ハイブリッド電気自動車向け48Vシステムの絶縁型CAN電力インターフェイスを簡素化する


今日における自動車の設計は綱渡り的な作業です。

現在の自動車では、ますます厳しくなる排出規格への対応と、増��続けるオンボード・システムや機器への電力供給のために、高電力と同様に高い効率性も求められます。効率と電力をうまく融合させるため、エンジニアは、ハイブリッド電気自動車(HEV)のような、従来のガソリン・エンジンと48V電力動作を結合したシステムをこれまで以上に頼りにするようになっています。この手法により、厳しい二酸化炭素(CO2)排出要件を満たしながら、性能や運転の質を向上させることもできます。

デュアル・バッテリ車載システムについてはこれまでもいろいろ取り上げてきましたが、ここでは、12Vと48Vのシステムを結合した場合に不可欠でありながら、見落とされがちな部分であるガルバニック絶縁に注目したいと思います。ガルバニック絶縁は、グランド・ノイズに対する耐性に活用されると共に、12Vシステムが接続する48Vシステムでグランド・リフトや障害が発生した場合に12Vシステムを保護します。

この記事では、48V車載アプリケーションでの絶縁の必要性について述べてから、CAN(Control Area Network)インターフェイスにより48Vシステムを絶縁する、コンパクトで効率が良く、堅牢で低ノイズの手法について説明します。

48Vバッテリを使用する車両にガルバニック絶縁が必要な理由

48Vバッテリ(通常は、リチウムイオン電池)を使用する車両でも、電子機器や低電力デバイスへの電力供給には従来と同じく12V鉛蓄電池が使われます。この2系統の電源で動作するシステムがお互いに通信できる必要があります。例えば、48Vスタータ・ジェネレータは、12Vバッテリで動作するエンジン・コントローラで制御されます。両システムのグランドは、車のシャーシに接続します。図1で示すように、理論的には、2つのシステムを直接接続することは可能ですが(図1a)、次のような理由からガルバニック絶縁(図1b)がほぼ必ず必要となります。

  • 過渡グランド電位差: 12Vシステムのグランドはボルトを使って車のシャーシに直接接続します。48Vモジュールのグランドはケーブルを使って車のシャーシに接続しますが、このケーブルの長さは数フィートになることがあります。スタータ・ジェネレータやACコンプレッサなどの48Vシステムを流れる大きなスイッチング電流は、グランドのケーブルが持つ誘電的性質と合わさって過渡グランド・ノイズを引き起こすことがあり、このノイズにより3.3Vまたは5Vの低電圧通信信号は簡単に破壊されてしまいます。信頼性が高いデータ転送には、ガルバニック絶縁が必要です。
  • 48V側のグランド・リフト: 場合により、障害時やメンテナンス中に、シャーシに接続するGND_48V(図1a)が切断されることがあります。48Vバッテリに接続されているモジュールへの48V電源は、そのまま維持されます。この状況では、12Vシステムへのインターフェイスを含め、48Vシステムのすべての内部ノードが、48Vにフロートすることがあります。12Vシステムの入力/出力ポートは48Vを扱えるように設計されていない可能性があるため、これは12Vシステムにとって危険です。図1bでは、これと同じ障害状態でも12Vシステムにストレスはかかりません。48Vは、通常は2.5kVのようにかなり高い電圧定格のガルバニック絶縁境界を超えて現れます。
  • 短絡状態: 図1aでは、48Vシステムに何らかの短絡があると、12Vシステムへのインターフェイスに48Vが現れる可能性があります。このような潜在的な危険因子により、車の安全操作に不可欠な回路を含め、12V電源で動作する回路の多くが危険に晒されます。ガルバニック絶縁を施すことで、48Vシステムに短絡があっても車の12V側には波及しません。

1. 12Vシステムと48Vシステムを直接接続した場合と、ガルバニック絶縁で接続した場合

CANインターフェイスを用いた48Vシステムの絶縁

ガルバニック絶縁を施すにはいくつかの方法があり、絶縁境界はシステム内部のさまざまな場所に設置されます。図2は、CANインターフェイスで絶縁する場合によく利用される方法です。CANインターフェイスでの絶縁には、システムのその他の部分で絶縁するのに比べて、使用する絶縁チャネルが最小限で済むという利点があります。つまり、絶縁チャネルが2つで済み、コストと基板面積が削減されます。

2. マイルド・ハイブリッド電気自動車での12V側と48V側の間のガルバニック絶縁の例

絶縁DC/DCコンバータは、絶縁電源VISOを生成し、これにより48Vシステムの部品に電源を供給します。48Vバッテリが完全に放電したとしても、VISOのおかげで、デジタル・アイソレータと48Vシステムの重要な部品の動作に必要な電力が保証されます。VISOは、GND_48Vが切断された場合に48V側を安全な状態にしておくためにも使われます。

現在供給中である新しい統合型の絶縁CANトランシーバおよび絶縁DC/DC電源コントローラを使用すると、48Vシステムの絶縁型CANインターフェイスを簡素化できます。図3は、48Vスタータ・ジェネレータの例です。他にも、DC/DCコンバータ、バッテリ管理システム、ヒーター、エア・コンプレッサなどの48Vシステムに同様の絶縁アーキテクチャを使用することができます。

3. この48Vスタータ・ジェネレータでは、プッシュプル絶縁電源と合わせて絶縁CANトランシーバを使用

TIの『ISO1042-Q1』などのシングルチップに統合された絶縁CANトランシーバは、高電圧ガルバニック絶縁を高性能CANトランシーバと統合し、基板面積を削減すると共にタイミング・パラメータを改善します。CANの観点からは、CANのフレキシブル・データレートを利用して、低いループ遅延とスキューにより高速データ通信を実現します。絶縁することで、伝導および放射干渉への耐性が得られます。冗長絶縁または強化絶縁は、障害状態時に十分に余裕を持った保護を提供します。

同じく図3に示すように、TIの『SN6505-Q1』などのプッシュプル・トランス・ドライバを外部のトランスと共に使用して(10~15Vの範囲の)絶縁電力VISO_HVを生成し、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)ゲート・ドライバに電源供給できます。また、3.3~5Vの範囲の低電圧電力VISOをマイコンと絶縁CANデバイスのデジタル側に電源供給できます。

プッシュプル・トポロジは、交互のクロック位相でオンになるローサイド・スイッチを2つ使用し、センター・タップ付き絶縁トランスを介して継続的に電力を伝送します。このトポロジはフィードフォワード制御を利用し、出力電圧は純粋に変圧比で制御されます。継続的に電力伝達を行うことで他のトポロジに比べてピーク電流がかなり小さくなり、結果としてエミッションが抑制され、効率が向上します。対称形のドライブもトランスの飽和を防止することになり、トランスのサイズをコンパクトにできます。

12V側では、非絶縁DC/DCコンバータまたは降圧回路が5V電源を生成してCANトランシーバに電源供給し、これはプッシュプル絶縁DC/DCコンバータの入力電圧にもなります。事前に降圧回路を使用することで、負荷変動に起因する12Vバッテリ電源の変動の影響を受けにくいシステムになります。また、低い入力電圧(12Vに対して5V)で動作することで、トランスが小型になります。

まとめ

48Vバッテリ電源を使用する自動車では、ガルバニック絶縁を考慮することが非常に重要です。絶縁は、グランド・ノイズに対する耐性に活用されると共に、12Vシステムが接続する48Vシステムでグランド・リフトや障害が発生した場合に12Vシステムを保護します。ハイブリッド電気自動車(HEV)で48V電力を使用するシステムの例として、スタータ・ジェネレータ、電動ターボ・チャージャ、電動ポンプ、エアコン、ヒーター、電動サスペンション、運転支援機能などがあります。統合型の絶縁CANトランシーバは、プッシュプルをベースとした絶縁DC/DC電源と組み合わせることで、48Vシステムを絶縁するためのコンパクトで効率が良く、堅牢で低ノイズの技術を提供します。

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著者紹介

Anant Kamath

テキサス・インスツルメンツ

アイソレーション・プロダクト&インターフェイス部門

システム・エンジニア