電子推進システムを実装する場合、設計の要件および目標がさまざまに異なる自動車を設計するときの 1 つのアプローチは、スケール化に対応できるモジュール型モーター システムを製作することです。

このようなモーターシステムは、高い電力密度、超小型、高性能を実現する必要があります。EMPEL Systems では、 可能な限りトラクション インバータをモーターと統合し、すべての部品をできるだけ小型化することを目指しています。幅広い範囲のモーター直径、インバータの相電流要件および相数など、図 1に示すようなモジュール型モーター システムを設計することにより、自動車メーカーはフレキシビリティを確保し、コストを節約すると同時に、開発期間を短縮できます。

半導体による制御と精度の実現

次世代のモーターも、高速に動作する必要があります。大型でトルクの大きい機械を使用して、より大きな動力を供給することも可能ですが、この種の機械を実装するには、銅、電気鋼、アルミニウム、 パワー エレクトロニクス デバイスが必要になります。これらの部品は、環境に大きな影響を及ぼします。モーターが大きいほど、車両は重くなり、より多くのスペースが必要になります。

高速で高性能の電気機械は、従来型のモーターに比べて、より高い RPM (通常はより高い電気周波数) で動作して、モーターの固定子コイルに対してエネルギーを高速に「ポンピング」する方法により性能を実現し、高出力と小型化を達成しています。ただし、MCU、電源、ゲートドライバなど、モーターを駆動する半導体には厳しい要件が課されます。

次世代システムの MCU は、40kHz のスイッチング、25,000rpm を上回る回転数を制御し、複数の三相モータ―に対応する必要があります。また、その処理能力のかなりの部分を使って、システムの健全性診断監視、性能向上アルゴリズム、センサの最適化を実行する必要があります。TI の AM263P4 Arm® Cortex®-R MCU は、20kHz で動作するインバータ制御ループを 4µs 未満で完了できます。内蔵のレゾルバ / デジタル コンバータにより、0.05 度以内の高い角度精度を実現し、トラクション インバータの逆起電力を低減してシステム効率を向上させます。また、三角関数演算アクセラレータは計算性能を 5 倍にまで向上させます。

バイアス電源は、モーター内の SiC パワーモジュールの導通電力損失を最小化することで、高効率の実現に役立ちます。TI の UCC14141-Q1 絶縁型 DC/DC パワー モジュール は、コントローラ、電力段、トランス、整流器、フィードバック監視ロジックを統合しており、EMPEL ソリューションが示す小型のモジュール型アプローチを実現できます。UCC14141-Q1 モジュールは、 SiC 電界効果トランジスタ (FET) の正と負の両方のゲート駆動電圧を調整できると同時に、1% の電圧精度で SiC FET の導通電力損失を低く維持し、バッテリ動作時間および航続距離を延長できます。UCC14141-Q1 は小型、軽量であり、また重心が低いので、従来のディスクリート トランスを使用するソリューションに比べて、車両の寿命全体にわたって機械的ストレスを低減し、振動耐性を向上させることができます。

ゲート ドライバは、インテリジェンス、パルス幅変調サイクルごとのゲート ドライブ強度の制御、シリアル ペリフェラル インターフェイスによる構成可能性、SiC 技術を活用するための高速スイッチング、高速過電流保護、 一連のフォルト管理機能を組み合わせて、自動車安全度レベル (ASIL) D までのシステム レベルの安全性を確保する必要があります。UCC5880-Q1 機能安全準拠絶縁型ゲート ドライバ は、これらの設計上の課題に的確に対応しており、システム検証用の迅速なプロトタイプ製作を可能にする設計サポート ツールが付属しています。図 3 に、パワー モジュールに搭載された UCC14141-Q1 バイアス モジュールと UCC5880-Q1 ゲート ドライバを示します。

まとめ

自動車メーカーは、基本的に車内により多くのスペースを備えた、魅力的で競争力のある製品をドライバーに提供するという第一の目標を常に重視しています。現在販売されている最新の電気自動車を見てみると、一般的には、すべての電子回路が内蔵された大型のアルミニウム製の箱があります。これは、通常、車内に搭載される大量の荷物と同程度のサイズです。基本的に、自動車は、人々が世界中を物理的に移動する個人的空間を確保できるようにするものです。したがって、ドライバーと乗員に対して、払った金額に見合う多くのスペースを提供すると同時に、先に述べた他のすべての性能と改善の目標を満たすことが重要です。

非常にコンパクトで信頼性の高いパワー エレクトロニクスや機能強化などの技術的ブレークスルーは、設計者が電子推進システムを簡素化し、自動車のスペースとコストを節減する際に不可欠なものです。自動車業界には明るい未来が待っています。次世代のインテリジェントなトラクション推進システムには、さらなるブレークスルーが期待されています。

参考情報

• EMPEL Systems の詳細
• TI のコンポーネントが高性能トラクション インバータの製作にどのように役立つかをご覧ください。