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便利で効率的な充電は、すべてのバッテリ駆動電気自動車（BEV）の達成に不可欠です。充電が可能な場所が増え、より速く充電できるようになれば、購買層は化石燃料車よりもBEVを購入する可能性が高くなります。
しかし、コンパクトで高効率、かつ信頼性の高い急速EV充電器の設計は、決して簡単ではありません。実際の変換回路とは別に、ハードウェアの保護技術が不可欠であり、設計者は複数の「what-if（仮定）」シナリオを分析する必要があります。解決策としては、パッシブRCネットワークで形成したスナバやブロッキング部品などがあります。
図1: オンセミの25kW SiCモジュールをベースとしたシステム
過剰な電圧や電流は常に懸念材料であり、パワー半導体が損傷しないように保護する必要があります。1つの方法は、しきい値とヒステリシスを設定した電圧コンパレータを追加し、過電圧が発生した場合にゲートドライバを遮断することです。
過電流はさらに困難な課題となる可能性があります。しかし、オンセミ(onsemi)のNDC57000は過電流脱飽和保護（DESAT）機能を搭載しているため、BOMと製品コストへの影響を最小限に抑えながらこの問題に対処できます。
図2: ガルバニック絶縁内蔵の絶縁型高電流高効率IGBTゲートドライバ NDC57000
これらのハードウェア保護は、テストやデバッグ中、特に予期しないスイッチングが最も発生しやすい起動段階できわめて重要です。
NDC57000は、SiCパワー・インテグレーテッド・モジュール（PIM）を保護するためにPFCステージで使用されます。機能テストの前に必須であるDESATのトリップ電流の閾値を評価するためのテスト方法について説明します。図3で説明しているように、DCリンクコンデンサを使用して、必要とされる高いピークのトリップ電流を供給し、パルスをゲートに注入してモジュールをオンにし、DESAT保護がトリップできるようにします。
図3: DESAT保護のテスト
このテストの結果、理論値を実際の値と比較し、設計を調整することができます。
メインのデュアルアクティブブリッジ（DAB）DC-DCコンバータにもNDC57000を使用し、電圧降下を利用して電流レベルを監視しています。ただし、このアプローチはデバイス特性の影響を受けやすく、データシートには何らかの情報が記載されていますが、ほとんどの場合、プロトタイプによる検証が必要となります。
図4:PFCステージ（左）、DABステージ（右）
もう1つのアプローチは、プロトタイプに着手する前に、シミュレーションを行い、パラメータをより正確に設定できるようにすることです。これにより、短絡の一次的および二次的な影響を非破壊的にシミュレーションして理解することができます。DESAT保護をディスクリート部品で強化することで、出力電圧が200～1000Vに及ぶDC-DCステージの設計者に、広い動作電圧範囲のソリューションを提供できます。
SiC技術の大きな利点の1つは、高周波で動作可能なことです。しかし、これは、dv/dtのスルーレートが高速になることを意味し、25kW急速充電器の物理レイアウトに影響を及ぼします。レイアウトは、寄生インダクタンス（特に電源トレース）を最小限に抑えるように最適化する必要があります。また、損傷を与えEMIの問題を引き起こす可能性があるオーバーシュートやリンギングを最小限に抑えるために、いくつかのポイントにスナバ回路が必要となります。
図5: EV充電器などのSiCベースの大電力設計ではレイアウトが重要
システムレベルの制御はもう1つの重要な領域です。25kW急速充電器では、PFCとDAB内に複数のクローズドループコントローラを備え、トランスのアクティブフラックスバランシングや1次側から2次側への位相シフトなどのパラメータを制御し、出力電圧と電流を制御します。この場合の1つの課題は、システム全体が不安定にならないように、各ループのゲインを選択することです。
テストには高出力の機器が必要なため、多くの場合、設計者はベンチ上に2つのPFCステージとDABによるループバック構成を構築し、制御された条件下で安全にテストできるようにします。ループバックテストは、量産時のバーンイン段階にも適しています。この場合、被試験デバイスのエネルギーを回収することで製造コストを大幅に削減し、世界の低炭素排出の目標を追求できます。
オンセミは25kW DC急速充電器に関するテクニカルホワイトペーパを作成しました。これは、実際の超急速EV充電器用の25kW急速DC充電モジュールの設計および最も重要なデバッグで直面する課題を詳細に検討したものです。このホワイトペーパには、その過程で学んだ複数のヒントや教訓とともに、使用可能な方法についての実用的なヒントが掲載されています。
25kW SiCモジュールをベースにしたDC急速充電システムの詳細については、こちらでご覧ください。
