JAJT486 技術記事

はじめに

車載電気システムにおいて、高電圧から低電圧への DC/DC コンバータは反転可能な電子デバイスであり、高電圧 (400V または 800V) 車載バッテリの DC をそれより低い DC 電圧 (12V) に変化させます。これらのコンバータは、単方向または双方向にすることができます。一般的な電力レベルは 1kW ～ 3kW で、システムには、コンバータの高電圧パワーネット (1 次側) に対する定格が 650V ～ 1,200V で、12V のパワーネット (2 次側) に対して定格が 60V 以上である部品が必要です。

電力密度の向上とパワートレインの小型化に対するニーズにより、磁気部品のサイズを縮小するために電源部品のスイッチング周波数が数百キロヘルツに引き上げられました。高電圧から低電圧への DC/DC コンバータの小型化により、スイッチング周波数が低い場合に、電磁適合性 (EMC)、放熱、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) 向けのアクティブクランプなど、それほど重要ではない問題が多発します。この Power Tip では、高いスイッチング周波数での同期整流 MOSFET 向けクランプ回路の設計について説明します。

従来型のアクティブクランプ

図 1 に示す位相シフトフルブリッジ (PSFB) は、コンバータ効率を上げるためにスイッチでソフトスイッチングを実現できるため、高電圧から低電圧への DC/DC 用途で人気の高いトポロジです。しかし、同期整流器の寄生容量がトランスのリーケージインダクタンスで共振するため、同期整流器では高電圧ストレスの発生が予想されます。整流器の電圧ストレスは、式 1 と同じ高さになる可能性があります。

式 1.

V_{d s_\max} = 2 V_{I N} x (N_{s} / N_{p})

Np と Ns はそれぞれトランスの 1 次巻線と 2 次巻線です。

設計者は多くの場合、高電圧から低電圧への DC/DC コンバータの電力レベルと、抵抗容量結合形ダイオードスナバの電力損失 [1] を考慮して、同期整流 MOSFET にアクティブクランプ回路を使用します。代表的な回路を図 1 に示します。

図 1 PSFB 同期整流 MOSFET の従来型のアクティブクランプ回路出典：テキサス・インスツルメンツ

この回路図には、アクティブクランプ回路の主要な部品である P チャネル金属酸化膜半導体 (PMOS) Q9 とスナバコンデンサが示されています。スナバコンデンサの 1 つの端子を出力チョークに接続し、PMOS のソースを接地しますします。PSFB の従来型アクティブクランプ回路では、同期整流 MOSFET Q5 と Q7 の方式が同じであるため、Q6 と Q8 も同じです。同期整流 MOSFET がシャットダウンするたびに、PMOS は適切な遅延時間でオンになります。

図 2 に PSFB とアクティブクランプの制御方式を示します。PMOS のスイッチング周波数が f_sw の 2 倍になることは容易に理解できます。

図 2 アクティブクランプ PMOS Q9 の制御方式 (PMOS のスイッチング周波数が f_sw の 2 倍)出典：テキサス・インスツルメンツ

アクティブクランプ損失の評価

式 2、式 3、式 4、式 5、式 6を使用して、アクティブクランプ PMOS の損失を評価できます。P_{on_state} 以外のすべての損失は f_sw に比例します。PMOS のスイッチング周波数が 2 倍になると損失は 2 倍になります。そのため、PMOS の熱関連問題を解決しなければならなくなります。また、小型化のニーズを満たすために f_sw を高くすると、実際の熱問題がさらに悪化することが判明しています。

式 2.

P_{on_state} = I_{r m s^{2}} \times R_{d s o n}

式 3.

P_{turn_on} = 0.5 \times V_{d s} \times I_{o n} \times t_{o n} \times f_{s w}

式 4.

P_{turn_off} = 0.5 \times V_{d s} \times I_{o f f} \times t_{o f f} \times f_{s w}

式 5.

P_{drive} = V_{d r v} \times Q_{g} \times f_{s w}

式 6.

P_{diode} = I_{snubber} \times V_{s d} \times t_{d} \times f_{s w}

アクティブクランプの提案

この問題を解決するにはどうすればよいのでしょうか。性能指数 (FOM) に優れた PMOS を選択すべきか、それとも導電率係数が高い熱グリースを選択すべきでしょうか？どちらでも構わないのですが、アクティブクランプによる熱問題は依然として1つの部分に集中して発生します。このことがこの問題の解決を困難にしているのです。熱を複数の部分に分散させることはできないのでしょうか？実行可能な方法は、図 3 に示すように、2 つのアクティブクランプ回路を使用し、スナバコンデンサの端子を 2 次側レッグのスイッチングノードに接続することです。Q11 をオンにできるのは Q5 と Q7 がオフになった後のみで、Q10 をオンにできるのは Q6 と Q8 がオフになった後のみです。PSFB と提案するアクティブクランプの制御方式を図 4 に示します。

図 3 PSFB 同期整流 MOSFET 用アクティブクランプ回路の提案出典：テキサス・インスツルメンツ

図 4 PSFB と提案するアクティブクランプの制御方式出典：テキサス・インスツルメンツ

Q5 と Q7 がオフになっても Q6 と Q8 は引き続きオンのままです。そのため、図 3 で緑色の矢印で示されているように、Q5 と Q7 のクランプループを見つけることができます。Q10 と Q11 のスイッチング周波数はどちらも f_sw であり、f_sw の 2 倍ではありません。

式 2、式 3、式 4、式 5、式 6によれば、各 PMOS の P_{on_state} は元の 4 分の 1 になり、P_{turn_on}、P_{turn_off}、P_drive、P_diode は元の半分になります。提案している方法ではクランプ回路の損失を 2 つの部に分散させるので、熱問題への対応が明らかに容易なります。

ここでクランプループに話を戻します。Q5 のループは Q7 よりも大きく、Q6 と Q8 と同様です。Q5 と Q6 の最小クランプループを得るには、同期整流器のレイアウトに注意する必要があります。

アクティブクランプ性能の提案

図 5 と図 6 に、テキサスインスツルメンツの「GaN HEMT を搭載した高電圧から低電圧への DC/DC コンバータのリファレンス設計」から関連するテストを示します。この設計では、200kHz のスイッチング周波数で動作するアクティブクランプ回路案を採用しています。図 5 に整流器の電圧ストレスを示します。

図 5 整流器の電圧ストレス (CH1 は整流器の V_gs、CH2 は整流器の V_ds、CH3 は 1 次側トランス巻線の電圧、CH4 は 1 次側トランス巻線の電流)出典：テキサス・インスツルメンツ

CH1 は整流器の V_gs、CH2 は整流器の V_ds、CH3 は 1 次側トランス巻線の電圧、CH4 は 1 次側トランス巻線の電流です。整流器の最大電圧ストレスは、400V_IN、13.5V_OUT、250A I_OUTで 45V未満です。図 6 に示すように、アクティブクランプ回路の最高温度は 400V_IN、13.5V_OUT、180A I_OUT [2]で 46.6°C です。そのため、この制御方式案は、クランプ MOSFET に対して非常に優れた放熱性能を達成します。

図 6 アクティブクランプ回路の放熱性能 (アクティブクランプの最大温度は 400V_IN、13.5V_OUT、180A I_OUTで 46.6°C)出典：テキサス・インスツルメンツ

熱問題が発生しない 500kHz アクティブクランプ

スイッチング周波数を 200kHz から 500kHz に上げると、トランスの体積が約 45% 縮小し [2]、高電圧から低電圧への DC/DC コンバータの電力密度の向上に役立ちます。この方法案では BOM コストが多少増加しますが、設計者は熱問題がなく 500kHz のスイッチング周波数でアクティブクランプを動作させることができ、これが性能の向上につながります。PMOS のパルスドレイン電流が NMOS よりもはるかに小さいことを考慮すると、設計者は、必要に応じて、絶縁ドライバとバイアス電源を搭載したアクティブクランプで NMOS を使用することもできます。

参考資料

Betten, John. 2016.『Power Tips：7 つの R-C スナバ計算ステップ』TI E2E™ 設計サポートフォーラム技術記事 (2016 年 5 月)
「GaN HEMT を搭載した高電圧から低電圧への DC/DC コンバータのリファレンス設計」2024.テキサス・インスツルメンツのリファレンス設計テストレポート (No. PMP41078、文献番号TIDT403A)2024 年 12 月 16 日アクセス。

この記事は、以前 EDN.com で公開された記事です。

はじめに

従来型のアクティブ クランプ

アクティブ クランプ損失の評価

アクティブ クランプの提案

アクティブ クランプ性能の提案

熱問題が発生しない 500kHz アクティブ クランプ