JAJU732E June   2019  – April 2024 TMS320F28P550SJ , TMS320F28P559SJ-Q1

 

  1.   1
  2.   概要
  3.   参照情報
  4.   特長
  5.   アプリケーション
  6.   6
  7. 1システムの説明
    1. 1.1 主なシステム仕様
  8. 2システム概要
    1. 2.1 ブロック図
    2. 2.2 主な使用製品
      1. 2.2.1  UCC21710
      2. 2.2.2  UCC14141-Q1
      3. 2.2.3  AMC1311
      4. 2.2.4  AMC1302
      5. 2.2.5  OPA320
      6. 2.2.6  AMC1306M05
      7. 2.2.7  AMC1336
      8. 2.2.8  TMCS1133
      9. 2.2.9  TMS320F280039C
      10. 2.2.10 TLVM13620
      11. 2.2.11 ISOW1044
      12. 2.2.12 TPS2640
    3. 2.3 システム設計理論
      1. 2.3.1 電源システムとのデュアル アクティブ ブリッジの類似性
      2. 2.3.2 デュアル アクティブ ブリッジ – スイッチング シーケンス
      3. 2.3.3 デュアル アクティブ ブリッジ - ゼロ電圧スイッチング (ZVS)
      4. 2.3.4 デュアル アクティブ ブリッジ - 設計上の考慮事項
        1. 2.3.4.1 漏れインダクタ
        2. 2.3.4.2 ソフト スイッチングの範囲
        3. 2.3.4.3 インダクタンスの電流への影響
        4. 2.3.4.4 位相シフト
        5. 2.3.4.5 コンデンサの選択
          1. 2.3.4.5.1 DC ブロッキング コンデンサ
        6. 2.3.4.6 スイッチング周波数
        7. 2.3.4.7 トランスの選択
        8. 2.3.4.8 SiC MOSFET の選択
      5. 2.3.5 損失解析
        1. 2.3.5.1 SiC MOSFET とダイオードの損失
        2. 2.3.5.2 トランスの損失
        3. 2.3.5.3 インダクタの損失
        4. 2.3.5.4 ゲート ドライバの損失
        5. 2.3.5.5 効率
        6. 2.3.5.6 熱に関する注意事項
  9. 3回路の説明
    1. 3.1 電力段
    2. 3.2 DC 電圧センシング
      1. 3.2.1 1 次側 DC 電圧検出
      2. 3.2.2 2 次側 DC 電圧検出
        1. 3.2.2.1 2 次側バッテリ電圧センシング
    3. 3.3 電流検出
    4. 3.4 電力アーキテクチャ
      1. 3.4.1 補助電源
      2. 3.4.2 ゲート ドライバのバイアス電源
      3. 3.4.3 検出回路用の絶縁型電源
    5. 3.5 ゲート ドライバの回路
    6. 3.6 追加回路
    7. 3.7 シミュレーション
      1. 3.7.1 構成
      2. 3.7.2 シミュレーションを実行
  10. 4ハードウェア、ソフトウェア、テスト要件、テスト結果
    1. 4.1 必要なハードウェアとソフトウェア
      1. 4.1.1 ハードウェア
      2. 4.1.2 ソフトウェア
        1. 4.1.2.1 ソフトウェア入門
        2. 4.1.2.2 ピン構成
        3. 4.1.2.3 PWM の構成
        4. 4.1.2.4 高分解能の位相シフト構成
        5. 4.1.2.5 ADC 構成
        6. 4.1.2.6 ISR 構造
    2. 4.2 テスト設定
    3. 4.3 PowerSUITE GUI
    4. 4.4 ラボ
      1. 4.4.1 ラボ 1
      2. 4.4.2 ラボ 2
      3. 4.4.3 ラボ 3
      4. 4.4.4 ラボ 4
      5. 4.4.5 ラボ 5
      6. 4.4.6 ラボ 6
      7. 4.4.7 ラボ 7
    5. 4.5 テスト結果
      1. 4.5.1 閉ループのパフォーマンス
  11. 5デザイン ファイル
    1. 5.1 回路図
    2. 5.2 部品表 (BOM)
    3. 5.3 Altium プロジェクト
    4. 5.4 ガーバー ファイル
    5. 5.5 アセンブリの図面
  12. 6関連資料
    1. 6.1 商標
  13. 7用語
  14. 8著者について
  15. 9改訂履歴

1 システムの説明

コンバインド充電システム (Combined Charging System) と CHAdeMO® によって管理されている電気自動車の充電規格は、絶えず変化を続けており、充電ステーションで電気自動車を 1 回完全に充電するための所要時間が通常 30 分未満となるような、より高速なバッテリ充電が求められています。DC 充電ステーションは、通常、120～240kW の非常に高い電力レベルに対応できるレベル 3 チャージャです。このような DC 充電ステーションは、AC/DC および DC/DC 電力変換段を収容したスタンドアロン ユニットです。電力レベルを高めて、高速充電を実現するために、多数の電力変換モジュールが充電ステーション内で互いに接続されています。DC 高速充電ステーションは、オンボード AC/DC コンバータを経由せずに大電力の DC 電流を電気自動車のバッテリに供給します。つまり、電流はバッテリに直接接続されます。現在、道路を走行しているほとんどの自動車は、最大 50kW しか処理できません。より新しい自動車は、より高い電力レートで充電する機能を搭載しています。EV の航続距離が長くなり、バッテリが大型化するにつれて、最大 250kW 以上の高速充電ステーションによって長距離 EV バッテリをサポートする DC 充電ソリューションの開発が進んでいます。

充電ステーション内の DC/DC コンバータは、入力側では、3 相ウィーン整流器からの整流されたバス電圧 (700～800V) に接続し、出力側では、電気自動車のバッテリに接続して定格電力を供給できる必要があります。DC/DC コンバータは、多くの最終機器において重要なアプリケーションとなっています。充電ステーション、太陽光発電システム、エネルギー ストレージ システム、電気自動車のトラクション アプリケーションでの使用事例を 図 1-1 に示します。

TIDA-010054 DC/DC コンバータの役割図 1-1 DC/DC コンバータの役割

DC/DC コンバータは、高い電力レベルに対応できる必要があります。これに加えて、コンバータはモジュール型である必要があります。そうすれば、単一の電力段コンバータ ユニットを並列接続できるので、出力電力のスループットを、DC 充電ステーションの各種規格の要求よりも高いレベルに拡大できます。充電ステーションの現在のトレンドは、双方向の電力フローに対応できるコンバータに向かっています。自動車からグリッドへの電力供給 (V2G) などの新しい方式では、電気自動車のバッテリと AC グリッドの間で電力を伝送します。双方向 DC/DC コンバータは、順方向動作モードでバッテリ充電が可能であり、逆方向動作モードでバッテリからグリッドへの電力フローも容易です。したがって、ピーク負荷期間中のグリッド安定化に利用できます。

DC 充電ステーションのコンバータには、電力密度とシステム効率の 2 つの重要な要件があります。高いスイッチング周波数で動作するので、磁気素子のサイズを小型化できます。高速充電を容易にするために、より高いバス電圧へ移行すると、同じ電流レベルでより多くの電力を伝送できます。これにより、銅の量を減らすことができ、コンバータの電力密度が向上します。また、コンバータは高効率である必要があります。この結果、大幅なコスト削減と、放熱ソリューションの縮小を実現できるからです。この放熱ソリューションの縮小は、ヒートシンクの削減と小型化に直結し、コンバータの電力密度が向上します。また、コンバータは、電力密度を低下させる可能性のある大型の受動部品を追加せずに、ZVS (ゼロ電圧スイッチング) や ZCS (ゼロ電流スイッチング) のような固有のソフト スイッチングに対応できる必要があります。

DC/DC コンバータは、主に EV 充電ステーションで使用されているリチウムイオンまたは鉛酸バッテリとシームレスに接続できる必要があります。また、DC/DC コンバータには、高電圧側と低電圧側の間で必要な電圧変換を行い、それらの間でガルバニック絶縁を提供できる能力が必要です。

従来のスイッチング デバイスでは、高電圧のスイッチング速度 (デバイスの dV/dt 能力) に制限があります。ランピングの過程が低速であることにより、デバイスがスイッチング遷移状態にある時間が長くなるため、スイッチング損失が増加します。このようにスイッチ時間が長くなると、貫通電流や短絡を防止するために、制御システムで必要なデッドタイムも長くなります。この問題に対するソリューションが、電子移動度の高い SiC や GaN デバイスなどの新しいスイッチング半導体技術において開発されました。このリファレンス デザインでは、SiC MOSFET と テキサス・インスツルメンツの SiC ゲート ドライバ テクノロジーを組み合わせて使用して、効率と電力密度について利点があることを示します。

分析のため、次の 4 つの一般的なトポロジを検討しました。

  • LLC 共振コンバータ
  • 位相シフト、フルブリッジ
  • 単相、デュアル アクティブ ブリッジ
  • CLLC モードのデュアル アクティブ ブリッジ

この調査に基づいて、このリファレンス デザインの実装には、デュアル アクティブ ブリッジを選択しました。その理由は、双方向動作のしやすさ、モジュール構造、競争力のある効率、他の競合トポロジと比較した電力密度の数値です。このリファレンス デザインは、EV 充電ステーション向けの大電力デュアル アクティブブリッジ DC/DC コンバータを設計する際の課題に対処することを重視しています。