JAJU922A October   2022  – February 2024

 

  1.   1
  2.   概要
  3.   リソース
  4.   特長
  5.   アプリケーション
  6.   6
  7. 1 CLLLC システムの説明
    1. 1.1 主なシステム仕様
  8. 2 CLLLC システムの概要
    1. 2.1 ブロック図
    2. 2.2 設計上の考慮事項とシステム設計理論
      1. 2.2.1 タンクの設計
        1. 2.2.1.1 電圧ゲイン
        2. 2.2.1.2 トランス ゲイン比の設計 (NCLLLC)
        3. 2.2.1.3 磁化インダクタンスの選択 (Lm)
        4. 2.2.1.4 共振インダクタとコンデンサの選択 (Lrp と Crp)
      2. 2.2.2 電流および電圧センシング
        1. 2.2.2.1 VPRIM 電圧センシング
        2. 2.2.2.2 VSEC 電圧センシング
        3. 2.2.2.3 ISEC 電流センシング
        4. 2.2.2.4 ISEC タンクおよび IPRIM タンク
        5. 2.2.2.5 IPRIM 電流センシング
        6. 2.2.2.6 保護 (CMPSS および X-Bar)
      3. 2.2.3 PWM 変調
  9. 3 トーテムポール PFC システムの説明
    1. 3.1 トーテムポール ブリッジレス PFC の利点
    2. 3.2 トーテムポール ブリッジレス PFC の動作
    3. 3.3 主なシステム仕様
    4. 3.4 システム概要
      1. 3.4.1 ブロック図
    5. 3.5 システム設計理論
      1. 3.5.1 PWM
      2. 3.5.2 電流ループモデル
      3. 3.5.3 DCバス電圧制御ループ
      4. 3.5.4 電流スパイクを除去または低減するゼロクロス付近のソフトスタート
      5. 3.5.5 電流の計算
      6. 3.5.6 インダクタの計算
      7. 3.5.7 出力コンデンサの計算
      8. 3.5.8 電流および電圧センシング
  10. 4 主な使用製品
    1. 4.1 C2000 マイクロコントローラ TMS320F28003x
    2. 4.2 LMG352xR30-Q1
    3. 4.3 UCC21222-Q1
    4. 4.4 AMC3330-Q1
    5. 4.5 AMC3302-Q1
  11. 5 ハードウェア、ソフトウェア、試験要件、試験結果
    1. 5.1 必要なハードウェアとソフトウェア
      1. 5.1.1 ハードウェアの設定
        1. 5.1.1.1 制御カードの設定
      2. 5.1.2 ソフトウェア
        1. 5.1.2.1 Code Composer Studio 内でプロジェクトを開く
        2. 5.1.2.2 プロジェクト構造
    2. 5.2 テストと結果
      1. 5.2.1 テストのセットアップ (初期設定)
      2. 5.2.2 CLLLC のテスト手順
        1. 5.2.2.1 ラボ 1.1 次側から 2 次側への電力フロー、PWM ドライバの開ループ チェック
        2. 5.2.2.2 ラボ 2.1 次側から 2 次側への電力フロー、PWM ドライバおよび保護付き ADC の開ループ チェック (2 次側に抵抗性負荷が接続されている状態)
          1. 5.2.2.2.1 ラボ 2 のソフトウェア オプションの設定
          2. 5.2.2.2.2 プロジェクトのビルドおよびロードとデバッグ環境の設定
          3. 5.2.2.2.3 リアルタイム エミュレーションの使用
          4. 5.2.2.2.4 コードの実行
          5. 5.2.2.2.5 電圧ループに対する SFRA プラントの測定
          6. 5.2.2.2.6 アクティブ同期整流の検証
          7. 5.2.2.2.7 電流ループに対する SFRA プラントの測定
        3. 5.2.2.3 ラボ 3.1 次側から 2 次側への電力フロー、閉電圧ループ チェック (2 次側に抵抗性負荷が接続されている状態)
          1. 5.2.2.3.1 ラボ 3 のソフトウェア オプションの設定
          2. 5.2.2.3.2 プロジェクトのビルドおよびロードとデバッグ環境の設定
          3. 5.2.2.3.3 コードの実行
          4. 5.2.2.3.4 閉電圧ループに対する SFRA の測定
        4. 5.2.2.4 ラボ 4.1 次側から 2 次側への電力フロー、閉電流ループ チェック (2 次側に抵抗性負荷が接続されている状態)
          1. 5.2.2.4.1 ラボ 4 のソフトウェア オプションの設定
          2. 5.2.2.4.2 プロジェクトのビルドおよびロードとデバッグの設定
          3. 5.2.2.4.3 コードの実行
          4. 5.2.2.4.4 閉電流ループに対する SFRA の測定
        5. 5.2.2.5 ラボ 5.1 次側から 2 次側への電力フロー、閉電流ループ チェック (2 次側で抵抗性負荷が電圧源と並列に接続されてバッテリ接続をエミュレートしている状態)
          1. 5.2.2.5.1 ラボ 5 のソフトウェア オプションの設定
          2. 5.2.2.5.2 電流ループ補償器の設計
          3. 5.2.2.5.3 プロジェクトのビルドおよびロードとデバッグの設定
          4. 5.2.2.5.4 コードの実行
          5. 5.2.2.5.5 バッテリ エミュレーション モードでの閉電流ループに対する SFRA 測定
      3. 5.2.3 TTPLPFC のテスト手順
        1. 5.2.3.1 ラボ 1：開ループ、DC
          1. 5.2.3.1.1 BUILD 1のソフトウェアオプションの設定
          2. 5.2.3.1.2 プロジェクトのビルドおよびロード
          3. 5.2.3.1.3 デバッグ環境設定ウィンドウ
          4. 5.2.3.1.4 リアルタイム エミュレーションの使用
          5. 5.2.3.1.5 コードの実行
        2. 5.2.3.2 ラボ 2：閉電流ループ DC
          1. 5.2.3.2.1 BUILD 2のソフトウェアオプションの設定
          2. 5.2.3.2.2 電流ループ補償器の設計
          3. 5.2.3.2.3 プロジェクトのビルドおよびロードとデバッグの設定
          4. 5.2.3.2.4 コードの実行
        3. 5.2.3.3 ラボ 3：閉電流ループ、AC
          1. 5.2.3.3.1 ラボ 3 のソフトウェア オプションの設定
          2. 5.2.3.3.2 プロジェクトのビルドおよびロードとデバッグの設定
          3. 5.2.3.3.3 コードの実行
        4. 5.2.3.4 ラボ 4：閉電圧および電流ループ
          1. 5.2.3.4.1 BUILD 4のソフトウェアオプションの設定
          2. 5.2.3.4.2 プロジェクトのビルドおよびロードとデバッグの設定
          3. 5.2.3.4.3 コードの実行
      4. 5.2.4 テスト結果
        1. 5.2.4.1 効率
        2. 5.2.4.2 システム性能
        3. 5.2.4.3 ボード線図
        4. 5.2.4.4 効率とレギュレーションのデータ
        5. 5.2.4.5 熱データ
        6. 5.2.4.6 PFC の波形
        7. 5.2.4.7 CLLLC の波形
  12. 6 デザイン ファイル
    1. 6.1 回路図
    2. 6.2 部品表 (BOM)
    3. 6.3 Altium プロジェクト
    4. 6.4 ガーバー ファイル
  13. 7 ソフトウェア ファイル
  14. 8 関連資料
    1. 8.1 商標
  15. 9 用語
  16. 10著者について
  17. 11改訂履歴

3.1 トーテムポール ブリッジレス PFC の利点

すべてのプラグイン ハイブリッド電気自動車 (PHEV) では、車両内の電力グリッドと高電圧バッテリ パックの間にオンボード チャージャ (OBC) が必要です。AC/DC 電力変換を行うために電力グリッドに直接接続し、ダウンストリームの DC/DC コンバータに流れる実際の電力を最大化するには、力率改善 (PFC) コンバータの実装が必須になります。

従来型の PFC コンバータには整流用に、現在ではパッシブ PFC 技術として知られているパッシブ ダイオード ブリッジが実装されています。この方式の利点として、設計が簡単、信頼性が高い、低速のシステム制御ループ、低コストであることが挙げられます。ただし欠点も明らかで、パッシブ部品は重量が重く、力率も低く、電力損失が大きいため、ヒートシンクがかさばり、放熱が多くなります。この問題をさらに調査すると、幅広い主電源アプリケーションの低電圧ラインでは、入力ブリッジが入力電力の約 2% を消費することが判明しました。設計者が直列ダイオードのいずれかを抑制できれば、入力電力を 1% 節約でき、その結果として効率を 94% から 95% に高めることができます (Turchi、Dalal、Wang、Lenck、2014 年)。前述の欠点があるため、ブリッジ接続の従来型 PFC の定格電力は数百ワット未満に制限されています。特に、スペースと重量の削減が重要な設計パラメータであるハイブリッド電気自動車 (HEV) や電気自動車 (EV) ではそれが顕著です。

その結果、従来のダイオード ブリッジをなくした、ブリッジレス アーキテクチャへと移行し続けています。OBC はシリコン パワー デバイスをベースとしており、低効率、低電力密度、高重量などの制限があります。SiC MOSFET の利点により、設計者は、高速スイッチング、低逆方向回復電荷、低 RDS(ON) という優れた性能を活用することで、これらの制限を大幅に改善することができます。

図 3-1 に、トーテムポール ブリッジレス PFC 昇圧整流器の基本構造を示します。1 つの昇圧インダクタ、2 つの高周波昇圧 GaN スイッチまたは SiC スイッチ (下図の SiC1 と SiC2)、およびライン周波数で電流を流すための 2 つの部品で構成されています。図 3-1 に示すように、ライン周波数の関連部品には 2 つの低速ダイオードを使用しても問題ありません。(A) に 2 つのシリコン ダイオード (D1 と D2) を示しています。(B) は、Si1 と Si2 を使用することで効率がさらに向上することを示しています。

TIDM-02013 トーテムポール ブリッジレス PFC 昇圧コンバータのトポロジ：(A) ライン整流用ダイオード、(B) ライン整流用 MOSFET図 3-1 トーテムポール ブリッジレス PFC 昇圧コンバータのトポロジ：(A) ライン整流用ダイオード、(B) ライン整流用 MOSFET

トーテムポール PFC に固有の問題は、AC 電圧ゼロクロス時の動作モードの遷移です。AC 入力がゼロクロス時に正のハーフ ラインから負のハーフ ラインに変わると、ローサイド高周波スイッチ SiC2 のデューティ比が 100% から 0% に変化し、SiC1 のデューティ サイクルが 0% から 100% に変化します。ハイサイド ダイオード (または MOSFET のボディ ダイオード) の逆回復が遅いため、D2 のカソードの電圧はグランドから DC+ 電圧に瞬時にジャンプすることはできません (これにより大きな電流スパイクが発生します)。この問題が原因で、設計者は Si MOSFET を連続導通モード (CCM) のトーテムポール PFC に使用することはできません。したがって、SiC1 と SiC2 は、逆回復性能が低い窒化ガリウム (GaN) または SiC MOSFET の電界効果トランジスタ (FET) でなければなりませんが、TIDM-02013 では GaN FET を選択しました。

トーテムポール PFC の最大の利点は、導通経路での電力損失が低減されることです。表 3-1 に、従来型 PFC とトーテムポール PFC のデバイスの比較を示します。

表 3-1 ブリッジ接続の従来型 PFC とトーテムポール ブリッジレス PFC のデバイスの比較
パラメータ低周波ダイオード高周波ダイオード高周波スイッチ導通経路
ブリッジ接続の従来型 PFC411低速ダイオード 2 個 + スイッチ 1 個または (低速ダイオード 2 個 + 高速ダイオード 1個)
トーテムポール ブリッジレス PFC2ゼロ2高速 GaN スイッチ 1 個 + 低速 Si (または SiC) MOSFET 1 個

トーテムポール PFC の利点については、以下のとおりです。

  • 従来型の PFC 昇圧コンバータは最も一般的なトポロジですが、その効率はフロント エンドのダイオード ブリッジ整流器の導通損失の影響を受け、双方向ではありません。トーテムポール PFC は本来、双方向動作ができるようになっています。
  • ブリッジレス PFC 昇圧コンバータは、ダイオード数を大幅に削減し、電力密度を高め、効率を向上させています。
  • この PFC は、高い効率、小さい同相モード ノイズ、小さい AC 電流リップル、小さい逆方向回復電流、少ない部品点数という点で優れています。
  • GaN ボディ ダイオードの低逆回復電荷、GaN FET の低ターンオン抵抗によって、このコンバータは双方向オンボード チャージャ向けの効率的でコスト効率の優れたソリューションとなります。