絶縁アンプで電気自動車の高精度な電圧センシングの課題に対応

電気自動車（EV）やハイブリッド電気自動車（HEV）の設計者は、より高い性能、より速い充電、より高い効率という要求に応える必要があります。こうした要求を満たすのに役立つ数多くの電子機能のひとつが、最適な電源制御のための正確な電圧センシングです。

しかし、自動車用途は特に困難です。パワーエレクトロニクスは、極端な温度や適切な絶縁を必要とする高電圧の存在にもかかわらず、何十年にもわたって確実に機能しなければなりません。このような用途向けの電圧センシング回路は、AEC-Q100のような車載規格を満たしながら、高帯域幅、低エラーおよび低ドリフト、高同相モード過渡イミュニティ（CMTI）を提供しなければなりません。これらの要件は、インバータ、DC/DCコンバータ、車載充電器など、EVやHEVの重要な部品に特に関連します。

トランスベースの絶縁アンプは、このような用途に適しています。これらのデバイスには、何十年もの間、過酷な条件にさらされても優れた性能を発揮できるよう、高度な技術が使われています。

この記事では、絶縁アンプの動作原理について説明します。続いて、Analog DevicesのiCoupler技術を使用したトランスベースの例を紹介し、EV/HEV開発における応用の可能性を検討し、設計プロセスの開始に役立つ評価ボードを紹介します。

トランスベースの絶縁アンプの動作原理

絶縁アンプは、入力回路と出力回路を電気的に絶縁する特殊な差動アンプです。この絶縁にはいくつかの方法がありますが、ADuM3195（図1）のようなトランスベースの絶縁アンプは、EV/HEVアプリケーションに特別な恩恵をもたらします。

図 1：ADuM3195絶縁アンプはトランスベースの絶縁を使用します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

トランスベースの設計では、絶縁はトランスカップリングによって実現されます。基本的な動作原理は以下の通りです。

1. 入力信号は高周波のキャリア信号に変換されます。
2. このキャリア信号は、トランスを介して絶縁バリアを越えて伝送されます。
3. トランスの2次側では、キャリアから元信号が復元されます。

トランスには2つの重要な役割があります。入力回路と出力回路の間にガルバニック絶縁を提供し、高電圧の安全な測定を可能にし、敏感な回路を保護します。また、絶縁バリアを越えて直接電気的に接続することなく、信号の伝送を可能にします。

トランスベースの絶縁は、電圧センシング用途に大きな利点をもたらします。これらのアンプは、ノイズの多い電気環境で極めて重大な同相電圧を効果的に除去します。さらに、最新の設計は、多くのパワーエレクトロニクスアプリケーションに適した広帯域幅を実現しています。

絶縁アンプ用プレーナ型マイクロトランスの性能上の利点

Analog Devicesが開発したiCoupler技術は、絶縁アンプ設計の進歩を象徴しています。iCouplerデバイスは、典型的な直径が約0.5ミリメートル（mm）のプレーナ型マイクロトランスを備えており、非常に小型なソリューションを可能にします。また、小型であるため、外部磁界に対する固有の耐性があり、信頼性を高めています。

iCouplerの性能の核となるのはポリイミド絶縁層です（図2）。この絶縁体は、高い熱安定性と機械的安定性を提供し、デバイスの耐久性を高めています。10キロボルト（kV）を超えるサージ電圧に耐えることができ、400Vの二乗平均平方根（V_RMS）で連続運転した場合の長期信頼性を提供します。

図2：iCouplerの性能の核となるのは、高い熱的および機械的安定性を提供するポリイミド絶縁層です。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

iCoupler技術の本質的な特徴は、高周波数で動作する能力であり、最大150メガビット/秒（Mbits/s）のデータ転送をサポートすることです。これは、非常に効率的な信号エンコーディング方法によって達成されています。データは1ナノ秒（ns） のパルスに符号化され、高速データ転送と低消費電力（通常1チャンネルあたり1ミリアンペア（mA）以下）を可能にします（図3）。

図3：高効率のエンコーディング方式により、iCouplerデバイスは150Mbits/sのデータ転送を可能にし、1チャネルあたりの消費電流は通常1mA未満です。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

さらに、iCouplerデバイスは、ノイズを低減し、クリーンな信号伝送を保証する入力グリッチフィルタを内蔵しており、電磁気ノイズの多い車載環境での性能を向上させます。

車載用絶縁アンプの主な特長

iCoupler技術は、ADuM3195WBRQZ絶縁アンプを含むいくつかのデバイスに組み込まれています。このADuM3195のAEC-Q100準拠バージョンは、特に車載環境向けに設計されています。絶縁電圧は3,000V_RMS、出力オフセット電圧は25°Cで±6ミリボルト（mV）（最大）、ゲイン誤差は±0.5%（最大）、帯域幅は210キロヘルツ（kHz）、ゲインドリフトは±27ppm/°C（最大）、オフセットドリフトは-22マイクロボルト/°C（μV/°C）（代表値）です。このデバイスのCMTIは150kV/マイクロ秒（kV/µs）（代表値）、動作温度範囲は-40°C～125°C、ゲイン設定が可能で、16リードのQSOPに収められています。

これらの特長により、ADuM3195WBRQZは、以下のような困難な車載用途における高精度な絶縁電圧測定に適しています。

• バッテリ管理システム（BMS）における電圧監視
• 電源のフィードバックループ
• インバータおよびモータドライブシステム

高精度、広帯域幅、低消費電力、堅牢な絶縁機能により、ADuM3195WBRQZはEV/HEVシステムの電圧センシングに特に効果的なソリューションとなっています。

インバータ、DC/DCコンバータ、車載充電器に必要な絶縁アンプの要件

ADuM3195WBRQZ絶縁アンプは、インバータ、DC/DCコンバータ、車載充電器など、EV/HEV電源システムにおける重要な課題に対応します。

210kHzの帯域幅は、効率的な充電、正確なインバータ制御、DC/DCコンバータの電圧リップルの最小化に不可欠な、5μs以下の応答時間を可能にします。この高帯域幅にはまた、受動部品を小型化できるという効果があり、ワイドバンドギャップデバイスの集積をサポートし、システム全体の効率と電力密度を向上させます。

ADuM3195WBRQZの高インピーダンス入力は測定関連の電力損失を最小化し、コンバータとインバータの動作を安定化します。また、電流の引き込みを減らすことで、補助回路へのストレスが減り、システムの信頼性が向上します。

ADuM3195WBRQZの高い温度耐性により、電気モータ、車載充電器、回生ブレーキシステムなどの熱を発生するコンポーネントの近くに配置することができ、熱暴走の防止、熱サイクルの管理、パワーエレクトロニクスのホットスポットの回避に役立ちます。

さまざまな出力電圧を扱うDC/DCコンバータでは、ADuM3195WBRQZの低いオフセット誤差とオフセットドリフトが、温度変化に対する正確な電圧フィードバックを保証します。この精度は、精密な制御、リップルの低減、駆動系の性能向上に貢献します。

ADuM3195WBRQZの3,000V_RMS絶縁電圧は、高電圧システム（最大400 V）から低電圧電子機器と乗員を保護します。低電圧システム(12/48 V)とのインターフェースを実現しながら、EVバッテリシステムのパワーステージと制御回路間の効果的なノイズ除去を行います。

これらの重要な要件を満たすことにより、ADuM3195WBRQZはEV/HEV電源システムの性能、効率、安全性を向上させます。

ADuM4195は、最大5,000V_RMSの絶縁電圧と最大800Vの低電圧電子機器保護を提供し、高電圧システム要件に対応可能であることは注目に値します。

ADuM3195開発のジャンプスタート

EVAL-ADuM3195EBZ（図 4）は、ADuM3195絶縁アンプの性能特性のテストと評価のために設計された小型の評価ボードです。DCおよびAC測定用に設定可能な絶縁電圧監視ボードです。このボードは、最大1,000V_DC（連続）の入力電圧に対応するようにあらかじめ設定されています。

図 4：EVAL-ADuM3195EBZ評価ボードはADuM3195のセットアップとテスト用に設計されています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

EVAL-ADuM3195EBZ評価ボードの機能により、以下のようないくつかの方法でEV/HEVアプリケーションの開発を迅速に開始することができます。

• 高電圧絶縁および測定：このボードは、最大1,000Vの高DC電圧を安全に測定できるように設計されており、特にEV/HEVバッテリシステムに適しています。これにより、開発者はバッテリパックの電圧を監視したり、BMSで個々のセル電圧を測定したり、高電圧DCバスラインとインターフェースしたりすることができます。
• 設定可能な入力範囲：入力分圧器は、EV/HEVシステムで一般的なさまざまな電圧範囲に対応できるよう調節可能です。たとえば、多くのEVでは400V_DCバスが一般的で、新しいEVアーキテクチャでは800Vシステム、48Vマイルドハイブリッドシステムではより低い電圧範囲が一般的です。
• AC測定機能：モータドライブインバータ出力の監視、AC充電システムの測定、高電圧ラインの電磁干渉（EMI）/ノイズ分析に役立ちます。
• 低消費電力オプション：消費電力を抑えるために、電源ディスエーブル（PDIS）入力は、エネルギーを効率よく使う必要がある場合に内部電源をディスエーブルすることができます。

まとめ

EVやHEVの設計者は、性能と効率の目標を達成するために、さまざまなサブシステムで精密なセンシングを必要としています。AEC-Q100認証を受けたADuM3195WBRQZのようなマイクロトランスベースの絶縁アンプは、この用途に適しており、重要な設計要件を満たす性能、小型化、寿命の融合を提供します。絶縁アンプの評価ボードを使用すれば、設計者は迅速な立ち上げがしやすくなります。