3 トラクション・インバータを実現するための重要なテクノロジー

トラクション・インバータには、絶縁テクノロジー、低電圧ドメインに実装されたテクノロジー、および高電圧ドメインに実装されたテクノロジーが必要です。絶縁型ゲート・ドライバ、デジタル・アイソレータ、絶縁型 A/D コンバータ、ソリッド・ステート・リレーに採用されているテキサス・インスツルメンツの容量性絶縁テクノロジーは、誘電体に二酸化ケイ素を使用する容量性回路に強化信号絶縁機能を内蔵しています。図 3-1 に、トラクション・インバータ・システムの例を示します。絶縁バリア (赤い点線) は、低電圧ドメインと高電圧ドメインを分離します。

低電圧ドメインでは、マイクロコントローラ (MCU) がパワー・スイッチにパルス幅変調 (PWM) 信号を生成します。MCU は、センシングおよび速度制御を閉ループで実行し、ホスト機能を処理して必須のハードウェアおよびソフトウェアのセキュリティおよび安全なコード実行の要件を満たします。さらに安全な電源ツリーを実装することで、MCU と重要な電源レールの電力損失を防止できます。12V の車載バッテリに接続されたパワー・マネージメント IC(PMIC) またはシステム・ベースのチップによって、MCU に電力が供給されます。MCU は、リゾルバまたはホール素子のアナログ・フロント・エンドと接続します。

高電圧ドメインの主な機能は次のとおりです。

• パワー・スイッチ – 通常は SiC (シリコン・カーバイド) または IGBT(絶縁型ゲート・バイポーラ・トランジスタ) ベースのパワー・モジュールで、保護機能と監視機能を備えた絶縁型ゲート・ドライバによって制御されます
• 絶縁ゲート・ドライバ - 絶縁デバイスは、高電圧ユニットと低電圧ユニットの間でデータと電力の伝送を実現すると同時に、有害な DC 電流や制御されていない過渡電流が高電圧ドメインから流れ込む事態を防止します
• バイアス電源 – 低電圧側から入力を受け取り、ゲート駆動電圧を電源スイッチに生成する、ガルバニック絶縁された電源です
• 絶縁型電圧 / 電流センシング – DC リンク電圧とモータ位相電流を検出し、モータに適切なトルクが印加されていることを確認します
• アクティブ放電 – DC バス・コンデンサの電圧を安全な電圧に放電します。逆起電力 (EMF) を生成できる種類のモータには、アクティブ放電が必要です。国際連合欧州経済委員会の 94 規則では、DC バス・コンデンサの電圧が 5 秒未満で安全な電圧 (60V) に降下することが求められています さらに、重要な機能に対して自己テストを実行し、システム障害を防止するための診断回路も搭載されています。

インバータ制御と安全性の方法も、車両の種類によって異なります。たとえば、永久磁石同期型モータ (PMSM) は高効率、低トルク・リップル、広い速度範囲を備えているため、活用できます。PMSM は多くの場合、ペース・ベクトル PWM 制御を使用します。この制御は、フィールド指向制御とも呼ばれます。回転子の磁気に対して垂直な固定子ベクトルを生成する方法で固定子の電流を制御すると、トルクが生成されます。固定子の電流を更新すると、固定子の流束は常に回転子の磁石に対して 90 度に維持されます。PHEV および BEV で一般的に使用されている他のモータ・タイプには、誘導モータ、外部励起同期モータ、スイッチト・リラクタンス・モータなどがあります。

高価なレアアース材料である永久磁石を低減するために、外部励起同期モータ (EESM) は2次側の車軸だけでなく、車両の1次側の車軸ムーバーとして使用されることが増えています。このモータを使用する目的は、コストを削減することです。たとえば、100kW のピーク電力に必要なのは約 1.5kg の磁石であり、製造とメンテナンスの労力を削減します。EESM マシン・タイプには、導電性 EESM と誘導性 EESM(iEESM) があります。EESM を使用した商用車両には、Toyota Prius、Chevrolet Bolt EV、Ford Focus Electric、VW e-Golf、BMW iX3 等があります。