48VマイルドHVにガルバニック絶縁が必要な理由：電源システム解説（2/2 ページ）

[Anant Kamath（Texas Instruments），MONOist]

CANインタフェースを用いた48Vシステムの絶縁

　ガルバニック絶縁を施すには幾つかの方法があり、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インタフェースで絶縁する場合によく利用される方法です。CANインタフェースでの絶縁には、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。

図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コンバーターは、絶縁電源V_ISO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バッテリーが完全に放電したとしても、V_ISOのおかげで、デジタルアイソレーターと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。V_ISO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。

　ここで統合型の絶縁CANトランシーバーおよび絶縁DC-DC電源コントローラーを使用すると、48Vシステムの絶縁型CANインタフェースを簡素化できます。図3は、48Vスタータージェネレーターの例です。他にも、DC-DCコンバーター、バッテリー管理システム、ヒーター、エアコンプレッサーなどの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。

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

　シングルチップに統合された絶縁CANトランシーバーは、高電圧ガルバニック絶縁を高性能CANトランシーバーと統合し、基板面積を削減するとともにタイミングパラメータを改善します。CANの機能という観点では、CAN FD（Flexible Data Rate）を利用すれば、より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できます。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、プッシュプルトランスドライバを外部のトランスとともに使用し、10〜15Vの範囲の絶縁電力V_ISO_HVを生成し、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V_ISO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ーは、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。このトポロジー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ー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コンバーターまたは降圧回路が5V電源を生成してCANトランシーバーに電源供給し、これはプッシュプル絶縁DC-DCコンバーター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バッテリー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バッテリー電源を使用する自動車では、ガルバニック絶縁の採用を検討することが非常に重要です。絶縁は、グラウンドノイズに対する耐性に活用されるとともに、12Vシステムが接続する48Vシステムでグラウ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。HEVで48V電力を使用するシステムの例として、スタータージェネレーター、電動ターボチャージャー、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トランシーバーは、プッシュプルをベースとした絶縁DC-DC電源コントローラー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。

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