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マイコン (MCU) / プロセッサ

C2000 リアルタイム・マイコン – 太陽光発電とデジタル電源

C2000™ マイコンは、デジタル制御のパワー・エレクトロニクス・コンバータにおける高効率、フォーム・ファクタ小型化、適用性への高まり続けるニーズに対応します。

ツールと設計

TI の EVM やアプリケーション固有のリファレンス・デザインは電源制御の迅速な開発と設計を可能にします。

ソフトウェア

TI ソフトウェア・ソリューションは、基礎的なビルディング・ブロック、各種サンプル、独自の電源設計ツール・セットを提供します。

トレーニング

デジタル電源制御、固有のアプリケーション、開発ツールの詳細、またはデバイス固有の説明はこちらをご覧ください。

デジタル電源の推奨理由

デジタル電源の管理と制御機能はリアルタイム・インテリジェンスを提供することで、環境に合わせて自動調整する適応可能な高周波数スイッチング電源の開発を可能にし、効率と性能を向上させます。この自動調整では、入力電圧、出力負荷電流、システム温度を変更できます。ダイナミック電圧スケーリングと高度な制御手法によってエネルギーを節約し、最適なシステム性能を実現します。

電気自動車の充電

システム効率の向上

電源ラインと負荷の変動を検出し、リアルタイムで効率を最適化するために電力段の動作をインテリジェントな方法で変更します。

システム・レベルの統合

制御ハードウェアを統合した結果、より少ないより小型のデバイスを使用して、従来より複雑な機能を実行可能

低コストと部品点数の節減

必要な部品点数が少なく、システム・コストを削減

使いやすく、開発期間を短縮

ソリューションはシンプルで、開発期間の短縮に貢献

業界で最も広範な製品ラインアップ

高性能 PFC、AC/DC、絶縁型 DC/DC 電源の各製品に最適なプログラマブル・コントローラと固定機能コントローラ

電源トポロジのフレキシビリティ

高分解能の位相制御、期間 (周期) 制御、デューティ・サイクル制御により、トポロジにかかわりなく高精度の波形制御が可能

システム・レベルでの信頼性、監視、安全性

パワー・ディストリビューションの監視と制御を通じて、大電力システムの堅牢な保護を実現 

優れた電力密度と、より高速な制御ループ

高速処理、フィードバック、高分解能の PWM 制御を通じて、動作周波数の高速化と使用部品の小型化を実現

電源システムのデジタル制御とアナログ制御の比較

IC を使用する場合とディスクリート・アナログ・コンポーネントを使用する場合で、電源制御トポロジの管理を比較 (図を参照) 。

デジタルという用語は、すべての外部信号がシステムのメイン・コントローラで操作できるようにネイティブのアナログ状態からデジタル状態に変換されることを指します。

 

基本的な電源トポロジー 

すべて展開するすべて折り畳む

AC/DC (整流器)

テレコム、EV チャージャ、産業用電源など複数のアプリケーションで、エネルギーはグリッドから供給されます。通常、力率補正(PFC)機能に対応した AC/DC 整流器が使用されます。この PFC コンバータは、必要な出力電力レベルに応じて、単相または 3 相の役割を果たすことができます。AC/DC 整流器を実現する代表的な方法をいくつか以下に挙げます。

単相トーテムポール CCM PFC
単相トーテムポール CCM PFC
単相トーテムポール CrM PFC
単相トーテムポール CrM PFC
単相 PFC
単相 PFC
3 相 PFC Vienna(ウィーン)整流器
3 相 PFC Vienna(ウィーン)整流器

AC/DC トポロジ

トポロジ
リファレンス・デザイン
最終製品
主な製品
単相トーテムポール CCM PFC インターリーブ型 CCM トーテムポール・ブリッジレス力率補正 (PFC) のリファレンス・デザイン 産業用電源 TMS320F280049 
オンボード・チャージャ(OBC)
単相トーテムポール CrM PFC 高効率、1.6kW 高密度、GaN ベース 1MHz CrM トーテムポール力率補正 (PFC) コンバータのリファレンス・デザイン テレコムとサーバーの電源
産業用電源
オンボード・チャージャ(OBC)
単相 PFC

2 相インターリーブ力率補正キットと統合型の電力測定機能の組み合わせ

テレコムとサーバーの電源

TMS320F28035

 

産業用電源
オンボード・チャージャ(OBC)
3 相 PFC Vienna (ウィーン) 整流器 C2000™ マイコン (MCU) を使用し、Vienna (ウィーン) 整流器をベースとする 3 相力率補正のリファレンス・デザイン 充電バッテリ

TMS320F28377D

TMS320F280049

 

産業用電源
トーテムポール PFC  効率 98.6%、6.6kW トーテムポール PFC のリファレンス・デザイン  オンボード・チャージャ (OBC) TMS320F280049
CCM トーテムポール・ブリッジレス  PFC、1kW、80 Plus Titanium 対応の AC/DC 電源のリファレンス・デザイン  テレコムとサーバーの電源  TMS320F280049 

DC/DC (コンバータ)

AC/DC 整流器または既存の DC バスを基準にすると、システム内のコンポーネントと電圧レベルを合わせ、安全上の理由で絶縁を実現するために、DC 電圧のレベル・シフトが必要になることがよくあります。  インターリーブ LLC などの効率を最大化するための各種トポロジー・オプションの導入、または位相減少やバレー・スイッチングなどの手法の導入が重要になることもあります。代表的な DC/DC トポロジには次のものがあります。

インターリーブ LLC
インターリーブ LLC
位相シフト・フル・ブリッジ
位相シフト・フル・ブリッジ
双方向 DC/DC
双方向 DC/DC

DC/DC トポロジ

トポロジ
リファレンス・デザイン
最終製品
主な製品
インターリーブ LLC C2000™™ マイコンを使用した、2 相インターリーブ LLC 共振コンバータのリファレンス・デザイン

テレコムとサーバーの電源

充電バッテリ

オンボード・チャージャ (OBC)

産業用電源

TMS320F280025C

 

TMS320F28379D

位相シフト・フル・ブリッジ アダプティブ・ゼロ電圧スイッチング (ZVS) 採用 600W PSFB

テレコムとサーバーの電源

充電バッテリ

オンボード・チャージャ (OBC)

産業用電源

TMS320F28027
双方向 DC/DC 双方向、400V と 12V の間の DC/DC コンバータのリファレンス・デザイン

オンボード・チャージャ (OBC)

産業用電源

TMS320F28035

DC/AC (インバータ)

最後の基本トポロジーは、DC バスから AC 領域への変換に関係しています。出力電力の要件に応じて、単相 AC バスまたは 3 相 AC バスを出力します。  出力をメイン AC グリッドに接続する場合、ネットワークとの効率的な統合を実現するには位相マッチングが非常に重要です。 

単相グリッド接続インバータ
単相グリッド接続インバータ
単相電圧源インバータ
単相電圧源インバータ
ソーラー・マイクロインバータ
ソーラー・マイクロインバータ

主な C2000 デジタル電源最終製品

すべて展開するすべて折り畳む

太陽光発電

太陽光発電システムは複数の電力変換トポロジーを統合して、太陽光発電の DC 電圧を昇圧します。また、エネルギーの蓄積や、電圧の AC 変換を通じて、直接的な使用や電力網への伝送に対応します。C2000 マイコン (MCU) プラットフォームは、低コストのマイクロインバータから高性能グリッド接続インバータまで、デバイスとソリューションの幅広い製品ラインアップを提供しています。 

C2000 太陽光発電の図

エネルギー・ストレージ・システム

エネルギー・ストレージ・システム(ESS)により、再生可能資源、再生不可能資源のいずれかによって生成された電力を回収し、後で必要に応じて使用することができます。これらのシステムの主な構成要素は、電力変換サブシステムとバッテリの 2 つです。電力変換サブシステムは、電力インバータ、PFC 整流器、双方向 DC-DC コンバータで構成されており、これらが連携することでグリッド、バッテリ、および AC 負荷間での電力交換を容易にしています。

エネルギー・ストレージのデジタル電源図

リファレンス・デザイン

電気自動車 (EV)

どの電源トポロジーを使用する場合でも、C2000 マイコンを採用すると、高精度の波形制御を通じて、EV (電気自動車) のオンボード・バッテリ・チャージャや EV の DC/DC コンバータ向けに先進的な技術を実現できます。

バッテリ充放電の両方で電力変換をモニタするプラットフォームの構築により、電力損失の最小化と、電力変換効率の向上を実現します。

  • EV バッテリ・チャージャ用の 3 相整流器に最適な DSP 性能
  • 絶縁型電流センシングに最適なデルタ・シグマの内蔵
  • 複数のトポロジの並列駆動のためのコプロセッサ(CLA – 制御補償器アクセラレータ)
  • 三角関数演算ユニット – SINE、COSINE、ARCTAN、DIV の各演算を 2 ~ 3 サイクルで実行
電気自動車の特長

ワイヤレス・パワー伝送

ワイヤレス・パワー伝送

ワイヤレスで電力を伝送するための誘導技術や共振技術の普及が進んでいます。パーソナル・エレクトロニクスの充電に加えて、オーディオ・スピーカや他のコンシューマ・エレクトロニクスのようなリモート製品への直接の電力供給、また、移動することもあるアプリケーションの自律的なバッテリ充電でも採用例があります。移動するアプリケーションに該当するのは、ドローン、ロボット、小型特殊作業車、全面電動化の電気自動車などです。

ワイヤレス・パワー伝送分野での C2000 の利点

  • DC/DC、ハーフ・ブリッジ / フル・ブリッジ制御のトポロジ・サンプル
  • powerSUITE ソフトウェア・ツールとデジタル電源ソフトウェアのライブラリ
  • 非常にフレキシビリティの高い PWM 生成機能、プレミアム統合型アナログ、高性能の処理能力

デジタル電源用ソフトウェア

電源エンジニアは powerSUITE を使用することで、C2000 リアルタイム制御マイコンをベースとしたデジタル制御電源の開発期間を大幅に短縮できます。

開発パッケージ

デジタル電源技術、EVM、設計のライブラリ、ドライバ、システム例と powerSUITE ツール。最新の C2000 シリーズはデジタル電源 SDK を通じて、従来のものは controlSUITE を通じてサポートされています。

デバイスの特長

過電流と過電圧からの保護

大半の電源トポロジで、予想外の障害が発生することがあります。問題は、マイコン (MCU) がその障害にどれほど適切に対処できるだろうか、という点です。  大半の C2000 マイコン (MCU) は、PWM モジュールに直接接続するコンパレータを内蔵しており、過電流や過電圧、また電流の不足や低電圧のイベントが発生した場合に、出力を安全な状態や既知の状態に変更することができます。 

内蔵アナログ・コンパレータを (自己完結型のリファレンス電圧と組み合わせて) 使用すると、C2000 マイコン (MCU) は非同期およびシステム・タスクから独立した形で、PWM の一部または全部をトリップすることができます。  開発ユーザーの皆様は統合型のハードウェアを活用して、PWM が「オフ」になる時間の長さを定義し、超過 / 不足イベントが消失するまではシステムを安全状態に維持することができます。

過電流、過電圧保護の図

高効率スイッチング

あらゆるデジタル電源システムの基本は、正確かつフレキシブルな方法でパワー FET を制御できる能力です。  ソフトウェア・プログラマブルで、最小ステップ・サイズが 150ps である高分解能 PWM などの内蔵機能を活用すると、さまざまなシステム要件に対応する幅広い設定が可能になります。  最大 4 種類の比較モジュールを使用して、さまざまな PWM 方式を生成できます。  

高効率スイッチングの図

バレー・スイッチング

スイッチ・モード電源固有の特長は、ドレイン - ソース間電圧全体がバレー・ポイントに達したときに MOSFET のスイッチングを要求することです。  この動作を「バレー・スイッチング」と呼び、特定のタイプの電源コンバータ・アプリケーションで低負荷かつ高効率を保持する重要な手法です。  この動作は通常、バレー・ポイントを検出して可変周波数制御を実装するための外部回路を必要とする、という課題をもたらします。  新しいタイプ 4 PWM を採用した C2000 マイコン (MCU) は、専用のオンチップ・ハードウェアを使用し、バレー・スイッチング PWM 制御をサポートします。

バレー・スイッチング PWM 制御の図

構成可能 (コンフィギュラブル) ロジック・ブロック (CLB)

CLB ペリフェラルを使用すると、既存の C2000 ペリフェラルを強化し、カスタム・ロジックを実装することができます。  この方法で、複数の重要な機能を単一の C2000 マイコン (MCU) に統合し、サイズの縮小や、FPGA、CPLD、または外部ロジック・コンポーネントの完全な排除を実現することができます。  

CLB を使用して設計できる機能:

  • 信頼性と安全性を実現する高度な PWM 保護方式
  • 複合 PWM 生成、バースト・モード PWM、周期的なブランキング
  • 複合信号のキャプチャとシーケンス検出
  • ロジック・ベースのフィルタとシグナル・コンディショニング
  • タスク・プロファイリングと時間スレッショルドの監視
  • 高度にカスタマイズした汎用出力
CLB の統合

CLB とのシステム統合

CLB の概要図

CLB とオンチップ・ペリフェラルの相互接続

主なリファレンス・デザイン

3 相 Vienna(ウィーン)整流器、PFC(AC/DC)付き

Vienna(ウィーン)整流器を使用する電源トポロジは、電気自動車(EV)のオフボード・チャージャや通信整流器のような大電力の 3 相力率補正(AC/DC)アプリケーションで採用されています。

2 相インターリーブ LLC(共振)コンバータ

共振コンバータは、サーバー、テレコム、車載、産業用、その他の電源アプリケーションで高い頻度で使用されている人気ある DC/DC コンバータです。

高電圧インバータ、グリッド接続オプション(DC/AC)

このリファレンス・デザインは、C2000™ F2837xD マイコンを使用して、単相インバータ(DC/AC)の制御機能を実装しています。

単相トーテムポール PFC(AC/DC)

インターリーブ形式の連続導通モード(CCM)トーテムポール(TTPL)ブリッジレス力率補正(PFC)は、バンドギャップの大きい GaN デバイスを複数採用した魅力的な電源トポロジです。