50～350 kWの充電器
大電力急速EV充電システムの設計
エレクトロモビリティが次第に日常生活の一部となるにつれて、より高効率の充電ソリューションに対するニーズが高まっています。より高い充電能力の急速充電ステーションに対する需要が増加するということです。大電力の公共充電インフラを設置することは、この需要に対応する一助になります。この分野での要件や技術開発を考えると、現在および将来の充電ネットワークのための、スマートな電力変換および電力管理ソリューションに対応することが求められています。
公共充電ステーションに対する需要増加
現在、公共充電ステーションは、1つの設備で最大150kWの電力を供給しています。充電駐車場では、10kV～30kVの中程度の電圧トランスが重要なコンポーネントです。そこでは、1台当たりの最大出力電力350kWという大電力充電器が使われています。この構成では、各充電器に非絶縁トポロジを使用することにより、すべての充電器が同時に最大電力を供給できます。
適切なコンポーネントの選択
理想的なパワー半導体を選択するためには、充電器の電力レベルを知ることが重要です。最終的に適切なデバイスを選択できるかどうかは、この要因によって決まります。50kWを超える電力範囲の充電器は、一般的に、インフィニオンのIGBT、CoolSiC™ MOSFET、ダイオードパワーモジュールを使います。たとえば、CoolSiC™ Easyモジュール、IGBT EconoPACK™および IGBT EconoDUAL™ファミリーです。100kWを超える電力範囲の充電器は、50～100kWのサブユニットをスタックして構成します。
インフィニオンの高品質なパワースイッチのポートフォリオは、整流ダイオードモジュールとシームレスに動作します。スイッチにはドライバが必要であり、ドライバは制御する必要があります。したがって、インフィニオンは、EV充電の設計に最適なEiceDRIVER™とあわせて、XMC™およびAURIX™マイクロコントローラを提供しています。またデータ保護とセキュリティを確保するにはインフィニオンのOPTIGA™製品をご覧ください。
技術トレンド
大電力充電器の目的は、電気自動車が内燃機関自動車に対抗できるように、充電時間を短縮することです。充電インフラの構成には2通りあります。1次側ACでの絶縁、2次側DCでの絶縁、のいずれかを選びます。
1次側ACでの絶縁
充電駐車場の場合、全体の電力容量が2～3MWだとすると、実績によれば、6～8台の大電力充電ステーションを設置可能です。電源は、一般的には、22kV～500Vの中型電圧トランスから供給されて、システムのAC側で絶縁しています。次に、ACからDCへの変換段があります。ここでは、アクティブ整流器を使う場合と、使わない場合があります。マルチパルスのパッシブ整流も一つの選択肢です。この場合、5～7%の入力電流高調波という要件を実現可能です。きわめて効率の高いMW電圧トランス（約99%）を使えば、全体システムの複雑度を低減することができます。1次側で絶縁すれば、設計者は、DC-DC変換段で非絶縁DC-DCコンバータトポロジを採用するという自由度が得られます。通常は、この構成の場合、DCコンバータブロックを使った多相バックコンバータが適しています。
2次側DCでの絶縁
もう一つのインフラ構成では、スタンドアローンアプリケーション用の50kWまたは100kWのサブユニットをスタックして、最大350kWまで得られるようにします。
EMIフィルタの次にAC-DCシステムが置かれます。これは、ACをDC電圧に変換するもので、通常は制御整流器を使います。DC-DC変換段は、2つのシステムとして示してあります。絶縁トランスの1次側は、DC電圧から高周波AC電圧への変換、そして2次側は、高周波ACからDC電圧への変換です。
この電力範囲で一般的な方法は、ディスクリートデバイスではなく、パワーモジュールを使うことです。AC-DC変換にVienna整流器を使う場合でも、また、AFEを使う場合でも、通常の約20kHzでの動作であれば、EconoPACK™およびEconoDUAL™を採用したIGBTベースのソリューションが最適です。CoolSiC™ Easyモジュールを利用すれば、AC-DC変換段は、約40～50kHzでの動作が可能です。
システム回路図：50～350kWのEV充電器
IPOSIMは、インフィニオンパワーモジュールおよびディスクデバイスの損失計算および熱計算用の、使いやすく、しかも高度なオンラインシミュレーションツールです。
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