25kW DC急速電気自動車充電器の設計のヒントとソリューション

直流急速充電が電気自動車の充電効率を向上させる

直流電流（DC）急速充電技術は、現代の電気自動車（EV）充電において重要な方法であり、充電時間を大幅に短縮し、ユーザーの利便性と効率を向上させます。

DC急速充電に関わる主要技術は、まず充電規格から始まります。現在、CHAdeMO、Combined Charging System（CCS）、Tesla Supercharger など、さまざまな充電規格があります。EVのブランドやモデルによって対応する充電規格が異なる場合があるため、充電設備を選択する際には、充電機器と車両の互換性を確認することが重要です。 

さらに、DC急速充電は通常、AC充電と比べてより高い充電出力を提供し、バッテリーへのエネルギーを迅速に転送することが可能です。充電出力レベルは、充電速度と効率に大きな影響を与えます。そのため、EVの要件と充電設備の仕様に基づいて適切な充電出力を選択することが重要です。

DC急速充電には専用の充電設備が必要であり、通常は充電ステーションや特定の場所に設置されています。充電中は、過熱や過充電、その他の安全リスクを避けるなど、充電安全に関する問題に注意を払うことが重要です。一般的に、充電設備とEVの両方に安全機構が備わっていますが、ユーザーは充電プロセス中に異常がないか注意深く監視し、必要に応じて迅速に対処したり充電を停止したりする必要があります。遅い充電と比較すると、DC急速充電はバッテリーにより大きな影響を与えます。そのため、DC急速充電の頻度を適度に制御し、過剰な使用を避けることでバッテリーの寿命や性能への影響を防ぐことが推奨されます。

DC急速充電技術は電気自動車の充電速度と利便性を効果的に向上させますが、使用時には、安全で信頼できる充電プロセスを確保するために、充電規格、充電出力、充電設備、そして充電の安全性に関する問題を考慮することが重要です。

SiCモジュールはDC急速充電技術の重要な構成要素です

シリコンカーバイド (SiC) モジュールは、DC急速充電技術における重要なコンポーネントであり、SiC MOSFETとSiCダイオードで構成されています。昇圧モジュールは、SiC MOSFETと1200Vの定格ダイオードを利用して、ソーラーインバーターのDC-DCステージで使用されます。

SiCモジュールは、スイッチとしてシリコンカーバイド半導体を使用し、効率的に電力を変換することでシステム効率を向上させることを目的とした電力モジュールです。SiCモジュールの主な機能は電力変換です。シリコンカーバイドは、シリコンに比べて電流の抵抗が低いため効率が向上し、SiCデバイスはより高いスイッチング周波数で動作することを可能にします。SiCベースのシステムは、シリコンソリューションと比較してよりコンパクトで軽量になり、小型化を実現します。そのため、SiCデバイスは効率を改善し、熱管理を向上させる理想的なソリューションです。

DC急速充電が直面する課題に対応するため、onsemiは常にSiC技術とパッケージングソリューションの革新を続け、電気自動車の充電器設計プロセスの簡素化を目指しています。広範なディスクリート電力およびアナログソリューション、保護デバイス、センサー、接続製品のポートフォリオを活用することで、onsemiは高品質なコンポーネントと顧客のニーズに合わせたカスタマイズシステムを提供しています。20年以上にわたるシステム専門知識の蓄積を持つonsemiは、これらすべての技術を統合して、電気自動車充電向けの包括的なソリューションを提供しています。

高速電気自動車充電器における設計の課題

コンパクトで効率的、そして信頼性の高い高速電気自動車（EV）充電器を設計することは容易な作業ではありません。実際の電力変換回路に加え、ハードウェア保護技術が重要であり、設計者は様々な「もしも」のシナリオを分析する必要があります。解決策には、パッシブRCネットワークによって形成されるスナバやブロッキングコンポーネントが含まれます。 

過剰な電圧や電流は常に懸念事項であり、電力半導体が損傷を受けないよう保護が必要です。1つの手法として、閾値とヒステリシスが設定された電圧コンパレータを追加する方法があります。過電圧が検出されると、このコンパレータはゲートドライバをブロックします。

過電流はより困難である可能性がありますが、onsemiのNDC57000ゲートドライバは過電流デサチュレーション保護（DESAT）機能を備えており、部品表（BOM）や製品コストへの影響を最小限に抑えつつ対応しています。このようなハードウェア保護は、特に予測不能なスイッチングが発生しやすい立ち上げ段階におけるテストやデバッグ中に特に重要です。

NDC57000は、Power Factor Correction (PFC)ステージでSiC Power Integrated Modules (PIMs)を保護するために使用することができます。DESATトリップ電流閾値を評価するためのテスト手法を説明し、必要な機能テストを実施します。DCリンクコンデンサは必要なピークトリップ電流を供給し、ゲートにパルスを注入してモジュールをオンにし、DESAT保護をトリップさせる役割を果たします。テストの結果、理論値と実測値を比較し、それに基づいて設計の調整を行うことが可能になります。 

メインのデュアルアクティブブリッジ (DAB) DC-DCコンバータに関して、NDC57000も使用可能であり、電圧降下を利用して電流レベルを監視します。ただし、この方法はデバイス特性に敏感であり、一部の情報がデータシートに含まれるものの、プロトタイプの検証が依然として必要です。

別のアプローチとして、プロトタイプを作る前にシミュレーションを行い、より正確にパラメータを設定する方法があります。これにより、非破壊的なシミュレーションや一次及び二次短絡効果の理解が可能になります。DESAT保護の離散的な強化は、出力電圧が200〜1000Vの範囲に及ぶDC-DC段の設計者に対し、広い動作電圧範囲のソリューションを提供します。

SiC技術の大きな利点の1つは、高周波で動作できることです。しかし、それにより高速なdv/dtスルーレートが生じ、25 kWの急速充電器の物理的レイアウトに影響を与える可能性があります。このため、寄生インダクタンスを最小化するためには、電源トレースのレイアウトの最適化が必要です。さらに、オーバーシュートやリンギングを最小化するために、複数のポイントでスナバ回路が必要となり、これらは損傷やEMI問題を引き起こす可能性があります。

システムレベルの制御は、もう1つの重要な領域です。25 kWの急速充電器では、複数の閉ループ制御がPFCおよびDAB内に装備されており、トランス内のアクティブフラックスバランスや出力電圧および電流を制御するための一次側から二次側への位相シフトなどのパラメータを管理します。この場合の課題の1つは、システム全体の安定性を確保するために各ループのゲインを選択することです。

テストに必要な高出力の機器のため、設計者は通常、ベンチ上で2つのPFCステージと1つのDABを使用したループバック構成を構築し、制御された条件下で安全にテストを行えるようにします。ループバックテストは、量産のバーンイン（通電試験）段階でも適用可能であり、テスト済みのデバイスからエネルギーを回収することで製造コストを節約し、世界的な低炭素排出の目標を達成するために貢献します。

高効率で信頼性の高いIGBTドライバー

onsemiのNCD57000は、内部ガルバニック絶縁を備えた高電流単一チャネルIGBTドライバーであり、高電力アプリケーションにおける高いシステム効率と信頼性を特に重視して設計されています。その特徴には、補完入力、オープンドレイン型FAULTおよびReady出力、アクティブミラークランプ、負のゲート電圧、正確なUVLO、DESAT保護、DESATソフトターンオフ、IGBTのミラープレート電圧での高電流出力対応（+4/-6 A）、短い伝播遅延と正確なマッチング、高い過渡および電磁免疫、独立した高出力（OUTH）および低出力（OUTL）ドライバー出力を備えた5 kVガルバニック絶縁機能によるシステム設計の容易さがあります。 

NCD57000は、入力側で5Vおよび3.3V信号を受け入れ、ドライバー側では負電圧対応を含む広いバイアス電圧範囲に対応します。このデバイスは、>5 kVrms（UL1577規格）ガルバニック絶縁および>1200 Viorm（動作電圧）機能を提供します。NCD57000は、入力と出力間で8 mmの離隔距離を持つワイドボディSOIC-16パッケージで提供され、強化安全絶縁要件を満たしています。

顧客の製品開発を加速するために、onsemiはNCD57000用のリファレンスデザインキットも提供しています。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVKは、SiC電力統合モジュールを基盤とした25kW高速DC電気自動車充電器のリファレンスデザインキットです。この完全なSiCソリューションは、1200V、10mΩの低RDS(ON)と最小化された寄生インダクタンスを特徴とする複数のハーフブリッジSiCモジュールNXH010P120MNF1を使用したPFCおよびDC-DC段で構成されており、導通損失とスイッチング損失を大幅に削減します。Zynq®-7000 SoC FPGAおよびARM®ベースのプロセッサを搭載した強力なユニバーサルコントローラーボード（UCB）を活用することで、このシステムは200Vから1000Vの出力電圧範囲で最大25kWの電力を供給し、400Vまたは800V電気自動車バッテリーを充電する際に常時96%の効率を達成します。 

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK には、高電流駆動用の NCD57000 ガルバニック絶縁ドライバーと、SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB 補助電源ソリューションも搭載されており、低電圧コンポーネントに対する安定した電圧レール、突入電流制御、過電圧保護の統合、ならびに複数の通信インターフェースを提供します。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVKは、EN55011クラスAおよびIEC 61851規格に準拠した、400V/800Vバッテリーの双方向電力変換のための三相PFCおよびDABをサポートします。1200V、10ミリオームのSiC M1 MOSFETを統合したハーフブリッジ構成のSiCモジュールNXH010P120MNF1に加え、NCD57000のような絶縁型高電流・高効率のゲートドライバーを組み込んでいます。

結論

DC急速充電技術は、EV充電分野における重要な進歩を示しており、電気自動車をより便利かつ効率的に充電できる方法を提供します。技術の継続的な進歩と応用により、DC急速充電は現代の電気自動車を充電する主要な方法の1つとなっています。本記事では、25kW DC急速充電器の設計技術と、オンセミが導入した関連ソリューションについて説明し、DC急速充電製品の開発を加速し、市場で競争力を獲得することを目的としています。