IGBT/FET用トランス

アプリケーションノート モーター/インバーター回路の構成例

モーター/インバーター回路の構成例⾃動⾞の電動化が進むにつれてモータージェネレータの需要が増えていきます。モーターとインバータとの⼀体化の流れもあり、⼩型、⾼耐熱、耐振動要求も⾼くなっており、部品の⾼信頼性化が望まれています。また、インバータ回路のスイッチング素子には配線のインダクタンスによって⼤きなサージ電圧が発⽣する場合があり、配線やスナバーコンデンサによる対策が不可⽋です。同様にノイズの対策が重要になってきます。

モーター/発電機回路構成例

モーターや発電機を駆動するために直流を交流にするインバータ回路が使われています。インバータ回路はIGBTなどの半導体スイッチが使われ、最近ではSiCなどの⾼速素⼦を使い、⾼周波化による⼩型化が進んできています。⼤型モータの駆動には400V以上電圧が必要になり、インバータ回路の前段には昇圧回路が使われ、複数のディスクリートチップを組み合わせたモジュールを使う構成が⼀般的に使われています。モーターが駆動したときには、急峻な電流が流れ、昇圧回路とインバータをつなぐ⾼圧ラインは安定化する必要があり、DC LINKと呼ばれるコンデンサが使われています。

図1.システム構成
システム構成システム構成

DC Link/Snubberに適したコンデンサ

SiC、Ganなどの⾼速素⼦の採⽤が進み、インバータの⼩型が進みます。高速スイッチングにより、配線のインダクタンスによって⼤きなサージ電圧が発⽣する場合があり、配線やスナバーコンデンサによる対策が不可⽋です。

図2.TDKのコンデンサ製品マップ
TDKのコンデンサ製品マップ
図3.代表的なコンデンサ

■フィルムコンデンサ

B3277*Hシリーズ

・耐湿負荷環境試験条件対応
(60℃x95%RH+Vrdc 1,000H)
・450 V DCから1,100 V DCの直流電圧レンジに対応
・1.5µFから120 µFの静電容量レンジに対応

フィルムコンデンサ

■CeraLink®

B58031*シリーズ

・定格電圧500 V DC、700 V DC
さらに900 V DCで使用可能
・低ESR(等価直列抵抗)
・低ESL(等価直列インダクタンス)

CeraLink®

フィルムコンデンサについて

インバータ回路の入力には、安定したDC電圧が必要となります。モーターは低周波で駆動するため、そのリプル分を吸収するのに比較的大きな容量が必要となります。フィルムコンデンサーは許容リプル電流が大きく、電圧を安定化するの適しています。

表1:フィルムコンデンサのラインナップ
  高出力対応
B3267x シリーズ
高密度
B3277x シリーズ
高温度対応
B3277xP シリーズ
高信頼性
B3277xM シリーズ
誘電体 金属化ポリプロピレン (MKP) 金属化ポリプロピレン (MKP) 金属化ポリプロピレン (MKP) 金属化ポリプロピレン (MKP)
Vdc 300, 450, 630, 780, 875 450, 800, 1100, 1300 630, 700, 840 450~1600
静電容量範囲 / uH 0.47 to 270 1.5 to 480 1.0 to 50 1.5 to 170
動作温度 / ℃ 105 Max. 105 Max. 125 Max. 105 Max.
リード線間隔 / mm 27.5 to 52.5 27.5 to 52.5 27.5 to 52.5 27.5 to 52.5
10kHでの電流処理 / A 5 to 108 5 to 79.5 3 to 25 5 to 36.5
気候テスト条件 40℃ / 93% RH 40℃ / 93% RH 40℃ / 93% RH定格
60℃ / 93% RH 定格
60℃ / 95% RH定格
85℃ / 85% RH 定格
56日 56日 1000時間 @ 40℃
500時間 @ 60℃
1000時間 @ 60℃
1000時間 @ 60℃
AEC-Q200対応 - -

CeraLink®のスナバー回路への適用事例

モーターが駆動するときに急峻な電流が流れます。急峻な電流の変化は大きなリンギング電圧を発生させ、半導体素子の耐圧劣化、ノイズの発生につながります。CeralinkはSMDでありながら高耐圧高容量を実現しています。SMDの利点をいかしパターンの最適化を図れ、配線の寄生インダクタンス小さくできます。また、素子自身ESLが小さいのでリンギング電圧の発生を小さくすることが可能となります。

図4.CeraLink®のスナバー回路への適用事例
CeraLink®のスナバー回路への適用事例

要求値
●高静電容量密度:2 to 5 µF/cm³
●低ESL : 2.5 to 4 nH
●高耐熱性の、CeraLink™を半導体の近くに配置することができ、
150°Cまでの動作が可能です。
●dV/dt に制限がありません。

図5.CeraLinkTMは高周波、高温下において損失が小さい為、許容リプル電流値が大きい
CeraLinkTMは高周波、高温下において損失が小さい為、許容リプル電流値が大きい

IGBT/FET駆動用トランスについて

モーター駆動⽤インバータ回路や⼤電⼒のコンバータにはブリッジ回路が使われます。ブリッジ回路にはHigh side(⾼圧)Low side(低圧)の半導体スイッチで構成され、半導体スイッチを駆動するために安定電源が必要です。特にHigh side側の電圧が⾼く、 ⾃動⾞のモーターでは800Vまで使われ、Low side側とは絶縁された電源が必要となっており、⼩型で絶縁電圧が高いトランスが使われています。また、半導体スイッチは複数個使われ、ゲート電圧がバラツクと素⼦間で信頼性が不均⼀になるため、ゲート駆動電圧の均等化が望まれています。

図6.TDKトランス製品の特徴
TDKのAgスタックフィルムの膜構造
表2:構造による違いとラインナップ
トランス種類 分散型トランス 集中型トランス
回路図 TDKのAgスタックフィルムの膜構造 TDKのAgスタックフィルムの膜構造
出力数 1 ~ 2 3 ~ 6
メリット 小型によるレイアウト自由度高い
重量が軽いため耐振動に有利
トータルコストで分散型より安い
デメリット 出力あたりのコストが集中型より高い 形状が大きくレイアウト制約出やすい
分散型に比べ、各NS巻線とNFの結合ばらつきが出やすい
重量が重く耐振動に不利
コプラナリティ精度が分散型に比べると不利
製品 VGT10SEE-200S2A5
VGT12EEM-200S1A4
VGT15SEFD-200S1A4
VGT15EFD-200S3A6
VGT15SEFD-250S4A7
VGT22EPC-200S6A12

IGBT/FET駆動用トランス使用事例

大電力のインバータや昇圧回路にはIPM(Intelligent Power Module)が使われます。IPMはPower MOS FETやIGBTなどのパワー素子と駆動回路、自己保護機能を組み込んだ電力用半導体素子です。
IPMを駆動するための電源電圧は15V±10%が要求されています。電力素子との絶縁をとるためにトランスが使われますが、トランスの特性が悪いと電圧安定度が悪くなります。また、絶縁の信頼性を確保するために使用される線材も重要になり、高温化での信頼性を確保した線材を使っています。スペースやコスト重視であれば集中型トランス、配置の自由度と電圧の安定性重視であれば分散型トランスが使われます。

図7.IGBT/FET駆動用トランス使用事例
IGBT/FET駆動用トランス使用事例

トランスに要求される特性

  • ・高信頼性  … 2次側の各巻線間に絶縁が必要
          (各巻線間に、常に高電圧(400~800V)が長期間過酷な環境下でかかる)
  • ・高効率化  … 低リーケージでばらつきが少ない構造化と最適設計
  • ・搭載性  … 高周波化対応、最適なプラットフォーム化による小型化
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