、製造から製品化までのワンストップ「MaaS（Manufacturing as a Service）」ソリューションを提供し、製造/組み立て設計、部品/サプライチェーンナビゲーション、15以上の契約メーカーへのアクセスを支援します。そのハードウェア設計は、電気自動車充電器用にOCPP準拠しており、組み込み、産業用、機械設計、部品/BoM、アーキテクチャ、PCB回路図、レイアウト、信号整合性、基板立ち上げ、プロトタイプ設計、DFA/DFMなどをサポートします。また、製品ライフサイクル管理、レガシー資産の近代化、L1/L2/L3サポート、24時間365日対応のNOC、SLA管理、DevOps/CloudOpsなどの管理サービスも提供しています。

1200V以上の高電圧バッテリーDC充電ソリューションをサポート

電気自動車のバッテリー電圧が400Vから800Vに上昇するに伴い、電力デバイスの定格電圧も1200V以上に増加しており、それによって銅線の質量を削減し、電力密度を向上させることが可能になります。この需要に対応するため、インフィニオンはEVAL-FFXMR20KM1HDR CoolSiC™ MOSFET 2kV 62 mm SiC MOSハーフブリッジモジュール評価ボードを導入しました。このボードはインフィニオンの最新のCoolSiC™ MOSFET技術を使用して、ハーフブリッジ構成で62 mmモジュールを駆動するために設計されたゲートドライバボードです。このボードには、コンパクトなゲートドライバ1ED3890MC12Mとブーストステージデバイスが組み込まれ、信頼性と迅速な制御性を兼ね備えたドライバ出力のパワーを強化しています。   このハーフブリッジモジュール評価ボードは分離されたソースとシンクゲート接続によりゲート駆動を最適化したCoolSiC™ Trench MOSFET技術を持つ62 mm、2kVモジュールを備えています。1ED3890MC12Mまたは1ED3890MU12M（X3 デジタル）ドライバICを使用し、I2Cバスを通じてパラメータ調整を行い、ハードウェアの過電圧ロックアウト（UVLO）保護をサポートします。適切なPCB設計により、運用時のPCB加熱を制限することが可能であり、調整可能な傾斜、プラトー時間、プラトーレベルを備えた二段階オフ（TLTO）や、-5Vから0Vまでの負電圧調整を防止する機能があります。このデバイスのテストはプラグアンドプレイ方式で、すぐに使用可能なボードソリューションを提供します。高い正電圧調整による高いスイッチング周波数に対応し、PCB加熱を制限する設計を持ち、電気自動車の充電、光電技術、無停電電源装置（UPS）などの用途に適しています。   この評価ボードで使用されているEiceDRIVER™ 1ED38x0MC12M Enhancedは、5.7 kV（rms）の絶縁単チャンネルゲートドライバICであり、I2C設定機能を備えています。DESAT、ソフトオフ、UVLO、ミラークランプ、およびオプションの二段階オフ機能に適しています。このゲートドライバは、650 V、1200 V、1700 V、2300 V IGBT、SiC、Si MOSFETをサポートします。   このゲートドライバは、最大絶対出力供給電圧40 Vをサポートし、±3 A、±6 A、±9 Aの典型的なピーク出力電流を供給および吸収する能力を備え、ハードスイッチングやオプションの二段階オフ、アクティブミラークランプに適しています。I2Cバスにより、パラメータ設定やステータスレジスタの読み出しを行うことが可能で、故障出力を備えた温度補償付きの精密で調整可能なVCEsat検出（DESAT）をサポートします。また、デカップリング検出後のIGBTのソフトターンオフ、125℃までの高周囲温度下での動作、160℃（±10℃）での過温度シャットダウンにも対応しています。   このゲートドライバは、IC間の伝播遅延一致（tPDD, max = 30 ns）を厳密に管理し、入力側および出力側での過電圧ロックアウト保護、アクティブシャットダウン機能をサポートします。統合ADCコンパレータにより、設定可能なフィードバックまたは故障時の動作を生成可能であり、200 kV/μsの高い共通モード過渡耐性（CMTI）を備えています。また、大きなクリープ距離（8 mm以上）を持つ小型DSO-16ファインピッチパッケージに収容されており、UL 1577およびVDE 0884-11の安全認証に基づく産業用途要件を満たしています。

30kW電気自動車充電器用電力モジュールのワンストップソリューション

STは、30kWの電気自動車チャージャーソリューションを提供しており、デジタル制御を備えた30kW Vienna PFC整流器リファレンスデザイン（STDES-30KWVRECT）を含んでいます。このリファレンスデザインは、高出力の三相アクティブフロントエンド（AFE）整流器アプリケーション向けに設計され、三段階Viennaトポロジーに基づいて、包括的なデジタルパワーソリューションを提供します。   SCTWA90N65G2V-4とSTPSC40H12Cを利用することで、このプラットフォームは98.5%以上のピーク効率を達成します。STM32G474REミックスドシグナル高性能マイクロコントローラーを採用して完全なデジタル制御を実現しており、力率、DC電圧、ソフトスタート手順の包括的な制御を可能にします。STDES-30KWVRECTは低総高調波歪み（THD）5%未満（フルロード時）と高力率（フルロード時0.99以上）を達成し、高帯域幅の連続導通モード（CCM）の電流調整を提供します。   このリファレンスデザインは、三相三階級AC-DC電力変換器を構成しており、定格DC電圧800V、定格AC電圧400V、最大出力30kW、力率0.99以上、突入電流制御、ソフトスタート、通常運転中のTHD5%未満をサポートしています。   SiC MOSFETとSiCダイオードを基盤とした電力セクションでは、70kHzの高周波操作をサポートしており、98.5%以上の効率を実現します。並列接続されたSiC MOSFETにより大電力が可能となり、電流の均等共有を実現し、受動部品の重量とサイズを削減します。   STM32G474REマイクロコントローラーを基盤とする制御セクションには、SWD–UART、I²C、DACなどの制御および監視インターフェース、さらに64ピンのデジタルパワーコネクターが含まれます。LEDステータスインジケーターがユーザーインターフェースとして機能し、4個の統合された高性能オペアンプが追加機能を提供します。   さらに、STは電気自動車チャージャーに適したSTM32G4を活用した30kW SiC MOSFET DC-DCコンバーターを導入しました。このデジタル制御されたDC充電モジュールは、30kWの三相LLCリファレンスデザイン（STDES-30KWLLC）であり、定格出力電力30kW、100～300kHzのスイッチング周波数で動作し、DC入力電圧650VDC～850VDC、DC出力電圧200VDC～1000VDCをサポートします。ピーク効率98%以上を達成し、高性能32ビットMCUであるSTM32G474を統合しています。PFMモードで動作し、低電圧保護（UVP）、過電圧保護（OVP）、過電流保護（OCP）などの入力保護機能および出力に対する過電圧保護（OVP）、過電流保護（OCP）を提供します。   このコンバーターは1200VのSiCデバイスと高いスイッチング周波数を基盤としており、より少ないSiC MOSFETで効率を向上させ、広範囲かつ高出力電圧の単一LLCコンバーターで大電力を達成することができます。   STが提供するもう一つの製品は、電気自動車充電ステーション向けの30kW三相Vienna整流器です。この製品は、345VAC～460VACの三相入力電圧を47Hz～63Hzの範囲で受け入れ、最大入力電流は55ARMSです。DC出力電圧は800VDC、定格出力電力は30kWであり、スイッチング周波数70kHzで動作し、ピーク効率98.7%以上を達成します。フルロード運転時には力率が0.99、THDが5%未満であり、高性能32ビットMCUであるSTM32G474を統合しています。この30kW三相Vienna整流器はSiCデバイスを基盤としており、高効率、非常に低いTHD（総高調波歪み）、低い設計の複雑さを実現します。   また、デジタル制御による温暖化アプリケーションに向けた60kW三相並列LLCも利用可能です。この製品はDC入力電圧650VDC～850VDC、DC出力電圧200VDC～1000VDCで動作し、定格出力電力60kW、ピーク効率98%以上を達成します。他の製品と同様に、STの高性能32ビットMCUであるSTM32G474を統合しており、SiCデバイスを基盤として、より少ないSiC MOSFETを使用することで高効率を実現し、広範囲かつ高出力電圧での高電力アプリケーションに対応する並列LLCを提供します。   STM32G4とSiCを基盤としたSTのソリューションは、PFCおよびDCDCの総合ソリューションを含む高性能電気自動車チャージャーに貢献し、高出力を達成します。また、STは、高度なコンポーネント（SiC MOSFET、SiCダイオード、STGAP、STM32）を顧客に提供します。この30kW三相ソリューションは、半負荷条件下で160kHzおよび700V出力でピーク効率98%を達成します。

結論

DC急速充電は電気自動車の用途においてますます重要になり、急速に進化しています。そして、現代の電気自動車技術において重要な役割を果たしています。DC急速充電システムは、AC充電に比べてバッテリーに高い充電出力を提供し、より速く充電することが可能です。この進歩は、電気自動車の普及と発展を支える重要な役割を果たし、全体的なユーザー体験と使いやすさを向上させます。本記事で紹介するソリューションは、顧客向けのDC急速充電製品を設計する過程を迅速化することができます。これらの技術に関するさらに詳しい情報については、Arrowに直接お問い合わせいただき、さらに詳しい技術的詳細を探り、これらのソリューションをプロジェクトにどのように統合できるかを話し合ってください。