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» 2019年07月01日 06時00分 公開

電源システム解説:48VマイルドHVにガルバニック絶縁が必要な理由 (1/2)

48Vバッテリー電源を使用する自動車では、ガルバニック絶縁を考慮することが非常に重要です。絶縁は、グラウンドノイズに対する耐性に活用されるとともに、12Vシステムが接続する48Vシステムでグラウンドリフトや障害が発生した場合に12Vシステムを保護します。統合型の絶縁CANトランシーバーは、プッシュプルをベースとした絶縁DC/DC電源と組み合わせることで、48Vシステムを絶縁するためのコンパクトで効率が良く、堅牢で低ノイズの技術を提供します。

[Anant Kamath(Texas Instruments),MONOist]

 今日における自動車の設計は綱渡り的な作業です。

 現在の自動車では、ますます厳しくなる環境規制への対応と、増え続けるオンボードシステムや機器への電力供給のために、高電力と同様に高い効率性も求められます。効率と電力をうまく融合させるため、エンジニアは、ハイブリッド車(HEV)のような、従来のガソリンエンジンと電力動作を結合したシステムをこれまで以上に頼りにするようになっています。この手法により、厳しいCO2排出要件を満たしながら、性能や運転の質を向上させることもできます。

 デュアルバッテリー車載システムにはさまざまな技術テーマがありますが、12Vと48Vのシステムを結合した場合に不可欠でありながら、見落とされがちな部分であるガルバニック絶縁に今回は注目したいと思います。ガルバニック絶縁はグラウンドノイズに対する耐性に活用されるとともに、48Vシステムでグラウンドリフトや障害が発生した場合に、接続された12Vシステムを保護します。

 この記事では、48V車載アプリケーションでの絶縁の必要性について述べてから、CAN(Control Area Network)インタフェースにより48Vシステムを絶縁する、コンパクトで効率が良く、堅牢で低ノイズの手法について説明します。

ガルバニック絶縁が必須となる理由は3つ

 48Vバッテリー(通常は、リチウムイオン電池)を使用する車両でも、電子機器や低電力デバイスへの電力供給には従来と同じく12V鉛蓄電池が使われます。この2系統の電源で動作するシステムはお互いに通信できる必要があります。例えば、48Vスタータージェネレーターは、12Vバッテリーで動作するECU(電子制御ユニット)で制御されます。両システムのグラウンドは、車両のシャシーに接続します。図1で示すように、理論的には、2つのシステムを直接接続することは可能ですが(図1(a))、次のような理由からほぼ必ずガルバニック絶縁(図1(b))が必要となります。

図1. 12Vシステムと48Vシステムを直接接続した場合と、ガルバニック絶縁で接続した場合(クリックして拡大) 出典:テキサスインスツルメンツ

 1つ目の理由は過渡グラウンド電位差です。12Vシステムのグラウンドはボルトを使ってシャシーに直接接続します。48Vモジュールのグラウンドはケーブルを使って車のシャシーに接続しますが、このケーブルの長さは数フィートになることがあります。スタータージェネレーターやACコンプレッサーなどの48Vシステムを流れる大きなスイッチング電流は、グラウンドのケーブルが持つ誘電的性質と合わさって過渡グラウンドノイズを引き起こすことがあり、3.3Vまたは5Vの低電圧通信信号はこのノイズに大きな影響を受けてしまいます。信頼性が高いデータ転送には、ガルバニック絶縁が必要です。

 2つ目の理由は48V側のグラウンドリフトです。障害時やメンテナンス中に、場合によってはシャシーに接続するGND_48V(48Vのグラウンド、図1(a)参照)が切断されることがあります。この場合、48Vバッテリーに接続されているモジュールへの48V電源がそのまま維持され、12Vシステムへのインタフェースを含め、48Vシステムの全ての内部ノードが48Vにフロートすることがあります。12Vシステムの入力、出力ポートは48Vを扱えるように設計されていない可能性があるため、これは12Vシステムにとって危険です。図1bでは、これと同じ障害状態でも12Vシステムにストレスはかかりません。

 3つ目の理由は短絡状態です。図1aでは、48Vシステムに何らかの短絡があると、12Vシステムへのインタフェースに48V電圧が印加される可能性があります。このような潜在的な危険因子により、クルマの安全操作に不可欠な回路を含め、12V電源で動作する回路の多くが危険にさらされます。ガルバニック絶縁を施すことで、48Vシステムに短絡があっても12Vシステム側には波及しません。

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