特集

車載48V 電圧コンバーター
Automotive 48-Volt Converter
＊川上貴史

中島新太

Takafumi Kawakami

土田敏之

増田一輝

清水Toshiyuki Tsuchida

Arata Nakashima

達哉

Tatsuya Shimizu

藤井  滋之Kazuki Masuda

Shigeyuki Fujii

近年、世界的に強化されていく CO2排出規制に適合するために、パワートレーンの電動化開発が各国で加速している。48V マイルド
HEV は CO2削減の効果が低コストで得られるため、欧州を中心に普及していくとみられている。マイルド HEV で使用される DC/DCコンバーターは、高出力で高品質な電源性能を求められている。当社では、このような高出力化の要求に対応するために高効率、小型化技術と高い応答性の電源制御技術を開発した。本報告では、これらの技術を導入した DC/DC コンバーターの特長について紹介する。

In order to meet the CO2 emission target, the electrification of power trains is accelerating in each country. The 48-volt mild
hybrid electric vehicle (HEV) can reduce CO2 emissions at lower costs than other systems, and therefore it is expected tobecome popular mainly in Europe. DC/DC converters installed in the mild HEV are required to supply high power with goodresponsibility. To satisfy this need, we have developed a power control technology that features a high efficiency and highresponse with a compact converter. This paper introduces the features of the converter.
キーワード：マイルド HEV、48V、DC/DC コンバーター

1.

緒言電機は、エンジン始動や発進時のアシスト、電力回生や発近年、世界的な CO2排出規制の強化や、世界統一の燃費測定基準 WLTP ※1への見直しに対応するために、各自動車メーカーでは EVや高電圧の PHEV

※2や HEV※3電機能を統合した ISG ※5、12V 電源系へ電力供給する DC/DC コンバーターで構成されている。

をはじめ、

※4

48V を主電源にしたマイルド HEV などのパワートレーンの電動化の開発を加速させている。
マイルド HEV は既存の12V 電源システムに比べて発電機ISGの高出力化が可能なので、電力回生の効率向上や、発進時DC/DCのエンジンアシスト及び低速での電動走行を行うことで、CO2排出量を低減できる。さらに、自動運転システムをは48Vじめとする大電力が必要な負荷の搭載も可能となり、商品LIB負荷鉛バッテリ負荷性の向上が期待できる。
また、電源電圧が60V 以下のため EV や HEV で必要な安全のための高電圧設計が不要となり、安価にシステムを導入

図1

できるメリットがある。特に、欧州を中心にマイルド HEV

マイルドHEV 電源システムの例の開発と普及が進んでいるが、今後は欧州だけではなく、中国においても市場が拡大し、2030年には電動化車輛の中で最もシェアが高くなる見込みである（1）。
当社ではマイルド HEV の48V デュアル電源システムで

3.

48VDC/DC コンバーターの特長

3－1

コンセプト

使用される48V DC/DC コンバーターを開発した。本稿で当社が開発した48V DC/DC コンバーターのシステム構

は、そのコンバーターにおける特長について紹介する。

成を図2に、主要諸元を表1に示す。最大3kW の出力に対応するため、効率96％以上、サイズ3L 以下を目標に開発

2.

48V 電源システム

48V デュアル電源システム構成の一例を図1に示す。特長であるバッテリの構成は48V 電源系にはリチウムイオン電池（LIB）、12V 電源系には鉛バッテリが搭載される。発36

車載48V電圧コンバーター

した。また、自動車は外部環境の変化により発電電圧や負荷電流が変化した場合でも安定した出力を維持できるように応答性が良い制御を目指した。
3－2

システム構成システム構成は図2に示すとおり、電圧変換部と電源制御部の他に、コンバーター故障時の12V 側に対する過電圧る部品を選定した（図3）。一方、導通抵抗による損失が支対策専用の保護部及び制御部を設け、機能安全を考慮した配的なローサイド FET には、導通抵抗が極小となる部品を設計とした。

選定した。

電圧変換部は出力電力が大きくなると、単相方式よりも1相当たりの電流を低減できる多相方式がより高効率化しやすいが、相の増加に伴い部品点数が増え、コスト増加やハイサイドFET大型化が懸念される。本システムでは効率やサイズ等の性

Qg×Ron＝最能とコストがバランスする、4相方式を採用した。

寄生L＝小電源制御は、アナログ回路で構成することも可能だが、⇒小型パッケージ

多相方式の場合は、電力変換部を制御する電子部品数が増加するため小型化には向かない。さらに、電源の追従性／ローサイドFET応答性の良い制御を実現するためには、高速で応答する回Ron＝最小Qrr=小路の追加が必要である。そこで、当社では高効率化、小型⇒逆回復電流低減化と電源制御の高品質化を成立させるために、高速な応答が容易なデジタル電源制御方式を採用した。

48V

図3

電圧変換部

12V

保護

保護

スイッチング部の設計コンセプト

次に、パターン設計では、FET やコンデンサのスイッチング電流の通電するパターンをできる限り短くすることが重要である。設計時にパターンの電磁界解析により、FETが On/Off したときの基板パターンの電流密度分布の偏り

Oﬀ信号

On/Oﬀ信号

保護制御部

On信号

On/Oﬀ信号

PWM

電源
制御

デジタル電源

On信号

保護制御部

Oﬀ信号

や、On/Off 遷移時間、サージ電圧やリンギング波形の解析結果から最適なパターン設計を決定した（図4）。その結果、スイッチング損失を当初から50％削減できた。

図2 システム構成図
コンデンサ

ド レ イン－ソース波形

項目値

入力電圧

24V～60V

出力電圧

10V～16V

出力電力

3kW

電圧

表１ 主要諸元

解析
実測
FET
電流密度
小大

図43－3時間

基板パターンの電磁界解析と実測

高効率化

コンバーターの損失割合を分析すると、最も損失量が多い部品は高速で On/Off する FET ※6で全体の40％を占める。
さらに、この FET の損失割合を分析するとスイッチング損

3－4

高放熱化

失が60％を超えていた。スイッチング損失を低減するため

当社の48V DC/DC コンバーターは、多様な出力と冷却には、用途に応じて適切な性能の部品を選定することと、条件に制約されないように、冷却方式を空冷と水冷で開発基板パターン設計の最適化が必要である。

した。冷却部はそれぞれ専用設計とし、コンバーター部を具体的には、部品選定において、スイッチング特性に影共通設計とすることで変化点が少ない構成とした（図5）。

響する寄生成分の小さい FET が最適だが、寄生成分は導通各方式の開発では熱解析を活用し放熱器の放熱性能を定抵抗と反比例になる場合が多い。今回の開発では、スイッ量化することで最適な放熱構造を決定した。例として、水チング損失が支配的なハイサイド FET について、導通抵抗

冷方式では水路の圧力損失を考慮した水路設計が必要なたと寄生成分の積をパラメータ化し、その値が極力小さくなめ、サイズに影響する水路厚みや機構的な制約により水路2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

37

させながら、体積を13％小型化できた（写真1）。これによ冷却部

空冷

水冷

必要なインダクタンスの相対値り、ユニット設計の自由度が大きく向上した。

コンバーター部

図5 コンバーター構造

従来コイル

10.5

磁気結合コイル

000.5

1Duty

図7

必要なインダクタンスの相対比較に生じた凹凸による圧力損失の見極めが必要である。そこで、設計したモデルで流体解析を行い水路厚みや水流を最磁束密度High適化した水冷構造を開発した（図6）。

圧力損失 [kPa]3電流の偏りによる磁気飽和無を確認

2

図8

磁束密度のシミュレーション写真1

試作した2相磁気結合コイル

Lo1012345

水路厚み [mm]図63－5

流体解析の結果

結合コイル

チョークコイルは、DC/DC コンバーターの構成部品の中で最大のものであり、ユニットの小型化への大きな障害であった。そこで、結合コイル（2）を利用し、チョークコイルの小型化を実現した。

3－6高応答性

結合コイルとは、複数のコイルで発生する磁束をコアでマイコンによるデジタル制御方式は、電子部品の組み合結合し、互いに干渉させることで、リプル電流の低減を可わせで制御部を構成するアナログ制御方式と比べ、電圧変能とする技術である。この技術を適応することにより、リ換部の多相化や位相制御に柔軟に対応ができることから、プル電流を一定値以下にするために必要なインダクタンス拡張性に優れている。

値を小さくすることができた（図7）。

一般にアナログ／デジタルにかかわらず制御部はフィード結合コイルでは、組み合わせたコイルの片側に電流が偏バッグ制御の一種である PI 制御方式※7が採用されることがると、磁気飽和を起こしやすくなるため、電磁界解析によ多い。PI 制御方式は精度よく電圧電流を維持できるため、り磁束密度分布を求め、電流の偏りにより発生する磁束を12V 側の負荷電流が急激に変動した場合でも俊敏に応答し抑制できる構造とした（図8）。その結果、2相1組の結合12V 側の電圧を安定に制御することができる。一方、48V

コイルを設計し、従来品と比較したところ出力を20％増加

側の電圧変動に対しては、PI 制御では追従できず12V 側の38

車載48V電圧コンバーター

電圧が大きく変動するため、当社では新たに48V 側の電圧4.

評価結果変動に伴う12V 側の電圧に対する影響を予測し、事前に電今回、開発した48V DC/DC コンバーター（水冷）の外圧変動を抑制する方向に PWM ※8を調整するフィードフォ

観を写真2に示す。水冷方式ではコンバーターのサイズは（図9）。
ワード制御を導入した（3）2.0L となったが、空冷方式では2.8L で設計した。
効率評価結果を図11に示す。最大効率は97.8％、最大出力の3kW では96.7％を確認した。
温度上昇試験の結果、水冷方式、空冷方式のどちらも3kW の常時出力が可能であることを確認した。また、熱解
析と実測値の差が10℃以内であった（図12）。

12V

48V

デジタル
PWM

マイコン

ADC

デジタル電源
フィードフォワード

PI制 御

図9

目標値

デジタル電源制御

写真2

開発品の外観（水冷）

図10に PI 制御 + フィードフォワード制御を導入したデジ
タル電源の48V 側の電圧変動における応答性能を示す。そ100

電圧変動は1V 以内となり、フィードフォワード制御の有効99性が確認された。
PI 制御とフィードフォワード制御を組み合わせることで12V 側の負荷変動と48V 側の電圧変動に対して、出力電圧の応答性が良い制御を実現できた。また、48V 電源の規格である「VDA320」の電源変動を与えても、安定した出力特性を示すことを確認した。

電力変換l効率（％）の結果、フィードフォワード制御の追加により、12V 側の98979695
入力電圧：48V94

出力電圧：14.5V93

温度：25℃

9233.55216.55015.5

12V側電圧

4814.54613.54412.54211.54010.5

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

時間（秒）
図100.5

148V 電圧変動における応答性能比較

1.522.5

2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

39

出力電力（W）

17.5

図11

電力変換効率140120温度（℃）

5448V側電圧（V）

018.5
48V側電圧12V側電圧（V）56

出力：2.4kW

実測
解析値(typ)

100
80
60
40
1相目

図12

2相目

3相目

4相目

熱解析と実測の比較

5.

結言

今回、当社では高効率かつ小型の48V DC/DC コンバー
ターの開発を行った。以下に特長をまとめる。
1.

スイッチング損失の低減により高効率化を実現し、
試 験 結 果 で は 最 大 出 力 の3kW で 効 率96.7％ を 示した。

2.

参考

文

献

（1） 山本真義、川島崇宏、「パワーエレクトロニクス回路における小型化・高効率設計法」、初版、科学情報出版、187p（2014）（2）「2018年版次世代自動車における技術革新と部品の変化」
 、総合技研㈱、180p（2018）（3） 田本貞治、「ディジタルコンバーターの回路と制御設計の基礎」、トリケップス（2013）

空冷、水冷方式に対応し、空冷方式では2.8L、水冷方式においては2.0L で設計し温度上昇試験において十分な熱性能を得られていることを確認した。

3.

結合コイル採用によりコイル体積を13％低減した。

4.

ドイツ規格「VDA320」の電源変動試験に準拠した

執

電源応答性能を獲得した。

川上

貴 史＊ ：㈱オートネットワーク技術研究所

土田敏之：㈱オートネットワーク技術研究所
技師

清水達哉

：㈱オートネットワーク技術研究所

中島新太：㈱オートネットワーク技術研究所

増田一輝：㈱オートネットワーク技術研究所

藤井滋之：㈱オートネットワーク技術研究所室長

筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
※1

WLTP

Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure：
国際調和排出ガス・燃費試験法。
※2

EVElectric Vehicle：電気自動車。
※3

PHEV

Plug in Hybrid Electric Vehicle：プラグインハイブリッド自動車。
※4

HEV

Hybrid Electric Vehicle：ハイブリッド自動車。
※5

ISG

Integrated Starter Generator：スターター内蔵発電機。
※6

FET

Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ。
※7

PI 制御方式

Proportional-Integral 制御方式：出力値と目標値の偏差と積分を用いた制御方式。
※8PWM

Pulse Width Modulation：パルス幅変調。

40

車載48V電圧コンバーター

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者