JAJU913A December   2023  – August 2024

 

  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
    2. 1.2 昇圧コンバータによる PV 入力
    3. 1.3 双方向 DC/DC コンバータ
    4. 1.4 DC/AC コンバータ
  8. 2システム設計理論
    1. 2.1 昇圧コンバータ
      1. 2.1.1 インダクタの設計
      2. 2.1.2 整流ダイオードの選択
      3. 2.1.3 MPPT 動作
    2. 2.2 双方向 DC/DC コンバータ
      1. 2.2.1 インダクタの設計
      2. 2.2.2 低電圧側コンデンサ
      3. 2.2.3 高電圧側コンデンサ
    3. 2.3 DC/AC コンバータ
      1. 2.3.1 昇圧インダクタの設計
      2. 2.3.2 DC リンク コンデンサ
  9. 3システム概要
    1. 3.1 ブロック図
    2. 3.2 設計の考慮事項
      1. 3.2.1 昇圧コンバータ
        1. 3.2.1.1 高周波数 FET
        2. 3.2.1.2 入力電圧および入力電流の検出
      2. 3.2.2 双方向 DC/DC コンバータ
        1. 3.2.2.1 高周波数 FET
        2. 3.2.2.2 電流および電圧の測定
        3. 3.2.2.3 入力リレー
      3. 3.2.3 DC/AC コンバータ
        1. 3.2.3.1 高周波数 FET
        2. 3.2.3.2 電流の測定
        3. 3.2.3.3 電圧の測定
        4. 3.2.3.4 補助電源
        5. 3.2.3.5 受動部品の選定
    3. 3.3 主な使用製品
      1. 3.3.1  TMDSCNCD280039C - C2000™ マイコン controlCARD™ 向けの TMS320F280039C 評価基板
      2. 3.3.2  LMG3522R030 ドライバ、保護機能、温度レポート機能内蔵、650V、30mΩ の GaN FET
      3. 3.3.3  TMCS1123 - 高精度ホール効果電流センサ
      4. 3.3.4  AMC1302 - 高精度、±50mV 入力、強化絶縁型アンプ
      5. 3.3.5  ISO7741 信頼性の高い EMC 特性、クワッドチャネル (順方向 3、逆方向 1)、強化絶縁型デジタル アイソレータ
      6. 3.3.6  ISO7762 信頼性の高い EMC 特性、6 チャネル (順方向 4、逆方向 2)、強化絶縁型デジタル アイソレータ
      7. 3.3.7  UCC14131-Q1 車載用、1.5W、12V～15V VIN、12V～15V VOUT、高密度、5kVRMS 超の絶縁型 DC/DC モジュール
      8. 3.3.8  ISOW1044 DC/DC 電源内蔵、低放射、5kVRMS、絶縁型 CAN FD トランシーバ
      9. 3.3.9  ISOW1412 電源内蔵、低放射、500kbps、強化絶縁型 RS-485/RS-422 トランシーバ
      10. 3.3.10 OPA4388 クワッド、10MHz、CMOS、ゼロドリフト、ゼロ クロスオーバ、真の RRIO 高精度オペアンプ
      11. 3.3.11 OPA2388 デュアル、10MHz、CMOS、ゼロドリフト、ゼロ クロスオーバ、真の RRIO 高精度オペアンプ
      12. 3.3.12 INA181 26V、双方向、350kHz、電流センス アンプ
  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 ハードウェア要件
    2. 4.2 注
    3. 4.3 テスト構成
      1. 4.3.1 昇圧段
      2. 4.3.2 双方向 DC/DC 段 ‐ 降圧モード
      3. 4.3.3 DC/AC 段
    4. 4.4 テスト結果
      1. 4.4.1 昇圧コンバータ
      2. 4.4.2 双方向 DC/DC コンバータ
        1. 4.4.2.1 降圧モード
        2. 4.4.2.2 昇圧モード
      3. 4.4.3 DC/AC コンバータ
  11. 5設計とドキュメントのサポート
    1. 5.1 デザイン ファイル
      1. 5.1.1 回路図
      2. 5.1.2 BOM
    2. 5.2 ツールとソフトウェア
    3. 5.3 ドキュメントのサポート
    4. 5.4 サポート・リソース
    5. 5.5 商標
  12. 6著者について
  13. 7改訂履歴

3.2.3.5 受動部品の選定

図 3-11 に示すように、DC/AC 段には複数の受動部品が存在します。各受動部品の設計に関する理論は、以下のセクションで詳細に説明しています。EMI フィルタは、2 つの昇圧インダクタ、2 つの同相モード チョーク、および Cx と Cy の安全コンデンサのネットワークで構成されています。

TIDA-010938 DC/AC フィルタのブロック図図 3-11 DC/AC フィルタのブロック図
  • 昇圧インダクタの選択

昇圧インダクタの設計は、フィルタ効率を最大限に高め、フィルタ容積を最小限に抑えることができる最適な EMI フィルタを見つけるのに不可欠です。昇圧インダクタの主な役割は、スイッチング周波数の高調波を除去することであり、電流リップルの計算を考慮し、計算された電流リップルを許容できるコアの材質を選択する必要があります。昇圧インダクタはさらに分割されて、同相モード フィルタリング能力が向上し、個別のスイッチング ノードのフィルタリング能力も向上しています。

多くの規格のエミッション マスクは 150kHz から始まるため、スイッチング周波数を 150kHz 未満に設定することは良い設計手法と言えます。この設計では、H ブリッジ バイポーラ トポロジと HERIC DC/AC トポロジに対して 87kHz のスイッチング周波数を選択しました。ユニポーラ変調方式の H ブリッジの場合、トポロジの定義によって、出力 EMI フィルタでスイッチング周波数の影響が 2 倍になります。そのため、スイッチング周波数には 43.5kHz を採用しました。動作周波数 87kHz を選択することで、基本波の減衰はそれほど必要ではありませんが、2 次、3 次などの連続する高調波には減衰が必要です。230VAC 出力の場合、昇圧インダクタには 30% の電流リップル係数を選択しました。インダクタンス値は、式 16 で計算しました。

式 16. L≥520 V4×4600 W230 V×2×0.3×87000 Hz

インダクタンス値は 176μH になりました。定格 87μH、20RMS のインダクタである Bourns 145453 を選択しました。インダクタは両方のレグで分割され、同相モード能力が向上しています。一般に、昇圧インダクタは差動モード ノイズと同相モード ノイズの減衰に寄与します。

  • CX 容量の選択

Class-X (CX) と Class-Y (CY) コンデンサは安全認証を取得したコンデンサで、通常、EMI の発生を最小限に抑える AC ライン フィルタリング アプリケーションで使用されます。さらに、X コンデンサは差動モード干渉から保護するために電力線と中間線との間に接続され、Y コンデンサは同相モード ノイズを除去するように設計されています。同相モード チョーク コイルは、同相モード ノイズを抑制するために使用されます。

Cx は、電力線と電力線、または電力線と中間線との間に接続されるコンデンサです。これらのコンデンサの目的は、DC/AC からグリッドに注入される差動モード ノイズを減衰させることです。これらのコンデンサの値は、グリッドに供給される無効電力と差動モード減衰との間のトレードオフです。デフォルトでは、グリッドに注入される無効電力は 式 17 の値に等しくなります。

式 17. Q=Vg2×2πfg×CX

10% 負荷では、0.9 (26°) に等しい力率が要件として設定されています。したがって、無効電力の量は式 18 のように制限されます。

式 18. Qmax=0.1×Pnom ×tan∅ 

容量の最大値は 式 17 と 式 18 から計算でき、13.5μF になります。それぞれ 4.7μF の値を持つ 2 つの Cx コンデンサを選択しました。

  • CY 容量の選択

デバイスの損傷や感電を防止するために、わずかなリーク電流 (通常は 5～30mA) でも検出し、迅速に (<30ms) 接続を切り離す必要があります。リーク電流の問題については、リーク電流値 100mA が最長 0.04 秒続く場合、トランスレス インバータを搭載した PV システムの使用を停止しなければならないとする規格があります。合計で 13.6nF の容量が接地されている状態で、Y コンデンサを流れるリーク電流は 式 19 で計算できます。

式 19. IY-Cap=V×2πfg×CY

グリッド電圧が 230VRMS の場合、この値は 0.98mA < 30mA となるため、システム要件を満たしています。

  • EMI フィルタの設計

以下の EMI フィルタは、グリッドに流入する差動モードと同相モードの両方のノイズを減衰させるように設計しました。EMI フィルタは、同相モードおよび差動モード領域で解析できます。図 3-12 に示す EMI フィルタから、部分 a) および b) にそれぞれ示す同相および差動モード等価回路を導くことができます。ここで、Lσ はコモン モード チョークのリーケージ インダクタンスを表します。

TIDA-010938 EMI フィルタの設計図 3-12 EMI フィルタの設計
  • a. 差動モードの等価モデル
  • b. 同相モードの等価モデル

減衰させるべき 1 次臨界周波数は 174kHz です。87kHz は EMI マスクに入っていないため、この値は考慮しませんでした。

表 3-4 DM/CM モードで必要な減衰
減衰値
174kHz での差動モード減衰87 dB
174kHz での同相モード減衰83 dB

表 3-5 に示す値の EMI フィルタを設計しました。

表 3-5 EMI フィルタの値
パラメータ値
L187μH

CX1

4.7μF
Lcm1Lcm 4mH、Lσ 4μH
CX24.7μF
Lcm2Lcm 4mH、Lσ 4μH
CY26.8nF

この EMI フィルタには 2 つの Bourns CMC (047708) が使用されています。

  • DC リンク容量

単相アプリケーションでは、グリッドからの電力リップルが存在し、それが DC リンクに電圧リップルを引き起こす可能性があります。DC リンク コンデンサの値は、式 20 で計算します。

式 20. Cout≥4600 W2×400×π×50 Hz×46 V

4.6kW、400V、50Hz の動作条件に対して、800μF の総容量が計算されました。このアプリケーションでは、ALH82(1)161DD600 デバイスのうち 5 つが選択されました。なお、電解コンデンサに流れるリップル電流については、使用されているコンデンサ モデルで対応可能です。