適切なコントローラの選択

今日の高電圧システムでは、電力変換段全体において磁気部品が大きな割合を占めています。磁気部品を小型化するには、動作周波数を高くする必要があります。その結果、高電圧システムの多様な高性能要件に対応する専用のデジタル制御が必要となります。これらのコントローラはリアルタイムで動作し、システム パラメータ (電圧、電流、温度など) を正確に測定して、制御アルゴリズムを適用して出力コマンドを計算し、電力密度の向上に必要な高周波に対応している必要があります。リアルタイム制御を実現するために重要なのは、センシング、処理、制御の各機能間の時間をできるだけ短くすることです。リアルタイム シグナルチェーンの性能が向上すれば、過渡応答が高速化し、電力変換がより安定して、高精度になり、電力密度が向上します。

リアルタイム制御における課題の 1 つはサイクル制限です。これは、パルス幅変調 (PWM) 出力が数学的な制御規則の解に物理的に収束できないことを指します。これにより、PWM 出力が真の解の周辺で振動し、制御システムが不安定になります。TI の C2000™ リアルタイム MCU などのマイコン (MCU) に搭載されている高分解能 PWM (HRPWM) モジュールは、PWM エッジを 150ps 単位で変調する機能を備えています。これは、システム クロック レートに基づく従来の PWM 作成技術と比べて 60 倍の改善であり (図 6 を参照)、PWM エッジの配置において高い精度を実現できます。波形の周期、補数との位相関係、デッドバンド挿入時間はいずれも、この高分解能技術の実現に役立ちます。

リアルタイム制御のもう 1 つの課題は、3 レベル インバータ トポロジ特有の障害保護の必要性です。2 レベル インバータですべての FET を即時に同時にオフにする代わりに、3 レベル インバータでは、FET の損傷を防止するために正しいスイッチ オフ シーケンスを維持する必要があります。過去には、フィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) や コンプレックス プログラマブル ロジック デバイス (CPLD) などの外部ハードウェア回路を使用して、このレベルの保護を実現した設計者もいましたが、こうした回路を使用すると、システムのコストや開発労力が増加することになります。

この問題を解決するために、C2000 コンフィギュラブル ロジック ブロックは、ソフトウェアを使用してチップ内にカスタム ロジックを作成するメカニズムを備えており、外部 FPGA や CPLD によって実現される機能を置き換えるシンプルなオプションを提供して、システムのコストや開発労力の低減に貢献しています。

ワイド バンドギャップ デバイスは、理論上では、効率と電力密度の大幅な向上に役立つとされていますが、絶縁型ゲート ドライバやデジタル コントローラなどの他の革新的なコンポーネントがなければ、設計において効率向上を十分に実現することはできません。