APPLICATION NOTE
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オンボードチャージャ(OBC)
3 PFCコンバータ

けAND9957/D

でがしているで、バッテリチャージャのがますますえています。 のおよび の というから、3はにべて｢3｣のパワーを できるとえられています。
  で   す る3 PFC ボ ー ド は 、 シ リ コ ン カ ー バ イ ド
MOSFETをベースにしたオンボードチャージャシステムの'のステージの(であり、システム)の*+とBOMの,につながります。
このボードの1は、ボード+の- デバイスに!
にアクセスして、12にのテストや"4をできるようにすることでした。この#5ボード(EVB)の6、フォームファ
クタの$を%にしているわけではありません。
システム• &いfs':(60〜140 kHz)• &い)(fs 100 kHzに98.3%)• ;い<':(167〜265 VPH rms)
• =>*• 3フルブリッジA(BVDCSAH

SBH

SCHFigure 1. Board PhotoSAL

SBL

SCL

VOLTAGE SOURCE INVERTER

Figure 2. Topology − High Level© Semiconductor Components Industries, LLC, 2019

August, 2021 − Rev. 3

1

Publication Order Number:
AND9957JP/D

AND9957/D
DC B US

3.3 V
24 V

3.3 V

MC U AN
OpAm psEMI
FilterPowerGrid

MC UAN
OpAm psCurrent
SensorEarth
24 V
MC UDIGIT AL

3.3 V
VOLTAGE SOURCE INVERTERMC U AN

15 V

OpAm ps

Isolated Gate
Isolated
Gate
DriverIsolatedGate
DriverIsolated
Gate
DriverIsolated
Gate
DriverIsolated
PWM, EN, FAUL T
Driver Gate(from & to MCU)

3.3 V
DC BUS

DCDC

24

DCDC

15Gate Dr iverGate Dr iverFault Mngm
(Logic)Dr iving HS

3.3 V

3.3 V

5V

Relay, FAN

DCDC
OpAmp

DCDC

5

DCDC
Analog Oﬀ

1.65

Microcontroller/ DSP

CAN Interface
To BMS

3.3

Dig, OpAmp

Figure 3. 3−Phase PFC Block Diagram

アプリケーション/ の"CD%な)EをFigure 3に*します。ここでするボードは、)E4+の,-でのテストの12FをGHI.としており、JKやLMをにしたものではありません。
このボードのNは/であり、50 HzO0Pの3を<コネクタに すると、PFCトポロジのF1により、TバスコンデンサVが+Wします。MOSFETをX2するブリッジレスPFCは、MOSFETにZ3フリーホイールダイオードが]^するため、<からTまで1つの(パスを_4します。-MOSFETがすべてオフの6、このボードは3ダイオードブリッジに/できます。A(`の<ACVは、Vのabと、MOSFETのボディダイオードの5>*Vにcづき、4+6みレベルに74されます。ただし、この(では<dにeなくとも167 Vrmsがfgされていることをhとしています。このため、2つの8なるラインをj9する1kのlmが、:<(をn;するopを<たします。バスVが400 Vに=すると、2スイッチフライバックコンバータがNをqします。フラ
イバックコンバータは24 Vを し、ついでr>のDC/DCレギュレータがuの?vにw なVレベルのVを3xして、デジタルy@およびアナログy@に します。

MCUはウェイクアップすると、-ADCチャネルのオフセットVをABするほか、バスVのCDや<VのEFをい、<VにcづいてVのO0PとGKを4します。これらのGKをシステムのcHGとして､JKをうことになります｡
DCバスVがになると、MCUはリレーにlmをバイパスするコマンドをし、TバスVのさらなる+WをMします。ただし、このV
gbは、A(`の<Vab√6∙VPH,RMSよりいくらかLさくなるはずです。
MCUはバスVがびになるまでNし、になると7003Vを としてバスVのnをqします。この はrステップではしませんが、パラメータされたOにって、P+WジェネレータがQ 7003VへとバスVをき+げます。
このPFCはR(イベントにし、NCV51705ゲー
トドライバのDESATNSをT2した、1kのハードウェア_UNSをVしています。このボード+では、NVHL080N120SC1 シリコンカーバイドMOSFET(Nチャネル､1200 V､80 mW､TO247−3L)のWFにcづき、50 Aのスレッショルドが74されています。
この_UNSにXするすべてのフォールトライ
ンをY6して、MCUへの1の<を3xします。

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2

AND9957/D
この<はPWM3xにするハードウェアZのopを<たします。[\のリセットは、GUIからするリセットコマンド、またはパワーダウン/パワーアップシーケンスのみであり、c%にHW/SWリセットをします。Figure 4に、ハイレ
ベルSWNの) を*します。
FAULT HANDLER(DESAT FAILURE FEEDBACK MANAGEMENT)ERROR

NO_FAULTIDLE(Ini�aliza�on)

STOP
Wait 5 sec.

TMR_EXPIRED &&fault_cnt < NUMBER
OF THR. FAULTDC BUSVOLTAGE_CONTROL(normal behavior)

FAULT
PERMANENTADC OFFSETVERIFICATION

Adc oﬀset
validatedvBus1 notstable

INRUSH RELAY

FAULTTEMPORARYRESET FAULTvBus2 stable

vBus2 notstable

INRUSH OVERCONTROL HANDLER(FLOW DIAGRAM BEFORE STARTING THE OUT VOLTAGE CONTROL ALGORITHM)

Figure 4. Flow Diagram of Preliminary Steps before Activating DC Bus Voltage Regulation

アプリケーションがDC BUSVnに<ると、[イベントが3していない6、MCUは]^>*n(FOC)によるVnアルゴリズムをします。
このnアルゴリズムは?ループが(xvをnするモータn>に ています。¡?ループはバスVをnします。PFCのは、-のVと-の(の で0°の¢£を_4することなので、V¤4NSはD_(にして¥きかけます。Q_(は0に74されます。D_は｢ACTIVE(¦))｣xvを`すのにし、Q_は｢REACTIVE(a))｣xvを`します。Figure 5に、nアルゴリズムのブロック§を*します。

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3

AND9957/D
ϑVOLT
I D,REF

V BUS,REF
V BUS,MEAS

VBUS,MEASVOLTAGEREGULATIONVA,REFI D,MEAS
CURRENTREGULATIONI Q,REF = 0

VB,REFd A,REF

MODULATIONFOR DUTY CYCLE
GENERATION

VC,REF

I Q,MEAS

d B,REFd C,REF

I D,MEAS
I Q,MEAS
VBUS,MEAS

ANALOGSENSING

V BUS , VPHASES , IPHASESϑ VOLT

Figure 5. Control Block Diagramnアルゴリズムのためにサンプリングされるアナログ"4 は、¨©のとおりです。
• ((3bY)• ラインV(3bY)。<コネクタにªcポイントが]^しないのでラインVを"4• DCバスV

ループ(?)の&y¼wと、¡?ループ(V)の¼w
yK¿©をÀÁするのがrz%です。
Figure 7に、V6みnループの{|な§を*します。このようなnループは、s¸された
PWM}O0PにXなく203kHzでNします。W4のPWMカウンタ でADCペリフェラルをトリガする%でÄÅÆ5が]^しますが、PWMO0PはnO0Pからほぼqcしています。
このÆ5をX2すると、~Pの(の でx½なXをÇできます。MªcをÇつスター
j9の3bの6、(6の が0にしくなることがÀÁされます。
この(でs¸されたMCUはArm® M3をベースとする 2Èです。クロックO0Pは84 MHz、É<チャネルÊきrS/HおよびADC、1 MSPS、12ビットvSをWÌとしています。1yのADC¯のg­ はおよそ1 msです。
-に(れむ(は､みÍりg­､&yPWM
O0P、%なスイッチの、WVインダクタンスがÎÏで、ごく  のうちにbにするSFがあります。したがって、このようなÐが3しやすいをÑÒするために､3つの>9したPWMÅ にわたって(がサンプリングされます。
これは、$²なNSをA_するためにs¸できるLPWMO0Pは、n>の3つまり60 kHzになることをします。もちろん、M1PWMO0Pも]^し、140 kHzです。このn;をÓ<するは、Ôたな"4のためにADCペリフェラルをKトリガするhに、-PWMÅ で"4をうのにw なN が]^するためです。Figure 6に、このn;の`にあるを*します。

ライン« のVをX2して、ACVフェーザのdの¢eが4されます。fに､このGKqをX2して､(のg­を0°で¤4させます。これがPFCの®なopです。このV¢eをX2し､クラーク¯とパーク¯をして°4%なABC±bcHから、yhbDQフレームに²り³えます(PFCの6、D_はVフェーザのabをする)。
θを´µできているので、すべてのi%"4をDQ bで`jできます。このような/によ り ､ A  に ! k なPI/PID レ ギ ュ レ ー タ を X 2できます。ここでlmの4+をnoすると､PIDはProportional Integral and Derivative ((、pv、¶v)¤4のlmで、これらをqにまたはrみ6わせてbに$2できます。いかなる6でも、¤4
させるNBの·=XPにcづいて$²なs¸tがuまります。
1kの4PをcH"4 として¹4した6、PIレ
ギュレータはAかに)<%な¤4をってv£を0にすることはできますが、ACcH"4 を¤4するSはありません。いずれの6も、PIのループº»bと ¼wの でx½なトレードオフをjする$²なシステム¤4FをA_するには、PIレギュレータのキャリブレーションがw です。(www.onsemi.jp
4AND9957/D
CNTRL
INTERRUPTfCONTROLALG ORITHM

SAVE
ADC

ALG ORITHM

ADC TRAPTPWMcounter for
duty cycle
generation

SAVE
ADC

ALG ORITHM

ADC TRAPTSAVE
ADC

Value sampledprevious period are
now used in thecontrol algorithm

ALGORITHM

time

ADC TRAPT

fPWM
ADC
Trigger

ADC
Triggertime

ADC
Trigger

Phase current sample:
IA or IB or IC

ADC
PERIPHERALACTIVITYLine to Line voltage sample:
VAB or VBC or VCA
DCLINK voltage sample:
VDCBUS

Figure 6. Main Peripheral Interaction and Control Algorithm Execution"4 がサンプリングされたときから、n>でその が1%にX2されるまでに、ØAなg­が]^します。ただし、このようなg­はJÙされません。そのは、® なNO0Pがs¸された
nO0PのOÅをbに©yっているためであり、<%にこのg­はaDできる としてÚわれます。
ADCから"4 がÍÛできたで、nのVはFigure37のようにØになります。

Figure 6からvかるように、ÔしいADCトリガをできるのは、アナログ"4 が3y((1y、V2y)サンプリングされ、<データレジスタをメモリにするためにADCからCPUに¯QÕpり
みがされ、ADCがÔしい"4をうHÖができたときです。-Æ5には3.5 msを します。3yのPWMÅ がRした`、みÍり>をK'Å
するÔしいnpりみが3するまで、ADCがトリガされることはありません。
1yのnÅ ªに×された"4 は、fにX2
SなnÅ にX2されます。ADCからアナログ

VD
PIREG
VBUS,TARGET

VoltageRamp

VREF+-+ID,REF ++-+PIREG

VD,REF+VBUS,LP F

Adapta�ve
DREG

ID,EST

VA,REFCROSS
COUPLING

DQ → ABC

VB,REF
VC,REF-IQ,REF = 0+-PIREG

MODULATIONSTRATEGY
1. Sinusoi dal
2. Sin + 3 rd Harmonic
3. SVM
4. FBM
5. FTM
6. Discon�neous 1

VQ,REF+IQ,ESTVQ

VBUS,LP F

LPF

vBus

ABC → DQ

iPhas es

IQ,EST
ID,EST

ADC MEASUREMENT&POST-PROCESSING

ϑEST
VD
fEST , ϑESTvLine

VQ

Figure 7. Control Algorithm, Detailed Description

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5vBus

DutyCycle_A
DutyCycle_B
DutyCycle_C

AND9957/D+したように、}O0Pは60 kHz〜140 kHzのでs¸でき、これがシリコンカーバイドMOSFETをX2するÜです。もちろん、システムNのからいえば、スイッチングO0Pを&くすると、スイッチングÝÞがきくなります。その<、ダイのがかなりÉくなり、K+WにßってRDS,ONもgするためÓÝÞもきくなります。
このため、はボード+にファンをVしてし、SiC MOSFETをÍりÊけたヒートシンクを9%にáâする>をÁ4してきました。ファンをするのはMCUですが、jではそのyKは°4されています。¦) にcづくファンyK}
AもVSです。この6、 はID,REFにK(します。
ÝÞを¿しシステム)を*+させるために、ãの>をVすることもSです。<をしたセクションに{|なäåをæoします。

リレー
リレーのレイアウトは、ô<にボード+にVされている13.6 Wのlmが:<(をn;することをÁ4しています。このlmを²り¤すには、INRUSH_OFFピンの74をデジタル のHighに²り³えます。ô<にこのピンはLowに'Åされます。
ゲートドライバシステム

このボードには、6kのゲートドライバがm ¥でVされています。-ドライバは、MDC/DCコンバータ、デジタルアイソレータ、NCP51705ゲートドライバで xされています。NVP51705は、SiCMOSFET2のö2デバイスです。-セクションには、2つの<と1つのT(ゲートドライバから¦た6。MCUdからは2つの<および1つの<)の3のデジタルピンがあります。MCUは､-ドライ
バにディセーブルéêを するw があります。
このéêはd、PWMéêの÷h<およびPWM
éêDを`します。MCUはフォールトピンをEFするw があります。このピンは、ゲートドライバレベルの[\を`します。
ゲートドライバのNをよりØAにするには、onsemi.com Webサイトで<Æできるゲートドライバのデータシートをø§してください。
ゲートドライバで[が3すると、ゲートドライバはPWMTを%にディセーブルにします。
フォールトピンはMCUに[\をFするのにX2されます。このような[が3するのは、ùはR(イベントがÎÏです。ただし、それ¨¡の8ù\によってトリガされるSFもあります。
[イベ ントが 3す ると､ ゲ ートド ライバ にPWMéêが されなくなり、ディセーブルピンがびアクティブになります。
-ゲートドライバのフォールトピンは、6kの<をÇつ1kの｢OR｣ポートにされます。ついで、これらをrみ6わせた<を`すPWM_FAULTが、MCUでÜ2SなハードウェアPWM[ピンにj9されます。
ゲートドライバのNSをディセーブルにするために、DISABLEピンはHIGHに'Åしなければなりません。n>が、¦)なデューティサイクルä
åをTSなになると、DISABLEをLowに74するw があります。

ハードウェアの"
このシステムは2のボードで xされます。1
は4çボード、もう1は4çnボードです。
ボードには､¨©の?Èがèoされています。
• <をバスVに¯するためのCy@(リレー、WVインダクタ、SiC MOSFET、DCバスコンデンサ)• アナログéêのコンディショニングにX2する1fy@(5 V':への¯にX2)• 1kのファンとそのy@• ゲートドライバサブシステム(MOSFETごとにÄy@をV)• &Vから24 Vに¯するDC/DCコンバータ• スイッチングノードでループ¡をLするvíMコネクタ
nボードには¨©の?Èがèoされています。

• マイクロコントローラおよび(シリアルéでの)Mプログラミング2y@• Figure 3に*すように、24 Vから- DCVレベルへの¯• 2fアナログéêコンディショニング。ボードから<をïけÍり、3.3 V':に}A• ゲートドライバからð¢したフォールトéêをñするロジックゲート• ボードに6わせたLEDおよびvíMコネクタ

テスト¨©のテスト<は、ボードに230 Vrms､50 Hzを して3xされたものです。
nアルゴリズムは、100 nsのデッドタイムを74して、100 kHzのスイッチングO0Pを するよ
うに xされました。X2されたWVインダクタ
は、úインダクタンス330 mHのものです。
MOSFETをするゲートlm は、ソースに223W、シンクに4.73Wで、(に¨©のスイッチングWFを_4しています。

ファン

ファンには¨©の2のピンがw です。
• FAN_ON_OFF：このピンをHighに74するとファンに24 Vが されます。
• FAN_PWM：これはパルスb}ピンです。デューティを&くするとファンyKが+Wし、óniがgします。

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6AND9957/D

Figure 8. Switching Speed Low Side SiC MOSFET

この(リップルはPWMO0PとバスVにXしますが、ゼロシーケンスVからもきなüªをïけます。ゼロシーケンスVは、PWMÅ ªにインダクタ両«で3xされるVにüªをýぼします。

PWMにXする¨々な>がVされテストされました。これらの->は、¿O0エンベロープがTターゲットに©している にインダクタで3する&O0(リップルにüªをýぼします。

VAM = VA0 − VM0

Figure 9. Tested Modulation Strategy

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7

AND9957/DFigure 10. Efficiency Results @ fPWM = 100 kHz

`に、PFCボードを100 kHzでNさせ、不>9タイプ1}>をs¸した6のシステム)の<を*します。
99

EFFICIENCY [%]

98.5

98

97.5

97
2E+33E+34E+35E+36E+37E+38E+39E+31E+4

OUTPUT POWER [Watt]

Figure 11. Efficiency Results @ fPWM = 100 kHz

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