マイクロハイブリッド車のDC/DCコンバーターに高出力インダクターと電流検出抵抗を使用する方法～自動車のCO2排出削減を支援するコンポーネントソリューション～ - 半導体事業

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設計アナログディスクリート Bourns

はじめに

CO₂ 排出量を削減するために、車載メーカーは革新的な方法を導入しています。この分野で有望な車両タイプの一つがマイクロハイブリッド車です。マイクロハイブリッド車は、ストップ・スタートシステムと回生ブレーキを使用して、CO₂ 排出量の削減を達成するのに役立ちます。

マイクロハイブリッド用途では、48V の始動モーターは 12V のスターターよりもエンジンを迅速に再始動できます。そのため、多くのマイクロハイブリッド車は 48V のスターター/ジェネレーターを組み合わせて使用しています。これには、発電機の出力電圧を 48V から 12V に効率的に変換してバッテリーを充電するための DC/DC コンバーターが必要です。また、スターターモーターを駆動するために、バッテリー電圧を 12V から 48V に変換するための DC/DC コンバーターも必要です。

高出力インダクターと電流検出抵抗は、電力変換および供給要件に必要な非常に低い DC 抵抗 (R_dc) 特性を提供できるため、車載用途における効率的な DC/DC コンバーター設計にとって重要です。本記事では、コンパクトな形状で高電流レベルに対応するよう設計された Bourns® PQ シリーズの高出力インダクターを使用したマイクロハイブリッド設計を紹介します。また、Bourns® CSS2H シリーズの電流検出抵抗を使用した最適な電流測定ソリューションも含まれています。

ストップ・スタートシステムの基本

回生ブレーキシステムは、車両が惰性走行中、ブレーキをかけている時、または減速している時にのみバッテリーを充電します。加速中は、発動機が駆動系から切り離され、エンジンの全ての力が車輪を駆動するため、燃費の向上と加速性能の向上に寄与します。従来の発動機は、エンジンが動作している間は常にバッテリーを充電します。

ストップ・スタートシステムは、エンジンのアイドリング時間を減らすことで燃料消費とそれに伴う排出ガスを削減するように設計されています。これは、交通量の多い道路や信号機の多い都市部を走行する車両において特に効果的です。

図1：マイクロハイブリッド※Bourns 社より提供

高出力コンバーターの説明

これらのアプリケーションにおける DC/DC コンバーターは高出力で、1 - 3kW の定格です。実装には、マルチフェーズコンバーターを使用するのが最適です。これは、スイッチング損失が少ない (< 500 kHz) ため高効率 (> 90 %) であり、入力および出力のリップル電流が低く、PCB や個々の部品のホットスポットの減少、低出力定格のインダクターおよび電界効果トランジスター (FET) の使用が可能になるためです。

図2：1フェーズあたり 1つのインダクターと電流検出抵抗を備えた 6フェーズ同期型バックブーストコンバーター※Bourns 社より提供

インダクターは全てのスイッチングコンバーターにおけるエネルギーストレージです。蓄えられたエネルギーは次のように計算されます。

\[ E = \frac{1}{2}LI^2 (J) \]

I：インダクター電流
L：インダクタンス

スイッチャー動作中のインダクター電流の変動はリップル電流として知られており、その振幅はインダクタンスの値によって決まります。リップル電流は通常、出力電流の 30% 以下に抑えられ、これにより交流損失およびコア損失が減少します。

\[ V_{I} = L\frac{di}{dt} \]

V_I：インダクターにかかる電圧
di：リップル電流
dt：スイッチング周波数

主要なインダクターの仕様

Bourns®インダクター製品の主要な仕様は I_rms と I_sat です。I_rms はインダクターの温度が 40℃ 上昇する電流であり、I_satはインダクタンスが 10 - 30% 減少する電流です。スイッチングコンバーター内の電流は安定していることはほとんどなく、その変動は過渡現象、スパイク、または急な負荷や供給の変化によるものです。電流が増加するにつれてインダクタンスが低下することは重要な特性です。

これらの問題を解決するために役立つのが、フェライトを使用し、エアギャップを特長とする Bourns® PQ シリーズです。これらの特長により、コアが飽和してインダクタンスが急激に崩壊するまで、電流が増加してもインダクタンスの値を比較的安定に保つことができます。平巻線で設計された AEC-Q200 準拠の PQ シリーズインダクターは、非常に低い DC および AC 抵抗と、100A を超える高い飽和電流処理能力を備えたコンパクトなソリューションを提供します。

図3：PQ シリーズ製品は、150℃ の高い動作温度を提供※Bourns 社より提供

電圧測定の検出

マイクロハイブリッド DC/DC コンバーターのアプリケーション設計において重要な要素の一つは、検出電圧 (V_sense) の測定です。専用の電流検出抵抗にかかる電圧を測定することで、デバイスは入力電流を継続的に検出します。電流検出は、必要な精度のチャンネル電流バランスとフェーズごとの過電流保護を提供します。電流検出抵抗は、他の技術と比較して高い測定精度と比較的低コストのため、人気が高まっています。

インダクター電流を求めるために、次のような式で計算できます。

\[ V_{sense} = I_{o}R_{sense} \]

通常、この種のアプリケーションでは、V_senseは電力を節約し、同時にノイズを上回る十分な電圧レベルを維持するために100 mVに設定されます。例えば、250 Aの平均出力電流を検出するためには、R_senseは100 mV/250 A = 0.4 mΩでなければなりません。

電流によって生成される電圧降下が非常に低いため、誤差電圧を最小限に抑えることが重要です。誤差電圧の原因には、熱起電力 (EMF)、リードの電圧降下およびインダクタンスによる誘導電圧が含まれます。抵抗リードフレーム材料の慎重な選択と厳密なプロセス管理により、誤差電圧を最小限に抑えることができます。

マイクロハイブリッド DC/DC アプリケーションに最適な検出電圧ソリューションは、Bourns® CSS2H 電流検出抵抗です。設計においてエネルギーを節約しながら検出性能を最大化するために、CSS シリーズは広い温度範囲での動作精度と優れた長期安定性を提供する低抵抗温度係数 (TCR) を特長としています (0.0002Ωまで)。拡張された車載温度要件に対応し、広い動作温度範囲 (-55℃ から +170℃)、低熱起電力 (EMF) および最大 120A の高電流処理能力を提供します。

マイクロハイブリッド設計の利点

より効率的なコンバーター設計を確保するために、Bourns® PQ シリーズインダクターは DC 損失を減少させるために必要な非常に低い R_dcを提供します。また、多くの車載アプリケーションの高い動作温度 (150℃) 要件を満たしながら、広範囲の電流にわたって安定したインダクタンスを提供します。その平巻線設計は、特にマイクロハイブリッド車両などの車載用電力変換アプリケーションに適したコンパクトなインダクタンスソリューションを提供します。DC/DCコンバーターの全体的な効率を向上させるために、PQ シリーズインダクターは、フェライトコア構造の低コア損失特性と組み合わせた低電力消費を特長としています。さらに、これらのデバイスは、機械的安定性を高めるために追加のはんだパッドを備えたプラスチックベースに取り付けられています。

Bourns® CSS2H 電流検出抵抗は、高出力アプリケーションにおいて設計者のニーズに応える高精度デバイスの新世代を代表します。マイクロハイブリッド車両の設計において、これらは検出抵抗にかかる電圧降下を監視し、それを電流読み取りに変換して回路の効率的な動作を支援する重要な部品です。

Bourns は、約2,000種類のインダクターを含む広範なポートフォリオを通じて、高周波・高電流のスタートストップ車載アプリケーション向けに強化されたソリューションを提供するリーダーであり続けています。幅広いインダクタンス値の中から、さまざまなインダクターを選択できます。