ガソリン車の禁止で進むハイブリッドカーへの移行

みなさんの愛用の自動車が古くなり、新車に買い替える際に検討するのは、別のガソリンエンジン車か、完全電気自動車(EV)、それともその中間の車でしょうか。フルハイブリッドカー(FHEV)、プラグインハイブリッドカー(PHEV)、マイルドハイブリッドカー(MHEV)など、さまざまなハイブリッド車が販売されており、選択肢は数多くあります。多数の中からお気に入りのカフェラテを選ぶようなものかもしれません。

自動車のエンジンは、ガソリンエンジンに始まり、電気モーターにまで発展を遂げています。この劇的な移行の背景となった要因は、厳格化の一途をたどる燃料排出ガス規制に適合する必要があるからです。現在、ガソリンエンジンでは電気モーターの助けをかりてアイドリングストップおよび回生ブレーキを実現していますが、こうした形態は最終的には消えていきます。20年後には、自動車は完全に電動になると予想されます。

2040年頃には、ガソリン車の完全禁止が見込まれます。この移行に伴う有力候補は、48Vマイルドハイブリッド電気自動車(MHEV)です。MHEVは、旧式のガソリンエンジンが比較的低コストで排ガス規制を満たす上で有効です(図1)。

本稿では、MHEVのアーキテクチャを検討し、ロードダンプによる高入力電圧過渡状態に耐え、低EMI、低デューティサイクルおよび高効率で動作しつつ48Vバッテリで機能するバックコンバータを提案します。

  • マイルドハイブリッドカー

    図1. ガソリン燃料の排ガス規制への適合が困難になる中、MEHVは有力な選択肢となっている

48V補助システムを考える

MHEVのベルト型スタータジェネレータ(BSG)は、従来のオルタネータとスタータモーターの代わりに、パワートレインをサポートする単一の部品を使用することによって、より高い効率を実現します(図2)。

  • マイルドハイブリッドカー

    図2. 48V MHEVシステム

制動時には、エネルギーは燃焼エンジンから48Vバッテリへと流れます。エンジンはBSGにトルクを印加し、BSGはそれを受けて発電機として機能します。BSGが生成する電気波形は、IGBTまたはMOSFETの固有ダイオードを通じて3相インバータによって整流され、48Vバッテリを充電するDC電流を生み出します。

スタート/ストップ時には、エネルギーは48VバッテリからBSGへと流れ、BSGはモーターとして機能します。この段階では、BSGは48Vバッテリから3相インバータパワートランジスタを経由して給電されます。DC-DCコンバータが、48Vを16Vに降圧して3相インバータゲートドライバに給電し、BSGに適切なモーションシーケンスが提供されます。

BSGは、スタート/ストップ時にはエンジンを始動させ、トルクを増強して加速性能を向上させ、制動時にはバッテリを充電します。また、48Vバッテリは、ファン、ポンプ、電動パワーステアリングラック、コンプレッサのような補機部品に給電し、スタート/ストップシステムを支援することもできます。48Vバッテリは、1/4の電流で12Vバッテリと同じ電力を供給し、自動車の電気配線の損失、サイズ、および重量を低減することができます。

48Vバッテリ

一例として、MHEV用の1kWh、48V、21Ahのリチウムイオンバッテリを取り上げましょう。「VDA 320 - 48V車載電源の電気・電子部品」の推奨事項によると、このバッテリは36V~52Vの非拘束的な電圧動作範囲を備え、20V~60Vの拘束的な動作モードと最大70Vまでの動的過電圧を許容します。

最大動作電圧(60V)は、人間のオペレータに対して安全な最大許容接触電圧であり、これ以下では、電気ショックの危険を伴う「高電圧」システムには分類されません。

48Vバックコンバータの堅牢性

上で説明したように、48Vバックコンバータは70Vもの高電圧スパイクにさらされる可能性があり、それは電気的ストレスとしては非常に長い40msにもわたって持続する場合があります。

この限度以上で動作すると、バックコンバータは永続的に損傷する可能性があります。したがって、バックコンバータの入力電圧の絶対最大定格は、安全な動作を保証するために、70Vを上回る十分なマージンを確保する必要があります。

低EMI

ECUのパワーマネージメント電子回路は、過酷な車載環境に耐え、電磁干渉(EMI)から保護されている必要があります。したがって、48Vバックコンバータは、EMIに対するCISPR25クラス5の仕様に適合する必要があります。

固定周波数コンバータは、放射妨害波と伝導性放射の両試験におけるスパイクへの対処に有効です。周波数が一定かつ調整可能であるため、設計上、フィルタリングを特定の周波数に集中することでEMI試験をパスしやすくなります。逆に、コンスタントオンタイムアーキテクチャでは通常、周波数が変動するため、優れたEMI性能を確保するのは、はるかに困難です。

フロントエンド48Vバックコンバータ

自動車は何十基もの電子制御ユニット(ECU)を搭載しています。標準的なECUのパワーマネージメントアーキテクチャを図3に示します。48Vは、バッテリの静的および動的電圧状態に耐える堅牢なフロントエンドバックコンバータとやり取りし、さらに16~20Voutによるモーター制御用のさまざまなゲート駆動への給電に役立つと同時に、12Vバッテリが切断された場合はバックアップ電力をMCUに供給します。

  • マイルドハイブリッドカー

    図3. ECUの配電

12V入力と比べて、48Vバックコンバータはスイッチング損失(PSW=1/2CV2f)が大きくなる傾向があります。この問題は、動作周波数(f)を引き下げ、最小特性の高度な微細プロセスの導入と寄生容量(C)を低減することによって緩和することが可能です。

さらに、制御手法は低デューティサイクルの動作に適している必要があります。例えば、16V出力と48V入力ではDC=16/48=0.33.となります。これはバックコンバータのハイサイドトランジスタが33%の時間しか導通しない一方、ローサイドトランジスタは67%の時間を導通するということです。こうした考慮事項は、パワートランジスタのサイズを調整して性能を最適化する上で指針となる場合があります。

集積化ソリューション

Maxim IntegratedのMOSFET内蔵の高効率、高電圧、同期整流ステップダウンDC-DCコンバータIC「MAX20059」は、4.5V~72Vの入力電圧範囲で動作し、絶対最大定格が80Vで、72Vの動作条件に対して8V、バッテリの動的過電圧の推奨条件70Vに対して10Vのマージンを備えています。

このICは、VDA 320の推奨事項に基づいて完全に試験されています。一例として、図4はそうした試験の1つ、VDA 320の推奨条件を上回る次の条件下での過渡過電圧試験を示しています。

  • VIN = 14V~72V
  • VOUT = 12V
  • 0A負荷400kHz、PWM
  • マイルドハイブリッドカー

    図4. 過渡過電圧試験

また、このICはEMIに対するCISPR25クラス5の仕様に基づき、電磁放射に対しても試験されています。一例として、図5は多くのEMI試験の1つ、200MHz~1GHzの対数周期(水平)アンテナを使用して実施した試験を示しています。このICの放射レベルは限度値を大幅に下回っています。

  • マイルドハイブリッドカー

    図5. EMIに対するCISPR25クラス5の仕様に適合

このコンバータは最大1Aの電流を供給します。出力電圧は0.8V~90%VINの範囲で設定可能です。フィードバック電圧レギュレーションの-40℃~+125℃における精度は±1.5%です。このICは、ピーク電流モード制御アーキテクチャを備え、パルス幅変調(PWM)またはパルス周波数変調(PFM)制御方式で動作可能です。このICは、放熱用のエクスポーズドパッドを備えた12ピン側面濡れ性TDFNパッケージ(3mm×3mm)で提供されます。図6は、48Vから16Vへの標準アプリケーション回路を示しています。

  • マイルドハイブリッドカー

    図6. 48Vin/16Vout、スイッチング周波数400kHzのバックコンバータ

高効率

柔軟性を最大限に高めるため、このICは2つの動作モードを備えています。PFMは動作範囲全体にわたって高効率を実現しますが、出力電圧リップルはPWMに比べて大きくなります。PWM動作(図7)はあらゆる負荷で固定周波数動作を実現し、スイッチング周波数の影響を受けやすいアプリケーションに有効です。スイッチング損失はその分、軽負荷時の方が大きくなり、MAX20059は48Vin/16Voutで90%超のピーク効率を達成することができます。

  • マイルドハイブリッドカー

    図7. 48Vin/16Vout、400kHzにおけるバックコンバータの効率

まとめ

車載環境は、大きな変化を遂げています。燃料排出ガス規制が厳格化の一途をたどる中、ガソリンエンジンは衰退の過程にあり、最終的には電気自動車に取って代わられる見通しです。その一方で、48V MHEVなどのハイブリッド実装が普及しつつあります。本稿では、過酷な48V車載環境内で動作する電圧レギュレータについて設計上の課題を明らかにし、入力電圧の静的および動的変動に対する高度な耐性、低EMI、高効率を備えた高電圧フロントエンドバックコンバータについて説明しました。

著者プロフィール

Chintan Parikh
Maxim Integrated

ビジネスマネージメント部門ディレクター
車載パワーマネージメントソリューション担当
サンタクララ大学で技術管理の修士号を取得

George Chen
Maxim Integrated

ビジネスマネージャー
車載パワーマネージメントソリューション担当
アリゾナ州立大学で電気工学の修士号を取得

Nazzareno (Reno) Rossetti
Maxim Integrated
アナログおよびパワーマネージメントの専門家で、当該分野の技術専門書執筆のほか、複数の特許を保有している
イタリアのトリノ工科大学で電気工学の博士号を取得