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

4.4.3 DC/AC コンバータ

図 4-12 では、400V DC リンクから 230V AC に約 4.4kW の出力電力が供給されています。ライン電圧は黄色、ライン電流はピンク色でそれぞれ示しています。大きな電流リップルは抵抗に注入されていないことに注意します。また、この図では、100Hz の DC リンク電力リップルは緑色で示しています。

C1 - 出力電圧、C2 - 出力電流、C4 - DC バス電圧

TIDA-010938 DC/AC ライン電圧、ライン電流、 DC バス電圧図 4-12 DC/AC ライン電圧、ライン電流、 DC バス電圧

図 4-13 と 表 4-4 に、DC バスを 230VAC 出力に変換する際の総合的な効率を示します。3 つの変調方式であるユニポーラの H ブリッジ、バイポーラの H ブリッジ、および HERIC の各モードを比較した結果について説明します。

表を参照すると、H ブリッジ ユニポーラ モードのリファレンス デザインは、約 2.4kW、400V 入力で 、ηpeak = 98.4%、ηfull-load = 98.2%、ηCEC = 98.3% を達成しています。

表を参照すると、H ブリッジ バイポーラ モードのリファレンス デザインは、約 2.8kW、400V 入力で ηpeak = 98.1%、ηfull-load = 97.9%、ηCEC = 97.8% を達成しています。

表を参照すると、HERIC モードのリファレンス デザインは、約 2.4kW、400V 入力で ηpeak = 98.5%、ηfull-load = 98.2%、ηCEC = 98.4% を達成しています。

TIDA-010938 DC/AC の効率比較図 4-13 DC/AC の効率比較
表 4-4 DC/AC の効率
出力電力効率

H ブリッジ ユニポーラ

出力電力効率

H ブリッジ バイポーラ

出力電力効率

HERIC

0.2kW93.1%0.2kW92.7%0.1kW92.7%
0.4kW96.0%0.4kW95.9%0.4kW97.1%
0.8kW97.5%0.8kW97.2%0.8kW98.1%
1.2kW98.3%1.2kW97.7%1.2kW98.3%
1.6kW98.2%1.6kW97.9%1.2kW98.4%
2.0kW98.3%2.0kW98.0%1.6kW98.5%
2.4kW98.4%2.4kW98.0%2.0kW98.5%
2.8kW98.4%2.8kW98.1%2.4kW98.5%
3.2kW98.4%3.2kW98.0%2.8kW98.5%
3.5kW98.4%3.5kW97.9%3.2kW98.5%
3.9kW98.3%3.9kW97.9%3.4kW98.5%
4.1kW98.3%4.1kW97.9%3.6kW98.4%
4.3kW98.2%4.3kW97.9%4.0kW98.4%
4.5kW98.2%4.5kW97.8%4.2kW98.4%
4.3kW98.3%
4.5kW98.2%

さらに、図 4-14 に示すように、ユニポーラ変調方式による H ブリッジのスイッチング ノードの電圧を測定しました。60kV/μs のスイッチングであっても、大きな過電圧は検出されていないことを画像から確認してください。立ち上がり時間は約 6ns です。

C1 - ライン電圧、C2 - ライン電流、C3 - DC バス電圧、C4 - スイッチング ノード電圧

TIDA-010938 H ブリッジ ユニポーラの DC/AC スイッチング ノード図 4-14 H ブリッジ ユニポーラの DC/AC スイッチング ノード

図 4-15 に示すように、バイポーラ変調方式による H ブリッジのスイッチング ノードの電圧を測定しました。60kV/μs のスイッチングであっても、大きな過電圧は検出されていないことを画像から確認してください。立ち上がり時間は約 6.5ns です。

C1 - ライン電圧、C2 - ライン電流、C3 - DC バス電圧、C4 - スイッチング ノード電圧

TIDA-010938 H ブリッジ バイポーラの DC/AC スイッチング ノード図 4-15 H ブリッジ バイポーラの DC/AC スイッチング ノード

図 4-16 に示すように、HERIC 変調方式のスイッチング ノードの電圧を測定しました。トポロジの観点から見ると、HERIC モードでは、正の半サイクルと負の半サイクルでゼロ電圧状態が追加されるため、FET にかかる電圧も半分になります。したがって、スイッチング ノードの電圧が 200V から 400V に上昇することがわかります。このシナリオでは、もう一方のスイッチング ノードは 0V から 200V に変化する可能性があります。

C1 - ライン電圧、C2 - ライン電流、C3 - スイッチング ノード電圧、C4 - DC バス電圧

TIDA-010938 HERIC の DC/AC スイッチング ノード図 4-16 HERIC の DC/AC スイッチング ノード

図 4-17 には、対応する変調方式の全高調波歪み (THD) プロファイルも示されています。

TIDA-010938 DC /AC の全高調波歪み図 4-17 DC /AC の全高調波歪み

さらに、図 4-18 に、ユニポーラ トポロジでの GaN FET の接合部温度を示します。他の H ブリッジ GaN でも温度プロファイルは類似しています。この動作は、400V の DC リンク電圧を 230V のグリッドに変換することに相当します。温度が 54℃以上にならないことがわかります。

TIDA-010938 H ブリッジ ユニポーラの GaN とヒートシンク温度の関係図 4-18 H ブリッジ ユニポーラの GaN とヒートシンク温度の関係

図 4-19 に、バイポーラ トポロジでの GaN FET の接合部温度を示します。他の H ブリッジ GaN でも温度プロファイルは類似しています。この動作は、400V の DC リンク電圧を 230V のグリッドに変換することに相当します。温度が 70℃以上にならないことがわかります。

TIDA-010938 H ブリッジ バイポーラの GaN とヒートシンク温度の関係図 4-19 H ブリッジ バイポーラの GaN とヒートシンク温度の関係

図 4-20 に、HERIC トポロジでの GaN FET の接合部温度を示します。他の H ブリッジ GaN でも温度プロファイルは類似しています。この動作は、400V の DC リンク電圧を 230V のグリッドに変換することに相当します。温度は 54℃ 以上にはなりません。

TIDA-010938 HERIC の GaN とヒートシンク温度の関係図 4-20 HERIC の GaN とヒートシンク温度の関係

要するに、ユニポーラ変調の H ブリッジと HERIC はどちらも 3 レベルのトポロジであるため、2 レベル トポロジであるバイポーラ変調の H ブリッジに比べて、FET 全体のスイッチング損失が小さくなります。HERIC とバイポーラ変調の H ブリッジは、同相モード除去能力が優れています。ユニポーラは高い同相モード電圧を実現しますが、ストリング インバータのようなトランスレス システムでは、リーク電流が大きくなります。しかし、ユニポーラ変調ではスイッチング周波数が半分で動作し、同等な EMI フィルター設計を使用した場合は出力周波数が 2 倍になります。したがって、これら 3 つのトポロジを比較する際は複数のポイントを考慮する必要があります。