はじめに

BMW、日産自動車、テスラなどの企業が有能な自動車を販売しており、自動車の電気牽引へのシフトは順調に進んでいます。このような自動車の利点は、使用時の汚染の低減や運転コストの低減などですが、発電・配電網への負担は増える一方です。短期的には、電力会社は発電容量を増やしたり、送電網を強化したりすることで需要の増加に対応しています。しかし、中期的には、電気自動車の大規模なコホートに搭載されている分散型蓄電能力によって、グリッドのスマート化が可能になり、予備のバッテリー容量をグリッドの需給バランスを改善するために利用できるようになる可能性があります。しかし、それが実現する前に、効率的な新世代の車載充電器を構築する必要があります。

より良い充電回路の構築

電力網は交流電流(AC)としてエネルギーを分配しますが、電池は直流(DC)としてエネルギーを蓄えて放出します。2つのエネルギー供給形態の間で変換するには、ハーフブリッジおよびフルブリッジ整流器や「トーテムポール」構成などの回路トポロジーを使用する必要があります。車載充電器の充電時間要件と効率要件を満たすためには、力率改善(PFC)回路を実装して、バッテリーとの間で最も効果的にエネルギーを伝達できるようにする必要があります。

力率改善の進化

スイッチモードAC-DCコンバーターは、主電源電圧を整流し、その結果として生じる高電圧DCを高周波でチョップし、変圧器で低電圧に変換することができます。コンバーターで使用されるバルクDC平滑コンデンサーは、主電源電圧のピーク時にのみ電荷を「補充」されるため、主電源からの電流は、正弦波とは程遠いです。その結果、力率が悪くなり、コンバーター回路は主電源から効率的に駆動することが難しくなります。これらのコンバーターに50または60Hzのインダクターを直列に配置すると、損失の増加と回路基板の大型化(インダクタは大きくなる可能性があります)を犠牲にして、簡単なPFCを提供しています。

この問題を解決するための標準的な代替アプローチは、整流された主電源電圧を受け取り、ライン電流が正弦波になるように制御しながら、一定のDCレベルに昇圧するアクティブ・スイッチング回路を使用することです(図1の上部を参照)。このアプローチは、高出力で損失をもたらす可能性があります - 回路トポロジーは、電流経路に3つのダイオード(D1、D4、D5またはD2、D3、D5 - 主電源の極性に応じて)を配置し、それぞれが電圧を低下させ、エネルギーを散逸させます。

ダイオードをMOSFETに置き換える

D5 を Q1 と同様のスイッチに置き換えると、Q1 と Q2 が昇圧スイッチと同期整流器として機能するように回路を単純化でき、主電源の極性が交互に入れ替わるようになります(図 1 の中央を参照)。これでダイオードが1つとなり、スイッチのドレイン-ソース間抵抗が電流と直列になるだけで、導通損失が削減されます。最後のステップは、図1の下に示すように、D1とD2を同期スイッチに置き換えることで、効率をさらに向上させます。

PFC回路の進化
図1 PFC回路の進化

ボディーダイオードの挙動の影響を管理する

回路設計にはいつものように、落とし穴があります。回路が壊滅的な「シュートスルー」電流を発生させないように、Q1とQ2はどちらも導通しない「デッドタイム」を常に持たなければなりません。このデッドタイムの間、整流器として機能するMOSFETの固有のボディーダイオード(スイッチングサイクルの位相に応じてQ1またはQ2のいずれか)が全出力電流を導通させます。次のスイッチングサイクルで逆バイアスをかけると、大きな逆戻り電流が流れ、電力損失や電磁干渉の原因となり、効率の向上が打ち消されてしまいます。高耐圧のMOSFETは、特にボディーダイオードの逆回復特性が悪いため、高耐圧ではブリッジレスのトーテムポール回路はあまり使われていません。

ワイドバンドギャップスイッチの適用

ワイドバンドギャップスイッチの利用可能性により、新しい回路の選択が可能になっています。SiC MOSFETは、低チャネル伝導損失、高速、高速ボディダイオードを約束します。しかし、ダイオードの順方向電圧は2.5~3Vとなり、高い導通損失につながります。また、デバイスのキャパシタンスに蓄積されるエネルギー(EOSS)は、通常、等価なSi MOSFETの2倍の値であり、これがスイッチング損失を増加させている。ボディーダイオードを持たないため、エンハンスメントモードGaNデバイスを使用している設計者もいる。しかし、正規化されたダイ面積とオン抵抗RDSAの比は、SiC MOSFETの2倍である。また、アバランシェ定格や短絡定格がないため、実用上の信頼性が懸念されます。また、SiC MOSFETもエンハンスメントモードGaN半導体も、信頼性と効率の高い動作を実現するためには、ゲート駆動電圧が重要となります。

SiCカスコードのオプション

ワイド・バンドギャップ・デバイスの利点を活用する方法の1つとして、SiCキャスコードを使用する方法があります。これは、高電圧SiC JFETと高性能低電圧Si MOSFETを1つのパッケージに収めたものです。これらのデバイスは、アバランシェ定格と短絡定格が定義されたノーマリーオフデバイスです。これらのデバイスは、入力、出力、ミラー容量が極めて低く、蓄積エネルギー定格が低いため、スイッチング損失が低く、これらはすべてその小さなダイサイズに起因しています。SiCカスケードのオン抵抗に対する正規化ダイサイズの比率は、エンハンスメントモードGaNまたはSiC MOSFETの約3~4倍、SiスーパージャンクションMOSFETの約10倍となっています。

SiCカソード配置のSi MOSFETは、ボディーダイオードを導入していますが、低電圧MOSFETであるため、ダイオードの動作が非常に速く、低逆回復電流・低損失化が可能である。図2は、650VのUnitedSiC UJC06505Tと650VのIPP65R045C7シリコン超接合MOSFETの回復特性を比較したもので、回復電荷に約60倍の差があることを示しています。

SiCカソードとSi MOSFETの逆回復特性の比較
図2. SiCカソードとSi MOSFETの逆回復特性の比較

SiCカスコードは駆動も容易で、動作レベルは通常0~12V、絶対最大値は+/-25Vとなっています。

実際のSiCカスコード

回路トポロジーやデバイス特性を心ゆくまで探求することはできますが、ターゲットとするアプリケーションである電気自動車の車載充電器において、SiCカスコードはどの程度優れているのでしょうか。

これを評価する1つの方法は、完全なコンバーターが80PLUSチタン効率基準を満たしているかどうかを見ることです。この規格では、コンバーターは高負荷時と半負荷時で96%以上の効率が要求されています。この基準を満たすためには、主変換段の効率が97.5%という厳しい条件をクリアした場合、PFC段の効率は98.5%を超えなければなりません。100kHzで動作するUJC06505K SiCカスコードを使用するUnitedSiCの1.5kWデモボードは、この要件をある程度余裕を持って満たすことができることが判明しました(図3に示されています)。

SiCカスコードとトーテムポールPFCを用いて高変換効率を実現
図3:SiCカスコードとトーテムポールPFCを用いて高変換効率を実現

EV充電器による双方向グリッドの実現

つまり、電気自動車の台頭により、電力網が広く分散した多数の蓄電ユニット(すなわち自動車のバッテリー)を利用して、電力のシンクとソースの両方を行う機会が生まれようとしています。

これを現実のものにするには想像力が必要で、どちらの方向へのエネルギー移動もサポートできる車載充電器が必要です。上で説明したトーテムポールPFCステージは、これを可能にします。図1の下段の回路図をもう一度見て、DCバスが電源、ACライン接続が負荷と考えれば、MOSFETを適切に駆動すれば、DCバッテリーの電力をAC電源に戻すハーフブリッジインバーター回路になります

電気自動車の普及に伴い、PFCにSiCキャスコードを使用することで、車載充電器の効率が向上します。また、その堅牢性と適応性から、電力網自体の容量や効率の向上にも利用される可能性があります。

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