産業機器の世界では電動化が進んでおり、堅牢で信頼性が高く、効率的なバッテリー充電ソリューションが求められています。電動工具から重機まで、これらの充電器は、過酷な環境、多様な電源（120～480 Vac）に対応し、コンパクトなサイズ、軽量、自然対流冷却を優先する必要があります。このブログシリーズ（パート1とパート2）は、これらの重要なシステムを設計するエンジニア向けのガイドとして、トポロジーの選択とコンポーネントの選定、特に画期的なシリコンカーバイド(SiC) MOSFETを重点的に説明しています。
現在の産業用の充電環境
産業用バッテリー充電器は、さまざまなバッテリー化学物質をサポートするという課題に直面しています。特に12V～120Vの電圧範囲のリチウムイオン電池は、産業用アプリケーションの有力な選択肢となっています（図1）。携帯用工具からマテリアルハンドリング機器まで幅広く電力を供給しています。
一般的な産業用充電器のアーキテクチャーは、以下の2つの重要なステージで構成されています。
- 力率補正（PFC）：このフロントエンドステージはAC 主電源からの効率的な電力利用を達成し、高調波歪みを最小限に抑え、電力供給を最大化します。
- 絶縁型DC-DCステージ：このステージは安全のために絶縁を提供し、出力電圧と電流を調整してバッテリーを精密に充電します。
マイクロコントローラーは多くの場合、充電プロセスを管理し、異なるバッテリー特性に適応します。高周波動作は、急速充電と高効率のためにきわめて重要です。SiC MOSFETは、この厳しい環境に完璧に適しています。スイッチング損失を最小限に抑えながら高周波で動作できるため、コンパクトな受動的冷却設計が可能になり、産業環境では重要な利点となります。
適切なトポロジーの選択：PFCステージ
力率補正（PFC）ステージは、効率的な電力変換に不可欠です。主要なトポロジーの選択肢を考察してみましょう。
1. ブーストPFC
この広く使用されているトポロジー（図3）では、EMIフィルター、ブリッジ整流器、ブーストインダクター、ブーストFET、ブーストダイオードが採用されています。力率を管理し、全高調波歪み（THD）を最小化するために、オンセミの NCP1654／NCP1655 のようなコントローラーが一般的に使用されます。より高い電力レベルでは、FAN9672／FAN9673 のようなコントローラーを使用したインターリーブPFCの方が適しています。ブーストダイオードには、650V EliteSiCダイオード が優れた性能を発揮します。SiC MOSFETは、高周波、高出力（2kW～6.6kW）アプリケーションでのスイッチング素子として理想的です。低電力アプリケーション（600W～1kW）には、集積GaNドライバー内蔵のNCP1681トーテムポールPFCコントローラーをご検討ください。より低い周波数（20kHz～60kHz）では、シリコンスーパージャンクションMOSFETまたは IGBTを使用できます。高い電力レベルでは、ブリッジ整流器の損失を最小限に抑えることが重要です。効率を向上させるために、セミブリッジレスまたはトーテムポール構成のアクティブ スイッチ（シリコンまたは SiC MOSFET）がよく使用されます。
2. トーテムポールPFC
トーテムポールPFCトポロジー（図4）は、従来のブリッジ整流器をなくすことで、さらに高い効率を達成します。これには、EMIフィルター、ブーストインダクター、高周波および低周波ハーフブリッジ、ゲートドライバー、専用トーテムポールPFCコントローラー（例：NCP1681B）が含まれます。
トーテムポールPFCの高周波レグには、逆回復時間の短いパワースイッチが必要なので、SiCおよびGaNデバイスが理想的です。オンセミは、600W～1.2kWのアプリケーションには集積GaNドライバー、1.5kW～6.6kWのアプリケーションにはSiC MOSFETを推奨しています。低い周波数（20～40kHz）では、SiCダイオードを内蔵したIGBTを使用できます。低周波レグには、低RDS(on)シリコンスーパージャンクションMOSFETまたは低VCE(SAT) IGBTが適しています。高い電力（4.0kW～6.6kW）の場合は、インターリーブトーテムポールPFC構成をご検討ください。高周波レグには、オンセミの650V EliteSiC MOSFET（3kWの場合は NTH4L032N065M3S や NTH4L023N065M3S 、6.6kWの場合は NTH4L015N065SC1またはUJ4SC075009K4Sなどの SiCカスコードJFET）が最適な選択肢です。低周波レグには、NTHL017N60S5HまたはUG4SC075005L8SなどのSiCコンボJFETが適しています。図5は、SiCベースの3kWトーテムポールPFCおよびLLC電源の実例を示しています。
このブログシリーズのパート2では、絶縁型DC-DCステージと主要なトポロジー、およびコンポーネントの選定基準について詳しく説明します。
650V EliteSiC MOSFET、SiCカスコードJFETおよびSiCコンボJFETの詳細もご覧ください。
