May 23, 2024

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電気自動車(EV)に切り替えるとき、ドライバーにとって最も大きな変化はおそらく燃料補給でしょう。燃料補給はもはやガソリンスタンドに行くことではなく、利用可能な充電ポイントを探すことです。

公共充電器の導入が急速に進んでいますが、多くの人は自宅での充電を希望しています。バッテリを直接充電する DC 電力を供給する多くの高出力公共充電器とは異なり、家庭用充電器は AC 電源を供給します。このAC 電源は、バッテリを充電する前にオンボードチャージャ(OBC)を介して変換する必要があります。

代表的なEVドライブトレインの構造(出典:オンセミ)
図1:代表的なEVドライブトレインの構造(出典:オンセミ)


EV技術の進化に伴ってOBCも進化する必要があります。特に自動車メーカーが400Vから800Vのバッテリアーキテクチャに移行する場合がそうです。消費者需要とバッテリ容量(kWh)の増加も原動力となっています。EVをより速く充電したいという要望のため、OBCの電力容量は初期設計の3.6kWから、送電網がサポートできる場合は7.2kWまたは11kWまで増加しています。


バッテリ電気自動車(BEV)用充電器タイプの分類
図2:バッテリ電気自動車(BEV)用充電器タイプの分類


OBCの主な設計上の考慮事項

OBCの詳細設計に着手する前に、設計者は主要な設計パラメータを把握しておく必要があります。設計パラメータがコンポーネントとトポロジの選択に影響を与えるからです。


ユーザー体験に影響するので、電力レベルの決定が重要な最初のステップです。単純なレベルでは、OBCの出力が高くなるほど、バッテリに電気を供給する時間が短くなります。多くの場合、ユーザーは自宅で他の作業をしている間(あるいは寝ている間!)に車を充電するので、この充電時間はそれほど問題にはなりません。しかし、旅の途中で再充電する場合、充電時間は非常に重要な要素です。レベル2充電器の場合、定格出力は通常約7.2kWまたは11kWです。OBCの電力レベルは、送電網の容量と、最大電流などサーキットブレーカによる制限に合わせて設計されます。230Vの送電網を一例として考えてみましょう。7.2kWのレベル2充電器は、単相設計では最大32Aを消費します。11kWのレベル2充電器は、三相AC入力に最適化されており、各相から最大16Aを消費します。

世界中でEV が販売されていますが、グリッド電圧が北米ではAC110Vであるのに対し、ヨーロッパや中国では AC230V が最も一般的であるなど、各地域で異なるという課題があります。電力業界では車両がどこに出荷されるかに関係なく、単一OBCの使用が可能になる86~264V AC の「ユニバーサル入力」で設計するのが一般的です。

同じ充電ポートを使用して、直流電力を供給する路上急速充電器からEVを充電でき、OBC内部でのAC-DC変換が不要になるので、通常は直流電力を高電圧バッテリに直接流すためのバイパス機能を提供する必要があります。

効率はOBCにとって最も重要なパラメータの一つです。効率が高いということは、一定時間により多くの電気がバッテリに供給されるということです。これにより、特に送電網の各相限界で動作する場合は充電時間が短縮されます。

OBCの効率が100%から遠ざかるほど、ユニット内でより多くの熱が発生します。これは無駄が多いだけでなく、追加冷却も必要なため、スペースの制約上、最新のEVでは困難な場合があります。OBCのサイズと重量が増え、車両が重くなると、バッテリは走行時により多くのエネルギーを消費し、最終的に車両の航続距離が短くなります。

効率向上はすべての電源設計者のテーマであり、 これは複雑かつ多面的な課題です。変換トポロジと制御方式も大きな影響を与えますが、最高の効率を達成するには、コンポーネント(特にMOSFET)の選択が極めて重要です。


OBC設計のパワーステージ

一般的にOBCは、EMIフィルタ、力率補正(PFC)ステージ、一次側と二次側を分離した絶縁型DC-DCコンバータの3つの主要ブロックで構成されます。

代表的なOBC内の主要ステージを示すブロック図(出典:オンセミ)
図3:代表的なOBC内の主要ステージを示すブロック図(出典:オンセミ)


PFCステージはOBCのフロントエンドであり、多くの重要な機能を実行します。まず、入力 AC グリッド電圧を「バス電圧」と呼ぶ DC 電圧に整流します。この電圧もPFCステージによって調整され、グリッドからの入力AC電圧によって異なりますが、多くの場合は400V前後になります。

PFCステージのもう一つの重要な機能は力率の改善です。力率が低いと、「ファンタム電源」という作用によって電気料金が高くなる可能性があるからです。そのため、PFCステージは電圧と電流の波形を同位相に維持しながら、電流波形をできるだけ純粋な正弦波に近づけて全高調波歪み(THD)を低減します。優れたPFCステージは、1に近い力率を返します。

DC-DCコンバータには2つの役割があり、グリッドからの電圧を絶縁し、PFCステージからのバス電圧を400Vまたは 800VタイプのEVバッテリの充電に適した電圧レベルに変換します。

DC-DCの一次ステージはDCバス電圧を「切断」するため、DCバス電圧は一次ステージと二次ステージ間のトランスを通過でき、二次ステージは出力電圧を整流してバッテリの充電に適したレベルに調整します。


結論

効率の高いOBCを設計することは簡単な作業ではありません、特にサイズと性能はEVの動作と全体的なユーザー体験にとって極めて重要です。さまざまな入力電圧に対応し、キロワットの電力を可能な限り効率良く、軽量かつコンパクトな設置面積で変換できる設計でなければなりません。

考慮すべきトポロジと制御スキーム には複数の選択肢があり、選択するコンポーネントは多岐にわたります。これらすべてが最終設計のパフォーマンスを決定します。

多くの設計者は、タスクを簡素化するためにできるだけ少ないソース、理想的には1つのソースからのコンポーネントを使用することを選択します。

オンセミは、完全なOBCパワートレインの設計に使用できる幅広いディスクリートコンポーネントとパワーモジュールを提供しています。


OBCシステムソリューションガイドのダウンロードは、こちら


その他の資料:

https://www.onsemi.jp/design/system-solution-guides

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オンボードチャージャ

Best in class automotive power semiconductors, including EliteSiC MOSFETs, EliteSiC diodes, silicon Super-Junction (SJ) MOSFETs, hybrid IGBTs, and Automotive Power Modules (APMs), enable customers to maximize power density, efficiency, and reliability for their On-Board Charger (OBC) designs. Customers can design OBC power stages that address 3.3 kW up to 22 kW and battery voltages up to 800 V using onsemi solutions.

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Whether it is Power Factor Correction (PFC), primary side DC-DC, or secondary rectification, onsemi provides the best solution to address your system requirements. Our premier automotive product portfolio for OBC covers EliteSiC MOSFETs, EliteSiC diodes, APMs, MOSFETs, IGBTs, gate drivers, In-Vehicle Networking (LIN, CAN, CAN-FD), analog signal chain (OpAmps, current shunt amplifiers, comparators), power supply ICs, System Basis Chips (SBCs) and silicon diodes.