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TDK TDK Electronics

インバータ用リファレンスデザイン

2016年3月17日

e-モビリティおよび産業機器に向けた先進の統合ソリューション

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インフィニオンテクノロジーズ社はe-モビリティの電気駆動装置や産業用途で使用するインバータの統合ソリューションを開発するためにTDKと協力しています。この設計は開発者による迅速かつ容易なドライブコンセプトの試験や実装を可能にします。

産業用電気駆動装置のほとんどが非同期モータを使用している一方、自動車用駆動装置は永久磁石を使用した同期モータを採用しています。自動車用および産業用の両方で、メーカーはこれらのモータの電圧上昇率の最大許容値(dv/dt)をインバータ端子で約5kV/µsに制限しています(IEC 60034-18-41への対応)。

この制限は巻線の絶縁耐圧から生じます。これらのモータをインバータで駆動する場合、インバータのdv/dtと結びついて巻線の寄生容量が引き起こす高い漏れ電流が発生します。この電流はベアリングのスパークを引き起こし、表面損傷の原因となるので、ベアリングの寿命を大幅に短縮させます。

エネルギー効率を高めるため、インバータ用パワー半導体は4kHzから15kHzの範囲のスイッチング周波数で動作します。その結果、必要となるスルーレートとスイッチング周波数によって、1MHz付近の範囲で高い振幅の高調波を発生させます。これは、たとえば自動車用では、電気駆動装置が車内でのMW受信をほぼ不可能にするなど、特にMWバンド(526.5~1606.5kHz)での重大な妨害を引き起こします。

大幅な改善を実現した新開発HybridPACK™

モータにやさしく、かつEMC(電磁的両立性)を考慮したインバータを開発するために、インフィニオンテクノロジーズ社とTDKは主要コンポーネントを再開発し、それぞれを完全に統合することで、既存のHybridPACK™1の改善を実現しました。705Vの絶縁耐圧をもつ最新世代のIGBT3チップを使用しているほか、以前2つだったDC端子は6つも備えています(図1)。改良されたEPCOS DCリンク用コンデンサと組み合わせることで、DCリンクにおけるESL(等価直列インダクタンス)を一般的な30nHから約15nHまで半減することが可能となりました。それに対応して定格電流(400A)でIGBTをオフにスイッチングしたときに発生する過電圧は、500Vから400Vへと、かなりの量まで低減します(図2)。

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図 1:

HybridPACK1-DC6 IGBTモジュール

新しいHybridPACK1-DC6は705V/400A用に設計されています。DCバスバーの6つの端子によって、この設計は非常に低いインダクタンスとなります。

新たなHybridPACK1-DC6モジュールは、高い電流能力を備えた、より効率的な次世代のIGBT技術向けに設計されています。DCリンク用コンデンサに接続するバスバーとともに、4つの追加DC端子が、HybridPACKモジュールの電流能力を高めます。また、この新モジュールは以前とほぼ同等の外形寸法なので、2つのDC端子をもつ現行HybridPACK1を用いた既存のアプリケーションのパワー能力も、HybridPACK1-DC6で簡単に増強することができます。これは、さまざまなxEVアプリケーション用に優れた拡張性を提供します。

2つのDC端子があるHybridPACK1は、統合バスバーによる非常にコンパクトなデザインを特長としています。この機能は互換性を維持するために新しいHybridPACK1-DC6にも引き継がれました。EPCOS DCリンク用コンデンサに接続する外部バスバーはDC電源電流をよりよく流すため、モジュールのより有効な活用を実現します。図2(右)は400Aの定格電流における内部バスバーを流れる電流を示します。これはEPCOS DCリンク用コンデンサバスバーとモジュールバスバー間の電流の対称的な供給を示しています。

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図 2:

過電圧の大幅な抑制

スイッチング時の電圧スパイクをより抑制することで、IGBTモジュールとモータを保護します

EPCOS DCリンク用コンデンサによるDCリンクのノイズの抑制

さらにDCリンク用コンデンサも新開発しました。この製品(EPCOS B25655P4607J)は、端子がIGBTモジュールのDC端子に正確に取り付けられるように設計されています。インフィニオンテクノロジーズ社のHybridPACKシリーズ用に設計された既存のEPCOSコンデンサを発展させたもので、静電容量は600μF、定格電圧は450V DC、外形寸法は140x72x50mmです。この省スペース設計のベースとなったのは、体積充填率がほぼ1に等しいコンデンサを達成するための積層フィルムを採用したパワーコンデンサチップ(PCC)技術です。最も経済的なタイプとして、470μFの扁平巻回型バージョンもあります(B25655P4477J)。EMCフィルタに直接接続するタイプまたは直接接続しないタイプの両方を用意しています。

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図 3:

省スペースEPCOS DCリンク用コンデンサ

PCC技術により、ほぼ1に等しい体積充填率を達成しています。

非シールドケーブルでも高いEMC性能

TDKは自動車用の電気駆動装置の要求に特化した2線式の高電圧DCフィルタシリーズも開発しました。これらは、UN ECE規則第10号-リビジョン5に対応して、すべてのEMC要求事項の実現を保証します。

EPCOS高電圧DCフィルタP100316*シリーズ(図4)は、最大電圧600V DCとして設計されており、一般的な高電圧バッテリから供給される電圧に対応しています。電流容量は約150A DCあるいは350A DCなので、これは約100kWまでの出力を備えた電気駆動システムをフィルタリングすることができることを意味します。また、DC抵抗はすべてのタイプでわずか0.05mΩなので、大電流の場合でさえ、顕著な損失は発生しないことを意味します。

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図 4:

車載インバータ用EPCOS高電圧DCフィルタ

“バージョンP001接続"は、EPCOS DCリンク用コンデンサに直接接続できるような方法で構成されます。これらは、省スペース設計だけでなく、低インダクタンスや低接触抵抗などの電気的な強みも提供します。

このようにフィルタ効率がきわめて優れているため、バッテリとインバータとの間には、従来のようなシールドケーブルを必要としません(図5)。そのため、コストと重量の点で強みがあるだけでなく、高価で故障しやすいシールド接続の省略が可能になることで高い長期安定性をも保証します。

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図 5:

EPCOS 高電圧 DC EMCフィルタを使用した場合のエミッション

その効果は一目瞭然です。バッテリとインバータとの間に新開発のEMCフィルタを使用することによって、非シールドケーブルを使用しているにもかかわらず伝導妨害を飛躍的に低減できます。

非シールドDCケーブルを使用していても、EPCOS 高電圧 DC EMCフィルタを使用することによって、最大70dB(3000倍に相当)まで伝導妨害を低減します。利点はこれだけにとどまりません。この新フィルタの使用により、個々のシステムコンポーネントに必要となる従来のEMC対策数を大幅に削減できます。

際立った電気的特性に加えて、自動車用途で重要な技術的パラメータである低重量およびコンパクトな外形寸法も、優れた特長となっています。タイプによりますが、これらの外形寸法は通常186 x 65 x 65mmと121 x 52 x 52mmの範囲内となります。一般的なコモンモード除去比の製品バージョンとは別に、150kHzから300kHzまでの広い波長スペクトルにおいて、特に高いフィルタリング効果を示すタイプもご用意しています。

モータ寿命を延長させるEPCOSフェライトコア

インバータの出力においては、急峻なパルスエッジは、モータケーブルの寄生インダクタンスにより、さらに誇張された電圧スパイクを発生させます。不都合な条件の下では、こうした電圧スパイクはモータ巻線を破壊するアーク放電を生じます。

また、インバータのスイッチングは、モータ巻線とハウジング(接地電位)間の寄生容量の負荷により、モータベアリングを介した漏れ電流を発生させ、ついにはスパークを起こします。

このための改善策の1つは、インバータ出力に配線されたモータケーブルにフェライトのリングコアを通すことによって実現されます。dv/dtをより低くすることによって、コモンモードの妨害を確実に抑制するのと同様に、漏れ電流を非クリティカルなレベルまで低減できるので、クラスIからIIIまでの制限を確実に守ることができます(図6)。この目的のために、TDKではさまざまな寸法および材質のフェライトリングコアB64290L*シリーズを提供していますので、特定の周波数範囲および温度に最適化して、どのような電気駆動システムにも対応することができます。とりわけ EPCOS EMCチョークにも使用されているT65、N30、N87などのフェライト材は、この目的に最適です。

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図 6:

コモンモード妨害の減衰

EPCOSフェライトリングコアにより、クラスIからIIIまでの制限を確実に守ることができます。

さらに、インフィニオンテクノロジー社においては、実績あるゲートドライバIC1ED020I12FA2シリーズをベースとして、HybridPACK1 DC6モジュール用の新ドライバボードを開発しました。このドライバボードは効率的なEMC(電磁的両立性)対策を保証し、改良された形状は実装を容易にするメリットをもたらします。したがって、IGBTモジュール、DCリンク用コンデンサ、EMCフィルタ、ゲートドライバで構成され、必要なEMC条件がすべて初めから考慮されている電力出力の初段を形成することができます。

インバータ用電子部品リスト

ID型 / 値注文コードメーカー
IGBTモジュール
HybridPACK1-DC6
705 V / 400 AFS400R07A3E3Infineon
ゲートドライバIC1ED020I12FA2Infineon
DCリンク用コンデンサ470 µF / 450 V
または
380 µF / 450 V
B25655P4477J (積層型)
B25655P4387J (扁平巻回型)
EPCOS
EMCフィルタ600 V / 150 AP100316-P001EPCOS
フェライトコアリングコアB64290* シリーズEPCOS
インダクタコモンモードチョーク
0.7 mH/4 A
B82721A2402N020EPCOS
ゲートドライブ用トランスB78307A2276A003EPCOS
コンデンサMLCC(積層セラ
ミックチップコンデンサ)数点
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