インターリーブDC-DCコンバーターは必要ですか？

投稿日 2022/04/29 金曜日
更新日 2024/07/1 月曜日

全ての設計者が電力システムのエンジニアであるわけではありませんが、高効率の電力変換器を構築するさまざまな方法について知っておくことには価値があります。これには、AC-DC変換やDC-DC変換、インバーター、PFC回路、その他多くの電力変換および効率化のための機器が含まれます。ほとんどの設計者が電源を一から構築することはないかもしれませんが、それらを選択し、より大きなシステムに統合する方法を理解する必要があります。これには、電力網と相互作用する可能性のあるシステムも含まれます。

特に米国では、再生可能エネルギーと既存の電力網への統合に最近注目が集まっています。より多くの設計者がスマートインフラと電力エレクトロニクスへの切り替えを行うかもしれません。電力変換はその統合の重要な部分であり、電力網が近代化されるにつれて、高度な電力変換器の設計は間違いなく高い需要があります。

設計者が知っておくべき重要なスイッチングコンバーターの一つに、インターリーブDC-DCコンバーターがあります。このタイプのコンバーターは、高効率のDC-DC変換を保証するシンプルなアイデアを使用していますが、再生可能エネルギーグリッド、複数のバッテリーを持つ車両、独立した負荷を持つ複雑なシステムなど、条件に応じて独自に適応できます。これらのコンバーターは、複数のコンバーターステージからなる大規模なシステムとして構築することができますが、統合回路としての小型コンバーターも利用可能です。次のシステムでこのコンバータートポロジーを使用することを決めた場合は、その機能とコンポーネント選択のベストプラクティスについて学ぶために読み進めてください。

インターリーブDC-DCコンバーターとは何ですか？

DC-DCコンバーターは通常、何らかの入力DCソースと相互作用する特定のトポロジーで操作されます。入力は1段目のコンバーターに渡され、通常は電圧を下げてバスに出力電力を供給します。2段目のコンバーターは1段目の出力バスから電力を取り出し、そのセクションのニーズに応じて上げるか下げるかを行います。私たちが構築する設計では、最初の段階のコンバーターとしてスイッチングコンバーターを使用し、その後、さらに低いロジックレベルに再度ステップダウンするために小型のLDOレギュレータICを使用することがあります。これにより、下の画像に示されているようなトポロジーが得られます：

上記のトポロジーでは、単一入力単一出力（SISO）コンバーターを持ち、それが下流のSISOコンバーターに接続され、以下同様です。これは通常、2または3段階にわたって、調整されたまたは調整されていないDC入力からさまざまなロジックレベルに電圧を下げるために展開され、DC INブロックは整流ブリッジによって供給されるかもしれません。

複数の分離された負荷、複数のソース、またはその両方がある場合はどうなるでしょうか？ここでインターリービングが登場します。

MIMO、MISO、またはSIMOでのインターリービング

インターリービングは、単一の電源を使用して複数の負荷を駆動するために複数のコンバータ段階を使用する技術であり、単一の負荷を駆動するために複数の電源を使用する場合や、これらの混合の場合に使用されます。インターリーブされたDC-DCコンバータは、入力と出力バスに接続された複数のスイッチングコンバータ段階を並列に使用します。インターリーブされたDC-DCコンバータには、一般的に3つのトポロジが使用されます：

シングル入力マルチ出力 (SIMO): これはおそらく最も一般的なタイプのインターリーブされたDC-DCコンバータです。単一のソースが単一のバス上で並列に複数のコンバータ段階に電力を供給します。各コンバータ段階は、出力バス上の残りの負荷から絶縁されている可能性がある自身の負荷に出力電力を供給します。
マルチ入力シングル出力 (MISO): これはSIMOインターリーブされたDC-DCコンバータの逆です。これらのコンバータは、電源が一般に互いに独立しており、同じ入力バスを共有しない複数の電源で動作します。出力バスは、すべてのコンバータが単一の負荷に電力を供給する点で共有されます。
マルチ入力マルチ出力 (MIMO): これらはおそらく最も複雑なインターリーブされたDC-DCコンバータですが、太陽光発電のバッテリーチャージャーで使用される標準的なタイプのコンバータです。複数のソースが複数の電力段階とインターリーブされ、その後、複数の負荷に電力を共有することができます。

上記のリストから、インターリーブコンバータが必要になる2つの明確な状況があります。まず、異なる電圧で、異なる昇圧または降圧係数を必要とする複数のソースから電力を引き出す必要がある場合です。次に、非常に異なるインピーダンスを持つ複数の負荷に電力を供給する必要がある場合です。SISOコンバータからの出力バスに低インピーダンスの負荷を配置すると、コンバータが不連続導通モードに入る可能性がありますが、この負荷を独自のコンバータ段階に分離することで、他のすべての負荷の不連続動作を回避するのに役立ちます。

インターリービングの目標

上述のように、連続導通モード動作を確保することについて言及しましたが、これを確保すること以上の意味があります。不連続モードで完全に動作するコンバータの例があります。インターリービングの背後にある全体的なポイントはシンプルです：供給される電流のリップルを減少させることです。これは、下の例で示されているように、スイッチングPWM信号の位相をオフセットすることによって行われます。

この例では、2つの等価なインダクタを持ち、コンバータの各段階のパワーMOSFETに送られるPWM信号は90度の位相差でずれています（Q1およびQ2とラベル付けされたグラフ）。ここで、回路に引き込まれ、出力に供給される合計電流は、出力インダクタの電流の合計です。これら2つの曲線を下のグラフで加算することから、合計電流がいずれの曲線単独に比べてはるかに低いリップルを持つことがわかります。

上記のグラフから、コンバータに引き込まれ、負荷コンポーネントに供給される電流に対する2つの効果を推測することができます：

SIMOコンバータの入力で：インダクタ電流の位相差により、ソースから引き出される全体の電流が滑らかになります。全体の電流が各出力に分割されるため、各出力電流のリップルは因子Nだけ低くなります。
MISOコンバータの出力で：位相差により、単一の負荷に供給される電流のリップルが低くなります。入力で引き出される個々の電流は、因子Nだけリップルが低くなります。

この理由から、これらのシステムは時々「多相電力コンバータ」と呼ばれます。なぜなら、異なる位相を持つPWM信号を使用する複数の段階があるからです。これらのPWM信号は、マスタークロックに同期され、個々に位相が追加されることがあります。これは、スイッチング段階のPWMゲートドライバで行われる可能性があります。

電力因数補正

コンバータがAC電源（ソースまたは負荷として）に接続される場合、高い電流で作業する可能性が高いため、電力因数補正（PFC）回路が必要になるでしょう。DC-DCコンバータがインターリーブトポロジーで設計されるのと同様に、PFCセクションもそうすることができます。言い換えれば、PFC回路を各コンバータ段階に適用することで、高調波歪みを簡単に除去する方法を提供します。これは、次のセクションで示されるブロック図に従います。

インターリーブDC-DCコンバータのための部品選択

上記の例では、特定の回路図を示していませんが、標準的なスイッチングコンバータトポロジーのいずれかでインターリービングを実装できます。例として、以下のブロック図を考えてみてください。複数の入力を受け入れることができるPFCセクションがあり、PFCセクションは出力の複数のコンバータに接続されます。コンバータセクションは、標準的なスイッチングレギュレータトポロジーのいずれかであり、典型的なPWMドライバ/コントローラで駆動されます。次のセクションで、いくつかのマルチチャネルPFC/コントローラコンポーネントの例が示されます。

現在、完全に統合されたインターリーブDC-DCコンバータは存在しません。しかし、他のレギュレータコンポーネントと同様に、標準トポロジーのインターリーブスイッチングレギュレータのメインコントローラ/ドライバとして使用できる多数のICがあります。インターリーブDC-DCコンバータの設計を始める準備ができている場合、これらの例示コンポーネントを検討してください。これらのコンポーネントは、新しい設計のための良いベースラインを提供し、以下に示されるアプリケーション回路は、インターリーブ回路がどのように構築されるかをうまく示しています。

Texas Instruments, LM5032

テキサス・インスツルメンツのLM5032は、DC-DC電力変換アプリケーション用のデュアルインターリーブPWMドライバーです。このデバイスは36Vから75VのDC電力を受け入れ、2つのPWM駆動信号で出力電圧を昇圧または降圧します。これらのPWMドライバー信号は、プログラム可能な周波数で最大2MHzまで、標準の電力変換回路の出力側にあるMOSFETを切り替えることができます。広い入力電圧範囲により、このコンポーネントはEV/HEVの電力管理システムでのバッテリー充放電に適用可能です。他のアプリケーションエリアには、産業システムや通信システムが含まれます。

テキサス・インスツルメンツ、TPS40322TPS40322は、インターリービングアプリケーションで使用できるデュアルフェーズバックコンバータードライバー/コントローラーです。このコントローラーは、入力電圧範囲全体で90％を超える効率を提供することができます。出力電圧は3つのピン上の受動部品で設定でき、外部の過電流保護を設定するために外部電流制限抵抗を使用することができます。ターゲットアプリケーションには、低電圧ネットワーキング機器や小規模データセンターに見られる他の製品が含まれます。

ONセミコンダクター、FAN9672

ONセミコンダクターのFAN9672は、電気グリッドとインターフェースする電力コンバーターをサポートするために設計された2チャンネルインターリーブPFCコントローラーです。以下に示されている例のアプリケーション回路は、整流セクションとEMIフィルターに続いて、それぞれ外部ドライバー回路を持つ2つのコンバーターステージがある標準的なアプリケーションを示しています。例のアプリケーションには、HVAC機器からデータセンター、テレコム、産業製品までが含まれます。

インターリーブ電力システム用のその他のコンポーネント

インターリーブDC-DCコンバータートポロジーを使用する際の大きな利点の一つは、設計で使用できるフィルタリングコンポーネントがはるかに小さくなることです。これは、コンポーネントの値だけでなく、物理的なサイズにも言及しています。インターリービング戦略のおかげで出力のリップル電流が自然に低くなるため、全体のリップルを減らすために大きなキャパシターやインダクターを使用する必要がありません。

インターリーブ電力システムをサポートするために多くの他のコンポーネントが必要になるため、始めるのに役立つリストを以下にまとめました。電力エレクトロニクスコンポーネントの範囲はすでに広大であり、多くのものがインターリーブ電力コンバーターで使用するために適応できます。必要になるかもしれない他の重要なコンポーネントには、以下が含まれます：

インターリーブDC-DCコンバータを構築する準備ができたら、Octopartの高度な検索およびフィルタリング機能を使用して、これらの重要なコンポーネントを見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジン機能を使用すると、更新されたディストリビュータの価格データ、部品在庫、部品仕様、CADデータにアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用可能です。統合回路のページをご覧ください必要なコンポーネントを見つけてください。

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