SiCモーターコントローラー（インバーター）の開発概要と技術的方向性
ヒント: 情報はインターネットから収集されたもので、学習のみを目的としています。
1。概要
2022 年から 2023 年にかけて、第 3 世代半導体炭化ケイ素が新たなブームに突入します。半導体産業である限り、世界の注目を集めるのは間違いないことは誰もが知っています。今日は、炭化ケイ素プラットフォームの利点と技術的ルートを理解するために、自動車産業を例に挙げます。
2. 電気自動車の電源システムの設計トレンド
高圧、高速
モーターコントローラーはバッテリーエネルギーをトルクと速度の制御に必要な電力に変換する役割を担っており、したがって電気自動車の航続距離、性能、運転体験に影響を与える最大の要素となります。トルクはモーターのサイズに比例しますが、電力はトルクと速度の両方を提供します。出力を一定に保ちながら、モーターのサイズとトルクを小さくしたい場合は、速度を上げる必要があります。これは、特に機械的または電気的な非理想性による損失などの設計の非効率がある場合、出力レベルとトルクが増加するにつれてコンポーネントのサイズが増加するため、課題となります。そのため、モータだけでなく、トラクションインバータ自体の電気系統の小型化も重要になります。
出力レベルを低下させることなく航続距離を延長し、モーターのサイズと重量を削減するには、トラクションモーターは高速 (>30,000rpm) で回転できる必要があります。これには、高速な検出機能と処理機能、および効率的な DC から AC 電圧への変換が必要です。これらの目標を達成するために、トラクション インバータの設計トレンドには、高度な制御アルゴリズムの使用、電力段のスイッチング トランジスタとして SiC MOSFET の採用、800V 高電圧バッテリの使用、高電力密度を達成するための複数のサブシステムの統合などが含まれます。
電流迅速検出
制御ループは、検出された電流がトラクション インバータの各相から絶縁された高精度アンプに戻り、処理のためにマイクロコントローラ (MCU) を通過する経路です。このパスは最終的に信号をトラクション インバーターの制御出力に返します。モーター制御ループを最適化することにより、高速かつ正確なフィードバックが実現され、モーターが速度やトルクの変化に素早く応答できるようになります。図 1 の強調表示された部分は、モーター制御ループを示しています。
トラクションインバータの供給電流と制御電流は、通常、半導体コンポーネントを絶縁することによって絶縁されます。3 つの絶縁されたアンプまたは変調器がシャント抵抗を介してモーター電流を測定し、その信号を MCU のフィールド指向制御 (FOC) アルゴリズムに送ります。モーター速度を上げるには、より高い帯域幅の電流検出フィードバック ループが必要です。これは、同相電流が修正されたインバーター出力をできるだけ早く生成する必要があることを意味します。特にパワー トランジスタのスイッチング周波数 (絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ [IGBT]/SiC MOSFET (図)) が数十 kHz に増加し、制御信号がサイクルごとにパルス幅を変化させる必要があるため、電流検出フィードバック ループの遅延が主な考慮事項となります。サイクルベースでより高い回転速度を実現します。大電流によって発生するノイズもループの信頼性に影響を与える可能性があります。
フィードバック速度とシステムの信頼性を向上させるために、Ti は参考として一連のソリューションを提案しました:「トラクション インバーター – 自動車電動化の原動力」
3. ゲートドライバと駆動電源の構成
MCU と電流検出ループによって生成された制御信号は、バッテリーとモーターの間のリンクであるパワーステージに供給されます。パワー段は、IGBT や SiC MOSFET などのパワー トランジスタの 3 相に接続された大きなコンデンサ バンクによってデカップリングされた高電圧 DC バスで構成されます。パワーステージは、DC 電圧を AC に変換する際の電力損失が最小限である必要があり、バッテリーを効率的に使用して自動車の航続距離を延ばすためにサイズが小さい必要があります。ただし、電圧と電力が高くなるほど
コンポーネントのサイズも必然的に大きくなるため、これは課題です。幸いなことに、関連技術の継続的な進歩により、同じコンポーネントサイズでより高い電力レベルを提供することが可能になりました。
トラクション インバータのサイズに影響を与える 2 つの要素、高電圧トランジスタの種類とバッテリの電圧レベルです。SiC MOSFET は、同じ電圧定格の IGBT よりもスイッチング損失が低く、ダイ サイズが小さいため、一部のエンジニアはトラクション インバータの設計に SiC MOSFET を使用しています。SiC トランジスタが適切に制御されると、インバータのすべての動作条件 (温度、速度、トルクなど) の下で損失が低くなり、信頼性が高くなるため、より長い駆動距離が可能になります。
SiC MOSFET は他のトランジスタと同様に効率が高くなりますが、スイッチング時にある程度の電力損失が発生し、これらの電力損失はトラクション インバータの効率に影響します。図に示すように、スイッチング過渡現象中に電圧エッジと電流エッジが重なり、電力損失が発生します。高いゲート ドライバ出力電流により、SiC FET ゲートの高速充放電が可能になり、電力損失が低くなります。ただし、スイッチング動作は温度、電流、電圧によって変化するため、できるだけ高速にスイッチングすることは
理想的ではありません。SiC FET の急速な電圧遷移 (ドレイン-ソース間電圧 (VDS) と呼ばれる電圧過渡現象 (dv/dt)) は、電圧オーバーシュートや伝導グランド電流の形で電磁妨害 (EMI) を引き起こす可能性があります。モーター自体は、巻線間の静電容量で短絡が発生する可能性があるため、高い dv/dt の影響を受けます。ゲート ドライバー回路は、電力損失とスイッチング過渡現象を制御します。
ゲート抵抗を使用してゲート ドライバの出力ソース電流とシンク電流を制御すると、dv/dt と電力損失の間のトレードオフを最適化できます。図は、温度および電流範囲にわたる SiC MOSFET のスルー レート変化を最適化するために、出力駆動強度を調整できるゲート ドライバの実装を示しています。
調整機能は、EMI と損失の低減を可能にするため、トラクション インバータの性能に利益をもたらし、その結果、効率が向上して走行距離の延長に役立ちます。TI の UCC5870-Q1 および UCC5871-Q1 ゲート ドライバは 30A の駆動強度を備えており、ゲート抵抗の変更と最適化に基づいて調整可能なゲート ドライブ ソリューションを簡単に実装できます。さらに、ガルバニック絶縁と 100kV/µs CMTI を備えているため、高速スイッチング SiC テクノロジーを使用した高電圧アプリケーションでも簡単に使用できます。
バッテリの電圧レベルは、システム内に存在する dv/dt の量にも影響します。これは、設計者が EMI を最小限に抑える必要がある場合や、選択したコンポーネントが同じ電力密度と面積を維持しながらさまざまな絶縁安全基準を満たす必要がある場合にも重要です。課題をもたらします。SiC MOSFET は、小さなダイサイズで 1,200V を超える高降伏電圧をサポートするため、800V 電気自動車バッテリー用途向けの高電力密度ソリューションが可能になります。
電源に絶縁機能と良好なレギュレーション機能が必要な場合、高電圧 SiC MOSFET のゲート電圧要件をサポートすることは非常に困難になります。ゲート電圧の影響は、図に示すように、SiC MOSFET の電流-電圧特性曲線から明確にわかります。ゲート-ソース電圧 (VGS) が高くなると、線形領域の曲線の傾きが大きくなります。傾きが急になるということは、伝導損失を最小限に抑え、熱暴走を避けるためにドレイン-ソース間オン抵抗 (RDS(on)) を下げる必要があることを意味します。
ゲート ドライバに電力と電圧を供給する絶縁バイアス電源は、高速過渡現象中に適切な正のゲート電圧を維持し、SiC FET を安全にオフに保つために負の電圧をサポートできる必要があります。絶縁電源は通常、統合された半導体スイッチング コントローラを備えた変圧器を使用して生成されます。ただし、トランスの複雑な設計は、電気効率と EMI の観点からパワー段の性能に直接影響します。巻線間容量によりコモンモード電流が増加し、EMIの原因となるため、コンデンサは小さいほど良いのですが、サイズ、電圧定格、
効率の間にはトレードオフの関係があるため、設計にはさらに時間がかかります。
UCC14241-Q1 や UCC1420-Q1 などの統合パワー モジュールを使用すると、一次-二次間の絶縁容量を 3.5pF 未満に適切に制御でき、高速スイッチング SiC MOSFET の CMTI を
150V/ns より大きくすることができます。HEV/EV サブシステムの設計は、DC/DC コンバータと組み合わせてトラクション インバータを使用するなど、さらなる統合に向けてますます進んでいます。図に示すように、UCC14241-Q1 は、フライバック コンバータを使用する一般的なバイアス電源ソリューションと比較して、部品表 (BOM) 面積を約 40% 削減します。高さがディスクリートトランス設計よりもはるかに低いため、重心が低くなり、振動耐性が向上します。これらすべての要素は、パワー トランジスタを効率的に駆動するための正しい電圧を提供できると同時に、トラクション インバーター システムの信頼性と寿命に貢献します。
4 結論
電気自動車は、加工からパワー半導体に至るまで、あらゆる分野で技術革新を推進しています。モーター制御とパワートレインの設計は、電気自動車の航続距離と走行性能に直接影響します。高精度の電流センサーとリアルタイム制御を備えたスマート MCU を組み合わせることで、遅延が短縮され、モーター制御ループの精度が向上し、速度とトルクのスムーズな移行が実現します。高調波ひずみの低減により電気効率と航続距離が向上し、モーターの振動も改善され、不快な運転体験の防止に役立ちます。
SiC MOSFET と 800V テクノロジーの使用によって達成される優れたトラクション インバーターの電力密度と効率により、さまざまなパワートレイン機能の統合が可能になり、最終的には 1 充電あたりの走行距離が長くなります。TI の統合半導体テクノロジーの幅広いポートフォリオにより、自動車メーカーや Tier 1 サプライヤーは高性能と低コストを実現する柔軟性が得られます。
Xiaomi Auto の最近の記者会見からは、800V 電気駆動が主流の製品となり、炭化ケイ素市場がますます成熟することがわかります。
