Slide 1: 産業機器、再生可能エネルギーおよびEV用エコシステム向け絶縁電源ソリューション
産業機器、再生可能エネルギーおよび EV用エコシステム向け絶縁電源ソリューション 2024年11月 岡野 力 FAE MPSジャパン rev 20180504
Slide 2: トピック
トピック • 再生可能エネルギーを使用したアプリケーションの台頭 • EVおよびDC高速充電システムの概要 • フライバックに対するLLCトポロジーの利点 • 絶縁型ゲートドライバおよび電源モジュールの概要 • デジタルアイソレータ
Slide 3: グリーンエネルギーの台頭
グリーンエネルギーの台頭 • 脱炭素化は再生可能エネルギーインフラに大 転換を促す 充電ステーション / エネルギー貯蔵 • ソーラーインバータ • DC充電ステーション • 電気自動車 • エネルギー貯蔵 • 多くのシステムが400V / 800Vに移行中。 効率と電力密度を最大化するSiCの需要が高 AC/DC変換 グリッドソーラーイン オフライン / オンライン バータ用バッテリー まっている UPS ソーラーオプティマイザ • SiCやIGBT MOSFETをバイアスするため、 ソフトスイッチングトポロジーが使用されて いる • より高い絶縁性 • より小型のソリューション オンボード
Slide 4: EVの販売台数が急増
EVの販売台数が急増 BEV / PHEV 世界での販売見通し 2018–2026 40 用途別 35 34.0 30 ~30% 26.5 5x OBC, DCDC, インバータ 25 BMS, Aux 百万 21.0 PHEV / 20 BEV 14.5 15 10.5 ~70% 10 6.8 5 3.2 2.1 2.3 - 2018 2019 2020 2021 2022 2023* 2024* 2025* 2026* *2023–2026 are projections
Slide 5: 電気自動車のシステム
電気自動車のシステム バッテリーマネジメントシステム バッテリーの経年劣化、充電状態、 車両バッテリーのセルバランスを管理 オンボードチャージャと DC/DCコンバータ オンボードチャージャは、ACチャージャを使用 トラクション・インバータ する際にAC電圧をDC電圧に変換するために使 高電圧バッテリーからのエネル 用。DC/DCコンバータは、車両のサブシステム ギーを変換して電気モータを駆動 に電力を供給する際、高電圧バッテリーを48V / すると同時に、回生ブレーキから 12Vに変換するために使用 エネルギーを回収
Slide 6: DC高速充電システム
DC高速充電システム DC高速充電ステーション • 3相交流電圧を250V～800Vの DC電圧に変換 • 350kW以上の出力を得るために、 右側のサブユニットを搭載 • 力率改善 (PFC) ステージは、 3相AC電圧を中間DC電圧に変換 • 二次ステージは、中間DC電圧を 目標とするバッテリー充電電圧 に変換
Slide 7: 絶縁型ゲートドライバ / 電源ICロードマップ
絶縁型ゲートドライバ / 電源ICロードマップ MP18811 MP1918 MID1W2424 MID3W2424 100V ハーフブリッジGaNド 1.5W 絶縁型電源モジュール、 3W 絶縁型電源モジュール、 4A/4A、3kVRMS ライバ、3.6VCC～5.5VCC、 5kVRMS、24VIN～24VOUT、 3kVRMS、24VIN～24VOUT、 50ns(±5ns)の伝搬遅延 10ns伝搬遅延、 トランス内蔵、 トランス内蔵、 CMTI >100kV/µs CH間の遅延ずれ1.5ns SOIC16-WB LGA (10mm x 10mm) シングル チャネル MP1907A M
Slide 8: MPQ18913 / 4 – 絶縁バイアス電源用LLCトランスドライバ
MPQ18913 / 4 – 絶縁バイアス電源用、30V、0.5A、LLCトランスドライバ 特⾧ • 5V～30Vの入力電圧範囲 (50Vサージ) • 絶縁型LLC共振コンバータ用のハーフブリッジ・トランスドライバ • 周波数調整可能: 750kHz～5MHz (MPQ18913) または 24V 750kHz～ 10MHz (MPQ18914) +20V +20V C1 • スイッチング同期のための外部クロック入力 4.7uF EN/ SYNC VIN C5 D1 R2 C2 自動共振周波数検知 C6 • FLT BST 0.1uF TX1 2.2uF 4.7k 4.7uF DET SW •
Slide 9: MPQ18913 評価ボード
MPQ18913 評価ボード 24VIN, 24VOUT、1.33MHz VIN=26.4V EVQ18913-D-00A 評価ボード
Slide 10: MID1W2424A – 1.5W 24V 絶縁型モジュール
MID1W2424A – 1.5W 24V 絶縁型モジュール 特⾧ MID1W2424A FLT NC +18V • 5V～30Vの入力電圧動作範囲 (50Vサージ) D1 C2 EN SW2 • 3kVRMS、5kVRMS絶縁電圧オプション VIN VI N SW1 Cr RL • 1.5W出力電力オプション C1 GND1 GND1 NC D2 C3 -3V • トランス内蔵 GND2 • フル負荷で60%の効率 • 100kV/µs CMTI • 8pFの絶縁容量 MID1W2424A • ソフトスタート, 過電流保護 (OCP) 、入力過電圧保護 (OVP) 、 約10 x 10mm
Slide 11: PCBフットプリント分析 – 絶縁型バイアス電源
PCBフットプリント分析 – 絶縁型バイアス電源 MPSのソリューション 他社のフライバックソリューション 17.8mm 27.5mm Flyback Converter ソリューションサイズ: 109mm2 ソリューションサイズ: 180mm2 総面積: 196mm2 総面積: 275mm2 部品数: 21 40%も 部品数: 26 小さな サイズ!
Slide 12: MPQ18913 vs. フライバックのBOMコスト分析
MPQ18913 vs. フライバックのBOMコスト分析 MPQ18913 PSRフライバック 46% LLC共振トポロジー コンバータトポロジー も低い 高電圧コンデンサ 11.6µF (= $0.12) 4.7µF + 0.1µF (= $0.05) BOM 低電圧コンデンサ 2µF (= $0.01) 64µF + 47nF (= $0.32) コストを 実現! ショットキーダイオード 2 (= $0.08) 1 (= $0.04) ツェナーダイオード 0 3 (= $0.12) スイッチングダイオード 0 1 (= $0.04) 抵抗 2 (= $0.02) 3 (= $0.03) ト
Slide 13: MPQ18913 vs. MID1W2424 BOMサイズ比較
MPQ18913 vs. MID1W2424 BOMサイズ比較 ディスクリート・ソリューション モジュール・ソリューション MPQ18913 MID1W2424 低電圧側PCB面積サイズ 25mm2 120mm2 トランスサイズ 7mmx9mm = 63mm2 N/A 高電圧側PCB面積サイズ 30mm2 30mm2 総面積 120mm2 150mm2 最大高さ 9mm 2.65mm • トランスの高さは7.1mmの沿面要件によって推定 • ディスクリート・ソリューションは63mm2のトランスのためより小さい • モジュール・ソリューションの主な利点はトランスを内蔵することによる全体の高さ要件
Slide 14: MPQ18913 vs. フライバックトポロジー
MPQ18913 vs. フライバックトポロジー MPQ18913 / 4 他社のPSR LLC共振トポロジー フライバックトポロジー スイッチング周波数 高い (最大10MHz) 低い (400kHz未満) トランスサイズ 13µH (11mm x 6mm) 30µH (10mm x 10mm) 共振タンクの一部として漏れイン 漏れインダクタンスが電圧スパイ 漏れインダクタンス ダクタンスを利用 クと余分な損失を引き起こす 絶縁電圧 高い (最大5kV) 低い (1.5kV) 絶縁容量 低い (6pF) 高い (13pF～25pF) EMIエミッション 良い 悪い パッケージサイズ 2mm
Slide 15: F—hKEFA NA OMBMBI
F—hKEFA NA OMBMBI {oO OEE NN tere ts Sa Voc. | ISOLATED GATE DRIVER POWER | MP18831 CONVERTER | AC] ! ogic [x PL Circuit Si | L| | | I] Controller I Vsw | | mt 1 | mMmPrS
Slide 16: F—hEFA NA OPAEI (GE)
F—hEFA NA OPAEI (GE) EE A a Te eS >) PRIMARY SECONDARY oe —~| Moc ISOLATED GATE DRIVER MP18831 II POWER — 7 CONVERTER Logic [Ve II [x H Circuit | T S; | lI Controller | Vsw )\ '
Slide 17: ゲートドライバ電源用のトランス要件
ゲートドライバ電源用のトランス要件 高電力システムにおけるトレンド: バス電圧の増加 トランス用により高い絶縁性が必要 より高いdV/dt より低い巻線間容量が必要 20pFコンデンサを想定 ICM = 100V/ns x 20pF / 2 = 1A ICM はMCU、GDICおよびGDPSに問題を引き起こす
Slide 18: 低巻線間容量トランスの設計
低巻線間容量トランスの設計 CWを減らすには → 巻線間の距離を増やす d
Slide 19: 低巻線間容量トランスの設計
低巻線間容量トランスの設計 ϵ 𝜖 𝐴 𝐶 = 𝒅 CWを減らすには → 巻線間の距離を増やす 巻線間の距離を増やすと → LLKが増加 8𝜋 × 𝑟 × 𝑁 𝑏 +𝑏 𝐿 = 𝒅+ ℎ 3 d
Slide 20: LLKとフライバックコンバータの動作
LLKとフライバックコンバータの動作 フライバックコンバータ 一次側の電圧
Slide 21: クランプ回路付きフライバックコンバータ
クランプ回路付きフライバックコンバータ スイッチング電圧スパイクはデバイスの定格を上げ、スナバ設計を複雑にし、 損失とノイズを発生させ、最大動作周波数を制限する。 漏れが大きいほど、フライバックの性能は悪化する。
Slide 22: LLKとLLCコンバータの動作
LLKとLLCコンバータの動作 ソフトスイッチング - ZVS → LLCで高いスイッチング周波数が達成可能に
Slide 23: MPQ18913 / 4 vs. フライバック スイッチング波形
MPQ18913 / 4 vs. フライバック スイッチング波形 スイッチノードのオーバーシュートとリンギングが発生する フライバックのハードスイッチングに対して、 MPQ18913はソフトスイッチングトポロジーを採用しているため、 スイッチノードでのオーバーシュート / リンギングがありません。 MPQ18913スイッチング波形 (上) 他社のフライバックスイッチング波形
Slide 24: MPQ18913 / 4 vs. フライバック トポロジー入力波形
MPQ18913 / 4 vs. フライバック トポロジー入力波形 MPQ18913はソフトスイッチング・トポロジーを採用しているため、 スイッチング・ノイズを入力レールに カップリングさせるフライバックのハードスイッチングに比べ、 優れたEMI性能を実現しています (赤丸で囲んだ部分)。 MPQ18913入力電圧波形 (下) 他社のフライバック入力電圧波形
Slide 25: 絶縁型ゲートドライバ / 電源ICロードマップ
絶縁型ゲートドライバ / 電源ICロードマップ MP18811 MP1918 MID1W2424 MID3W2424 100V ハーフブリッジGaNド 1.5W 絶縁型電源モジュール、 3W 絶縁型電源モジュール、 4A/4A、3kVRMS ライバ、3.6VCC～5.5VCC、 5kVRMS、24VIN～24VOUT、 3kVRMS、24VIN～24VOUT、 50ns(±5ns)の伝搬遅延 10ns伝搬、 トランス内蔵、 トランス内蔵、 CMTI >100kV/µs シングル CH間の遅延ずれ1.5ns SOIC16-WB LGA (10mm x 10mm) チャネル MP1907A MPQ
Slide 26: MP(Q)18811 - 絶縁型シングルチャネルゲートドライバ
MP(Q)18811 - 絶縁型シングルチャネルゲートドライバ 特⾧ 3kVRMSの絶縁 (SOIC-8 NB) CMTI >100kV/µs TTLおよびCMOS互換入力 シングル / デュアル入力 UVLOオプション付き30V出力駆動電源 (5V、8V、10V、12V、15V) 出力コンフィギュレーション: ミラークランプ付きシングル出力 またはスプリット出力 4Aソース / 4A シンクのピーク電流出力 50ns (±5ns) の伝搬遅延 アクティブミラークランプ 動作ジャンクション温度範囲 –40℃ ～ +150℃ ナローボディ SOIC-8
Slide 27: MP1883/5/71 ‒ 絶縁型デュアルチャネルゲートドライバ
MP1883/5/71 ‒ 絶縁型デュアルチャネルゲートドライバ MP18831 特⾧ デュアル入力 ハーフブリッジ VDDO フレキシブルな製品群: 独立したデュアルチャネルドライバ C5 D1 VBUS デュアル / PWM入力ハーフブリッジドライバ VDDI VDDI VDDA R1 最大5kVRMS の絶縁 C1 VDDI OUTA GNDI C2 CMTI >100kV/µs VSSA SW EN/ TTLおよびCMOS互換入力 DISABLE VDDO INA VDDB UVLOオプション付き30V出力駆動電源 (5V、8V、10V、12V、15V) R2 IN
Slide 28: MIE1W0505A – 5V～5V 絶縁型モジュール
MIE1W0505A – 5V～5V 絶縁型モジュール 特⾧ • 3V～5.5Vの入力電圧範囲 代表的な回路 • 5V / 3.3Vの出力電圧 • 5V 5Vまたは5V 3.3V >200mA (1W) VDDI VDDO • 3.3V 3.3V >50mA (0.165W) • すぐれたロード / ラインレギュレーション性能 3V～5.5V 10µF 10µF 5V/200mA • 1W出力定格オプション GND1 GND2 • 短絡保護 (SCP)、過電流保護 (OCP) および 過熱保護 (OTP) • 5kVRMS絶縁 (SOIC-16 WB) • 3kVRMS絶縁 (SO
Slide 29: MIE1W0505BGLVHは信じられないほど小型
MIE1W0505BGLVHは信じられないほど小型 MPSのソリューション (LGA 4 x 5mm) は 市場のSOICパッケージのわずか10%の大きさで、 従来のSIPパッケージのわすか2%の大きさです。 1.18mm 従来のSIPパッケージ 市場のSOIC-16Wパッケージ MPS LGAパッケージ (4mm x 5mm)
Slide 30: MID3W2424A – 24V～24V絶縁型モジュール
MID3W2424A – 24V～24V絶縁型モジュール 特⾧ 代表的な回路 • 5V～30V入力電圧範囲 (代表値 24V ±10%) • 電力レベル 3W / 6W、87%のピーク効率 • トランスの巻数比 • MID6W1224 / MID3W1224: 1:2巻数比 • MID6W1524 / MID3W1524: 1:1.6巻数比 • MID6W2424 / MID3W2424: 1:1巻数比 • 強力な磁界耐性 SiC ゲートドライブ電源 • 短絡保護 (SCP)、過電流保護 (OCP) および過熱保護 (OTP) • 3kVRMS絶縁 • LGA (10mm x 10mm) パッ
Slide 31: MID3W2424Aの性能
MID3W2424Aの性能 VIN = 24V、IOUT = 0.25A (Full Load)、TA = 25°C 出力レギュレーション 効率 vs. 出力電流 30 100 90 28 80 26 70 出力電圧 (V) 効率 (%) 60 24 50 40 22 Vin=26.4V 30 20 Vin=24V 20 Vin=21.6V 10 Vin=24V 18 10 25 40 55 70 85 100 0 10 25 40 55 70 85 100 出力電流 (%) 出力電流 (%)
Slide 32: デジタルアイソレータのロードマップ
デジタルアイソレータのロードマップ チャネル数 MP27933 MP27942 6 Ch 5KVRMS、150Mbps、 5KVRMS、150Mbps、 CMTI >100kV/µs、 CMTI >100kV/µs、 フォワード / リバースチャネル = 3/3、 フォワード / リバースチャネル= 4/2、 SOICW-16 SOICW-16 MP27931 MP27922 5KVRMS、150Mbps、 5KVRMS、150Mbps、 4 Ch CMTI >100kV/µs、 CMTI >100kV/µs、 フォワード / リバースチャネル = 3/1、 フォワード / リバースチャネル=
Slide 33: MP279xx – 4チャネル～6チャネルのデジタルアイソレータ
MP279xx – 4チャネル～6チャネルのデジタルアイソレータ 特⾧ 代表的な回路 • 2.5V～5.5Vの広い入力電圧範囲 • 最大150Mbpsのデータレート、オプションで20Mbps • 超低電流 5V OUT VIN VOUT • 高い磁界耐性 MIDxxW0505A 10μF 10μF • >±100kV/μsコモンモード過渡耐性 (CMTI) GND1 GND2 • 5V駆動で13nsの伝搬遅延 • 5kVRMS 絶縁 IN: 4.5-5.5V MP(Q)276xx MP279xx VDD1 VDD2 • チャネルの方向を選択可能 C1 C2 0.1μF 0.1μF • 4チャネ
Slide 34: MP279xx – 2チャネル、デジタルアイソレータ
MP279xx – 2チャネル、デジタルアイソレータ 特⾧ 代表的な回路 • 2.5V～5.5Vの広い入力電圧範囲 • 最大150Mbpsのデータレート • 超低電流 • 高い磁界耐性 2.5-5.5V 2.5-5.5V • >±100kV/μsコモンモード過渡耐性 (CMTI) VDD1 VDD1 VDD2 VDD2 C1 C2 • 5V駆動で13nsの伝搬遅延 0.1μF MP27911 0.1μF • 5kVRMS (WB)または3kVRMS (NB) の絶縁 MASTER OUTA INA SLAVE INB OUTB • チャネル検知選択可能 GND1 GND2 • 出力初期値選択可
Slide 35: ありがとうございました
ありがとうございました 電動化 テクノロジー 経験 品質 Siカーバイド 電源 | アナログ ソリューション B C D 12年間 自動車業界での実績 機能集積 950+ SKU 0.1 DPPM 少ない部品点数 フレキシブルでスケーラブルな ソリューションコストの低減 ソリューションを使用した 品質レコード 基板ポートフォリオ 20億ドル+ 800V 車載用ユニットを出荷 ソリューション MPSafe 高電圧充電 ASIL Dに対応 ソリューションを実現 低温走行 より速い より高い EMCレジリエンス 容量絶縁 機能集積 品質を向上 バッテリー駆動時間 設計 性能 を達成 ソリューション