マイルドハイブリッド電気自動車 における電力変換

マイルドハイブリッド における

TND6317JP/D

Rev. 2, August − 2021

マイルドハイブリッドにおける

のマイルドハイブリッド(Mild Hybrid Electric Vehicles、MHEV)は、わずか

にコストがしになるだけで、フルハイブリッドの ののく をするようにされています。48 Vバッテリをすることは、MHEVがデュアル になることをしており、それによってのがじます。これらの

へのりみは、システム!"の#をに$しながら、デュアルバッテリシ

ステムの%&サイクルをすることにがかれています。

)では、

コスト#を*+するためのサブシステムにする

を,め、

これらのを- する.!についてりげます。また、"パワーモジュール

(Automotive Power Module、APM)とGaNデバイスを#いたパワーコンバータの6$につい

ても%&します。

このトピックは、8れたコンバータをMHEVにり9れる'の(:について)し たいと*えているエンジニアにとって+,いものです。

はじめに

<-のくの=>で、.?/@、0に*の1にAするBCがまっており、のDE

)23をF4することによりCO 2

GH3をI4するJ5に6られています。これを6$

する1つの.!は、K7のL 8(Internal Combustion Engines、ICE)をMとするに ハイブリッド+をえることです。

N9:なでは、トラクションパワーシステムが;QにRい<Sの#Mと=Tの

/@でUできるJ5があり、これはのトルク−=T<Sとして>すことができます。

のハイブリッド+は、?2のM@をするプロセスであり、そのM@としても

YAZがいのは?2のバッテリでBされるモータです。

ハイブリッド+されたパワートレインを\#すると、システムCはDなるトルク−=

T<SE]に2つのM@をF+する.!でGにHできます。8Iは;Qに*き なトルクをJできるための=^には_Kちますが、このトルクはLられた^Mし か#できません。#YAな^Mはバッテリのサイズと8IのトルクHMの.に abします。トルクのM@をすると、ICEの*cなde+がYAになり、!"

の を*cにfさせることができます。しかし､@をすることはgなhOの :ではなく、システムのくにiえるjPを*kしたl!がJ5になります。

K7の+は、QQ300 V〜400 Vの<Sのバッテリと、ICEパワートレインにR

SされたZAな8Iをすることで6$されてきました。これらの｢フル｣ハイブ

リッドはF のクラスをm>するもので、#fのVから;QにWM:です。

しかし、そのためにでかなりのコストと3がします。

48 VのシステムアーキテクチャはXかなりYZを[めています。このシステムは、フ

ルハイブリッドにfけたE]:なステップと*えられます。これらは｢マイルドハイブリ ッド｣とqばれ、\]:deの48 Vバッテリシステム、ZAの8I、1つまたはr のの48 V+サブシステムを\#して^_されています。48 VシステムのFコスト +は、くの

OEM

のYZを[めており、Xいうちにすべてのメーカのポート フォリオにわるYAZがあります。

48 Vアーキテクチャ

48 Vアーキテクチャの`xaは;Qにく、えbけています。もy:なシステムに

は、バッテリ、czスタータジェネレータ

(integrated starter−generator

、

ISG)

、

48 V

から

12 Vへのコンバータ、1つ|の48 Vdeなどが,まれます。48 Vには12 Vバッテリと

rの12 Vdeがまだfっているため、これらのシステムはしばらくのM、デュアルア ーキテクチャとしてbbするYAZがいといえます。

Figure 1. A 48 V Mild Hybrid Electrical System

これらデュアルシステムでは、rくのしい^}がYAです。48 Vシステムはy

:にいMレベルをgできるため、 48 V

のターボ

(E−Turbo)

や

48 V

のロール

(E−Roll)スタビライザーシステムのような‚h8ƒにMをgできます。

48 Vシステム„ではISGが…5^}E†であり、これがのすべてのMJとともに

の‡もˆっています。また、 ISG

はのブレーキiMに‰エネルギーの‰‹もj います。ISGにはくの^}とMレベルがあり、それぞれにŒkの6lZmがあります。

$のところ、デュアルシステムの12 Vバッテリ„には、12 Vのオルタネータ|Žは

そのままfっています。12 VMのJ@がないため、48 VでJしたMを12 Vシステ ムにnするためのコンバータがJ5です。コンバータは#になっているとはい え、Mがコンバータをしてgされるため、12 Vdeすべてで‘’がじます。

48 V

から

12 V

へのパワーコンバータは、

MHEV

のデュアルシステムにJ5な8A です。.fへのMgがJ5になるため、このコンバータは“.fで8Aするように

するJ5があります。これらのコンバータのmo:なM<Sは1 kW〜3 kWであり、

このRいM<S!"で#を$するには、$マルチステージインタリーブeバッ クブーストコンバータがもよく\#されているトポロジの`xaです。バックトポロジ により、Mを„からF„へpすことができます。”qに、ブーストトポロジ によりMをr.fにpすことができます｡tインタリーブ.•のを#いることによ り、くの–々のコンバータのtを1つのMコンバータにczする8Aを6$できま す。

コンバータがde/@—にある˜zは、すべてのtを\#しますが、udeのiMには NEのtをオフにして‘’を™え、#をめることができます。

コンバータのトポロジ

MHEVアプリケーションにJ5な“.fコンバータは、いくつかのDなるトポロジを#い

て^}できます。もN9:なトポロジは、インタリーブe”iバックブースト“.f コンバータです。このタイプのコンバータは、rの”Nのtをそれぞれ›œにbし て、はるかに*きなコンバータとして8Aするようにします。これらの｢インタリーブ された｣tはN"となってUしますが、J5にžじてディセーブルできます。このコンバ ータの1t]の‰vŸをFigure 2にwします。

Figure 2. Bidirectional Converter – Single Phase

このコンバータを^}する…なブロックは、@ ¡スイッチ、バックブーストハーフブ リッジ、pセンスステージ、…インダクタ、de ¡スイッチです。

@ ¡スイッチは、コンバータの£tを48 Vバッテリから りxすために\#します。

…‰vは”iトポロジで^}されているバックブーストコンバータで、#+や“.f UがJ5な˜zに\#されます。”iトポロジでは、¤QiMと¥¦.iMの.の*

E]でパワースイッチがフルオンy§になるように¨©すると､‰vの#がfします。

”iバックブーストコンバータは、6'には2つのスイッチング‰vを«NステージにS zしたものです。パワースイッチは、…5エネルギー¬­E†であるインダクタのpの

pれを¨©します。インダクタpは、システムzTをく$するためにも5なた

め、コンバータ!"で¨©するJ5がある…5¬rです。

インダクタpの.fでMのpれる.fが{まるため、どちらのバッテリが®.から

pを¯けるかが{まります。システムコントローラは、Z:とするpの.fをiえる

ためのF なスイッチパターンをJすることにより、pの.fを{°します。±え ば、12 Vバッテリが%をJ5としている˜z、Figure 3のバックモードの±にwすfきに

pをpすようにスイッチパターンを¨©します。48 Vバッテリが%をJ5としている

˜z、Figure 3のブーストモードの±にwすfきにpをpすようにスイッチパターンを¨

©します。

Figure 3. Buck−Boost Conversion

pセンスステージはインダクタpを|}し、その²をシステムコントローラに~す

る_³をˆっています。zTシャント´µの\#がよく#いられているpセンス.!

です。シャント´µはインダクタpvにHされ、オームの!¶の·にyづき、

pの¬+によってシャント´µ€のが¬+します。pセンスアンプ(Current Sense Amplifier、CSA)は、シャント´µの2€¸Mのを|}するために\#されます。CSAは

シャントをシステムコントローラのアナログ

−

デジタルコンバータ

(analog to digital converter、ADC)への9MにFしたº»レベルにcします。

QQU¼、シャントはグラウンドにAしてゼロから48 Vまで¬+するYAZがあり

ます。えて、シャント´µの¾は;Qにdさく、r¿からrミリボルト‚Tで す。Á5とそれ|Žののº»レベルにこのような*きな¾があるため、*E]の アンプではな:がじます。アンプはdさな¾º»をcし、いコモンモード

ƒÃAMをÄえていると”^に、*80Vの„…に†えるJ5があります。この:

にAÅするには、|—にwすアンプの3つのÆqをÇに`xするJ5があります。

•

コモンモード<S(Rいほどよい)

•

9Mオフセット(dさいほどよい)

•

コモンモードƒÃ\

( いほどよい )

IK7のオペアンプでは、9M€¸のは@レール±0.6 Vまでに¨Lされているため、

コモンモード<Sには*きな¨Lがありました。Xでは、É#のpセンスアンプ が、*

80 V

という*きなコモンモード<SをÄえています。また、オフセット

が10

mVとFくzTでもあります。これによって、システムCはzTで=なp

|}システムを6$できます。

コンバータの«t>$をFigure 2にwします。これは48 Vから12 Vへのパワーコンバータ

!"を^_するのにJ5なくのtのうちの1つです。rの”Ntを›œbすることに より、レベルのMgAMを$つコンバータを^}できます。インタリーブ.•とし て‡られている^}では、£tがKしてUできますが、そのHMをSzすることによ り、QQであればtÊに*きなコンバータがJ5になるほどのHMがËられます。–々の

tは、それぞれ®の£tにAしてわずかにDなるÌtˆでHMpをJするように^}

されています。また、このようにÌtˆをずらすことでHMコンデンサのリップルをF4 することもできます。

«Nの*きなコンバータをするのではなく、インタリーブ.•を\#することには、

いくつかのGがあります。?Nに、£tのpレベルをF4して、パワースイッチ、

¤"、インダクタにかかるストレスをu4します。£tはJ5にžじてKに りxすこ とができるため、コンバータのMレベルのをモジュール+できます。

4tコンバータに\#するt͝b.•をFigure 4にwします。

Figure 4. Interleaved Phase Configuration

mo:なのU¼、12 VシステムのM5@は、q々なのUモードにyづいて

^Mとともに¬します。のUモードには、!MがJ5な˜zがあるN.、®の

^MにはÎ3のMで¿]な˜zもあります。コンバータの!":な#をfするため

に、インタリーブeコンバータではtをN^:にディセーブルでき、それによりコントロ ーラがU¼のtrをJ5なM3にÏÐにN‰させることができます。MJ53がÎ ない˜z、バッテリ ¡スイッチを\#してrのtをオフにすることができます。さら にMJ53がÎないiM¼、いくつかのtをオフにしているy§でコンバータのコント ローラはÑにオフにしていたtをオンにし、!tにŠdeをE‹に]Òできます。

de ¡スイッチのステージの_³は、£tを12 Vバッテリに:にb/ ¡するこ

とです。これらのステージは、°ŒがtのHMpレベルであるバックツーバックのパワ ーMOSFETで^}されています。これらのスイッチはb:にUするJ5があるため、

100%のオン^MでUできるゲートドライバがJ5となります。

NEのՎモードiMには、これらの

MOSFET

をオフしてՎしたステージのUをディ セーブルすることがJ5です。また、Վした‰vをÖ!に]xするために、Ažする

@ ¡スイッチも ¡するJ5があります。

コンバータの+

“.fコンバータは、0°のUモードにyづいてrのDなるUモードをÄえて います。の‡^には、ISGへのpは48 Vバッテリからgされます。48 Vバッテリ の%y§が׿]な˜zには、コンバータをØモードでUするように^}し、12 V バッテリから‡pをgします。

Li

イオンバッテリはFでのMZAがF—する ことがN9:で、そのような˜zにはの‡に12 VバッテリからのMがJ5になる YAZがあります。この˜zは、コンバータを12 Vバッテリからpをgするように^

}し、の‡^に

48 V

バッテリをÙします。QQ、!システムがQQUTに~

するまでエンジンの‡/ڑ8Aは™¨され、その^でQQのの¥‡が’‡され ます。

が“8y§で”jしているがÛ]に=するJ5がないiM¼、コンバータは•モ

ードでUします。このモードではコンバータは

48 V

バッテリから

12 V

バッテリにpを gするように^}されます。コンバータは12 VdeすべてにgするのにJ5なpを gするとともに、J5にžじて12 Vバッテリの%もjいます。

がQQ”jモードでUしていての=がJ5な˜z、コンバータはØモード

に り–わってISGのモータにpをgし、の=をÙします。=UのÜ

、システムはQQ”jモードにÝり、コンバータを•モードに り–えます。q々な とコンバータのUモードをwしたTable 1をޗしてください。

Table 1. OPERATING MODES

Vehicle Mode Converter Mode Current Direction

Cold Starting Boost mode 12 V battery → 48 V battery

Vehicle Acceleration Boost mode 12 V battery → 48 V battery

Vehicle Driving Buck mode 48 V battery → 12 V battery

コンバータの,-

このコンバータの£ステージを6$するのに\#する…な‰v^}E†をTable 2にwしま す。

Table 2. DESIGN REQUIREMENTS

Converter Stage Components Required

Source−disconnect − 80 V/100 V trench power MOSFET’s

− High−side gate driver

Synchronous buck/boost − 80 V/100 V trench power MOSFET’s or APM

− High−side & low−side gate drive

− Power inductor

Current sense amp − Current sense amplifier

− Shunt resistor

Load−disconnect − 40 V trench power MOSFET’s

− High−side gate driver

@ ¡ステージのに\#するߤ"E†は、ディスクリートMOSFETまたは[˜+

MOSFETパワーモジュールを\うことによって6$できます。@ ¡ステージには、N 9:に 80 V

または

100 V

のトレンチ

MOSFET

デバイスが\#されます。このステージの…な

Z:は、インタリーブされた£ステージの9Mを®のステージと48 Vバッテリから]xす

ることです。£tのb/ ¡には、バックツーバックのスイッチ^}が\#されます。バ ックツーバック^}を`xするのは、‰vを.fの¤Qから]xするためです。これら のMOSFETはフローティングÌでUするため、£デバイスはハイサイドBAMをÄ えたゲートドライバで¨©するJ5があります。これらのデバイスはいったんUすると

™^Mの¤Q$がJ5になるYAZがあります。これは100%オン^M¤QもYAでなけ

ればならないことをします。

バックブーストステージはコンバータのàšEです。£バックブーストステージは、パ ワーインダクタにbされたハーフブリッジ^}の2–のMOSFETデバイスで^}されて います。これらのデバイスはQQ80 Vまたは100 VのトレンチMOSFETです。これらの

MOSFETはハイサイド/ローサイドゲートドライバで¨©するJ5がありますが、«パッ

ケージでもáQパッケージのデュアルドライバ

IC

のいずれでもかまいません。

あるいは､このステージはFigure 5に

wすような;

Qにdeの

"パワーモジュール

(Automotive Power Module、APM)を\って6$することもできます。

Figure 5. Automotive Power Module Based Design

このオンセミの[˜+パワーモジュールには、FŠ´µ、FLE´µ、âãされた

EMIZA、AEC›Œにoäしたdeパッケージでの6lといった0åがあります。この6l

では、@ ¡‰vを\#せず、–々のtの]xにはde ¡‰vを\#できます。

…パワーインダクタは、コンバータの£tのエネルギーをœ˜するようにされていま す。この‰vは、pのfきにžじて、コンバータのコントローラのコマンドにyづき、

J5なエネルギーをどちらかのバッテリにgします。コンバータコントローラは、コン バータのMのpれのfきを{める2つの…スイッチを¨©するためのコマンドをJjしま す。このステージをしくUさせるには、pをžにŸ°して…インダクタのpを

F に æするJ5があります。pセンスアンプは¡¾が¢めてFいになっている

ので、これを#いるのがç:です。

£de ¡ステージにAするパワーߤ"は、ディスクリートMOSFETまたは[˜+

MOSFET

パワーモジュールを\#して6$できます。de ¡ステージには

40 V

のトレン

チMOSFETデバイスを\#します。このステージの…なZ:は、インタリーブされた£t のHMを®のステージと12 Vバッテリから]xすることです。バックツーバックのスイッ チ^}を\#して、@ ¡ステージに6lされているのと”じ]x8Aを6jします。

これによって.f¤QがYAとなり、かつ.f¤Qの£¡もYAになります。また、

これらのデバイスもハイサイドBAMをÄえており、100%オン^MUがYAなゲート ドライバで¨©するJ5があります。

GaNを23したコンバータの,-

サイズと#.のâãにAする5¤がかつてないほどまっている"アプリケーショ ンの˜z、ワイドバンドギャップ(WBG)デバイスをmoシリコンデバイスのmわりに\#

できます。¥+ガリウム

(GaN)

デバイスは、#fとde+のためのWM:なm–†であ るN.、システム!"のコストをF4できるYAZがあります。

GaN

デバイスによりスイッチング‘’を*cにF4できるため、

GaN

を\#したバックコ ンバータでは、mo:なシリコンパワートランジスタに\べéêも=にスイッチングす

ることができます。さらに、GaNトランジスタにはr‰ë‘’がないため、ハードスイッ チング¦§¼の*pスパイクとM‘’がJしません。

de+にえ、スイッチングの=+により、"アプリケーションではìのメリットが ËられるYAZがあります。"ラジオとのí¨を©けるには、540〜1600 kHzのAMラジ オî>Žのスイッチング‚ªrを\#するJ5があります。

JïÑに!"がÏしい«ðñ&ò¬­にzŒするJ5があるため、"アプリケー

ションではEMIをdLに™えることが;Qに5です。QQ、コンバータのスイッチング

‚ªrは、RFラジオ‚ªrよりはるかにFくくなりますが、その ªは¯ºへのí¨を

®こすのに¿]なエネルギーをLóしたまま;Qにい‚ªrまでRがるYAZがありま

す。よりい‚ªrでスイッチングすると、 ªがさらにxれた‚ªrでJするよう なôで、コントローラはGにUできます。これはパルススキッピングや‚ªrホッピ ングなど、q々なl!で~}できます。GaNベース‰vは#がいので、‚ªバック コンバータは

EMI

のjPを¯けやすいアプリケーションにFです。

オンセミは、シリコンカーバイド(SiC)やGaNトランジスタなど、WBGパワーデバイスの

<-:メーカです。これらのデバイスは、mo:なシリコンパワースイッチを\#して¯

Uしたものより、はるかに#のパワーコンバータを6$する›にAžできま す。

まとめ

/

89

くのeマイルドハイブリッドのöに÷い、<-のメーカはこれら のしいトポロジが、øらの!モデルの にプラスのjPをもたらしてくれること に*きなiùをかけています。£ú°は、のグリーンフットプリントfのりみ における£メーカの±ûをŸ°するために\われるú°DE (Corporate Average

Fuel Economy、CAFÉ)とqばれるümで²ýされます。MHEVの³þによるR:なS´

は

48 V

バッテリサブシステムのですが、

12 V

のl†を\いbけるLり

48 V

から

12 V

へのコンバータがJ5になります。

このコンバータfけにはq々なトポロジをç°できます。“.fインタリーブe”iバッ クブーストコンバータのトポロジが、シンプルさと#のためもRく³þしていま す。また、このトポロジはrのインタリーブtでのがYAで、RいU<Sにわた って#でAžできるというGからも`xされています。12 Vのdeは^Mによ って*きく¬し、コンバータが*deで8AするJ5があるとしてもそのy§に™

くとどまることはめったにないため、このは5です。deがuい˜z、コンバータは  ¡スイッチを\って×J5なインタリーブtを4らし､‘’をF4して#を$しま す。

したがって、このコンバータのコストは、48 VバッテリサブシステムをにするS

´であると*えられます。今Üのでは、のシステム^}E†が48 Vバスへ§

jするため、コンバータの容3とコストはF—するYAZがあります。

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