By Karol Rendek, Stefan Kosterec
DC急速充電器（DCFC）市場は活況を呈しています。電気自動車（EV）への採用加速に伴い、急速充電インフラの需要も高まっています。今後5年間の成長は、年平均率で20％～30％の範囲と予測されています。パワーエレクトロニクス分野のアプリケーションエンジニア、プロダクトエンジニア、デザインエンジニアであれば、遅かれ早かれ、このような新しい充電システムの設計に携わることがあるかもしれません。
特に初めてこのような課題に直面した場合、根本的な疑問が生じることもあるでしょう。どこからどのように手を付けたらいいのか？重要な設計上の検討事項は何か? それらにどのように対処すべきか? オンセミは、SiCパワー統合モジュール（PIM）ベースの25 kW DC急速充電器を開発してこれを示し、設計者が直面する課題への対処を支援します。
このタイプの高出力バッテリ充電器の開発には、さまざまなスキルセットが必要です。オンセミの専門チームはこの設計のプロジェクトコーディネーションを主導し、ハードウェア開発に関連するすべての活動を請け負うことになりました。私たちのチームは、ファームウェアとソフトウェアを開発しました。このチームは、電力変換器およびモータドライブの制御とアルゴリズムに関して1年間の開発を経験しました。
ここでは、DC充電器の開発プロセスを順を追って説明し、その過程で各種のトピックを扱います。主要な課題、トレードオフ、妥協点を明らかにし、このようなシステムをゼロから設計、構築、検証する方法を紹介します。私たちは、設計の旅が直線的でないことを知っています。そして、前進するための最良の方法は、実行してすばやく反復することです。
DC急速充電器−製作しているもの
eモビリティエコシステムでは、低速の交流（AC）充電器とは対照的に、直流（DC）充電器が「高速」および「超高速」充電機能を提供します。基本的に、EV 充電器は電力系統からのAC電力をEVのバッテリに最適なDC電力に変換します。DC充電での電力変換は、EVの外部（「オフボード」）で処理され、50 kW未満から 350 kW （さらに高レベルも開発中）を超える範囲の電力レベルで車両に供給されます。高出力のDC充電器は通常、モジュール式となっており、15～75 kW（およびそれ以上）の電源ブロックが1つのキャビネットに積み重ねられます（Figure 1）。一般に、DC 充電器の出力電圧は150 Vから1000V以上の範囲にあり、400 Vおよび800 Vの標準的なEVバッテリレベルをカバーしており、より高い電圧またはより低い電圧範囲に合わせて最適化することができます。
このようなパワーブロックのアーキテクチャは次のとおりです。フロントエンドに力率補正（PFC）を備えたAC-DCブーストコンバータと、その後にグリッドと負荷（EVのバッテリ）間に絶縁を提供し、出力の電圧と電流を調整するDC-DCステージが続きます（Figure 2）。システムは双方向（特に低消費電力）の場合もあるため、トポロジと設計でそれを考慮する必要があります。
オンセミチームは、双方向機能を持つ25 kWのDC充電器を開発しています。このシステムは広い出力電圧範囲をカバーし、400Vと800Vの両方のバッテリでEVを充電でき、より高い電圧レベルに最適化されています。入力電圧は、EU 400 VacおよびUS 480 Vac三相グリッド用に定格が規定されています。電力ステージは、500 V～1000 Vの電圧範囲で25 kWを供給します。500 V未満では、出力電流は50 Aに制限され、CCSやCHAdeMOなどのDC充電規格のプロファイルに合わせて電力が低下します（Figure 3）。
通信ポートに関しては、ボードは外部インタフェース（電源ブロック、充電器システムコントローラ、車両、サービス、およびメンテナンスの間）用に絶縁された CAN、USB、および UARTインフラストラクチャを提供します。全体として、EV充電のためのIEC-61851-1およびIEC-61851-23規格のガイドラインに沿った設計とします。下表はシステム要件をまとめたものです。
開発プロセス
私たちのチームは、電力変換のハードウェア開発プロセスのロジックに従っています。作業は、アプリケーション要件に基づいて、実際のDC充電器の電力ステージを定義することから始まります。実際のケースを表にまとめると、これらは市場のニーズに基づき、IEC-68515のガイドラインに従っています。これらの要件は、チームが目標を理解するのに役立ちます。最初のフィジビリティスタディは、ハードウェア、ソフトウェア、熱管理と機械設計、プロトタイピング、および検証を含む（このプロジェクトの範囲で）システム設計の一部として統合された初期の要件と仮定の検証に役立ちます。フィジビリティスタディでは、重要なシステム変数や、ソリューションのための最も重要な妥協点およびトレードオフがすべて検討されます。これらのタスクとサブ設計は複数の反復によって実行され、出力と仮定がある部分から別の部分にフィードバックされます。前進するために重要な出力を供給する主な設計活動は次の2つです。
電力シミュレーションは、動作電圧や電流、損失、冷却要件、電力の選択、受動部品などに関する仮定を確認するために非常に重要です。実行計画が準備できたら、電力パラメータを含む制御シミュレーションを実行して、制御ループが電力設計で有効に実行されることを確認します。設計に電力および制御シミュレーションを適用することで、回路図作成、PCBレイアウト、およびプロトタイプの製造にゴーサインが与えられますボードの開発後、ハードウェアの起動、機能テスト、およびシステムの特性評価を実施しました。考察：25 kW DC電気自動車用急速充電モジュールの開発を参照してください。本リファレンスデザインでは、以下に詳述する設計プロセスの概要を簡単に紹介しています。最も価値のあることは、課題や問題点を解決していく中で浮かび上がってくるでしょう（*詳細については、「シリコンカーバイド（SiC）ベースのDC急速充電システムの設計」の4つのウェビナシリーズをご覧ください）。
以降のトピックス
このリファレンスデザインシリーズの以降のパートでは、設計と検証ステージのいくつかを詳しく見ていきます。引き続き、リファレンスデザインシリーズをご覧ください。
25 kW SiCベース急速DC充電器またはこのリファレンスデザインシリーズについて質問がある場合は、テクニカルサポートにお問い合わせください。
カロル・レンデック（Karol Rendek）は、オンセミのシステムエンジニアリングセンターでアプリケーションマネージャーを務めています。2020年にオンセミに入社する以前は、ハードウェアエンジニア、システムエンジニア、プロジェクトマネージャとして、組込みシステム、クラスDアンプ、鉄道車両制御・安全システム、産業用電気自動車の充電器の開発などに9年間携わりました。ブラティスラヴァのスロバキア工科大学でマイクロエレクトロニクスの修士号と博士号を取得しています。博士課程では3年間、GaN HEMTトランジスタの低周波ノイズ解析の研究に注力しました。
ステファン・コステレック（Stefan Kosterec）は、オンセミのシステムエンジニアリングセンターでアプリケーションエンジニアを務めています。スロバキア工科大学トルナヴァ校の材料科学技術学部で応用情報学の修士号を取得しており、2013年にオンセミに入社しました。それ以前は、シーメンスPSEにASIC/FPGA設計者として8年間在籍し、通信、電力変換、モータ制御など、さまざまな分野を対象としたデジタルソリューションの開発に携わりました。また、Vacuumschmelze社で2年間、誘導部品の設計を担当し、Emerson Energy Systems社ではプロダクトインテグリティエンジニアとして、通信用電源システムの検証を担当しました。
