Monolithic Power Systems, Inc. · NASDAQ:MPWR
Monolithic Power Systems — Technical Presentation (May 2018)
32 slides from Monolithic Power Systems's technical presentation, May 4, 2018
Slide 1: MPSの車載用電動化電源ソリューション
MPSの車載用電動化 電源ソリューション MPSジャパン合同会社 FAEマネージャー 合屋 俊介 rev 20180504
Slide 2: トピック
トピック • 電気自動車(EV)サブシステム • システムブロック図 - 車載用オンボード・チャージャ & DC/DCコンバータ - トラクション・インバータ - 充電ステーション • 電動化に向けたMPSの電源ソリューション • 絶縁バイアス電源用LLC共振コンバータ • まとめ
Slide 3: 電気自動車(EV)のシステム
電気自動車(EV)のシステム バッテリーマネジメントシステム バッテリーの状態、充電状況、車両バッテリーの セルバランス管理 車載用オンボード・チャージャと DC/DCコンバータ 車載用オンボード・チャージャは、充電ステー ションのAC電圧をDC電圧に変換し、高電圧 トラクション・インバータ バッテリーを充電 高電圧バッテリーのエネルギーを電 DC/DCコンバータは、車両のサブシステムを駆 気モータ駆動、およびブレーキのエ 動するため高電圧バッテリーを48/12Vに変換す ネルギーを回生するために変換 るために使用
Slide 4: 車載用オンボード・チャージャ / EVのDC/DCシステム
車載用オンボード・チャージャ / EVのDC/DCシステム 車載用オンボード・チャージャの 設計 絶縁型デュアルチャネル・ゲートドライバ 1mΩ 高周波数 • 一般的に約10kW～約20kW MPQ18913 トランスドライバ 1x-3x AC Phases 1mΩ Va • プラグイン・ハイブリッド MPQ1883x MPQ1883x MPQ1883x MPQ1883x MPQ1883x MPQ1883x MPQ1883x Vb Load 車両とバッテリー電気自動 Vc 車の双方で使用 MPQ18913 • 効率向上と多様なEV車種展 開を見据えて、SiC FETに 移行 X3 Iin Is
Slide 5: トラクション・インバータシステム
トラクション・インバータシステム トラクション・インバータの 高周波数トランスドライバ 設計 絶縁型ゲートドライバ 絶縁型ゲートドライバ Optional 200V-800V Inverter x1 or x2 • 電気モータ駆動のため車両の DC/DC 高電圧バッテリーに接続 100V-400V MPQ18913 MPQ18913 MPQ18913 20kW-200kW HV Battery MPQ18911 MPQ18911 MPQ18911 MPQ1883x Pack • 電力レベル: 数十kW-数百kW Motor MPQ18913 x1 or x2 MPQ18911 MPQ18911
Slide 6: DC急速充電システム
DC急速充電システム DC急速充電ステーション 絶縁型デュアルチャネル・ゲートドライバ • 3フェーズのAC電圧を250V～ 高周波数トランスドライバ 380VLLRMS (CN) 絶縁型ゲートドライバ 800VのDC 電圧に変換 Transformer Driver 400VLLRMS (EU) Bias MPQ18913 250VDC to 800VDC 480VLLRMS (US) Iso. Gate Driver Iso. Gate Driver • 350kW+出力を得るために Iso. Gate Driver MP1883x MP1883x サブユニットを複数並列配置 Relay
Slide 7: 車載 EV / MHEV アプリケーション
車載 EV / MHEV アプリケーション • システムの安全レベルを最大化するため多様 な絶縁要求に対応 • 業界をリードするパフォーマンス 充電ステーション • ソリューションサイズを最小化するため最大 10MHzのスイッチング周波数 絶縁製品はさまざまな安全仕様に準拠: • UL1577 – E322138 • VDE V 0884-11 48V DC/DC 車載用DC/DC 車載用オンボード・チャージャ ベルトスターター トラクション・インバータ ジェネレータ AEC-Q100 対応製品 ・絶縁型ゲートドライバ ・絶縁型電源 ・ハーフブリッジGaNドライバ ・デジタルアイソレータ ・絶
Slide 8: 絶縁型ゲートドライバ / 電源製品ロードマップ
絶縁型ゲートドライバ / 電源製品ロードマップ MPQ18913 MPQ18914 MPQ18811 Half bridge Transformer 絶縁電源用LLC共振コンバータ Half bridge Transformer 6A/10A, 3kVRMS MPQ1918 driver for Isolated Supply, 絶縁電源用LLC共振コンバータ driver for Isolated Supply, 6A / 10A、3kVRMS 40ns propagation delay 100V Half Bridge GaN 100VハーフブリッジGaN ハーフブリッジドライバ ハーフ
Slide 9: MPQ18811 - 絶縁型シングルチャネルゲートドライバ
MPQ18811 - 絶縁型シングルチャネルゲートドライバ VBUS 特長 SOIC-8 NB VDDI VDDO L1 ⚫ 最大5kVRMS の入力ー出力間絶縁 VDDI VDDO C1 C2 ⚫ CMTI >100kV/µs GNDI VSSO SW ⚫ TTLおよびCMOSに対応した入力 R1 IN+ OUT ⚫ 差動入力制御 IN- CLAMP ⚫ オプション (5V / 8V / 10V / 12V / 15V) のUVLO付き 最大30Vの出力駆動電源 ⚫ 出力オプション: SOIC-14 NB ミラークランプ付きのシングル出力またはスプリット出力 VDDI VDDO ⚫ 6Aソー
Slide 10: MPQ1918-AEC1 (100V ハーフブリッジGaNドライバ)
MPQ1918-AEC1 (100V ハーフブリッジGaNドライバ) 特長 Vin HGP PWMH BST ⚫ 100 VDC定格 HGN PWML ⚫ 3.7V～5.5VのVCC範囲 VCC MPQ1918 SW ⚫ 0.27Ωシンク抵抗 / 1.2Ωソース抵抗 1u ⚫ 独立したハイサイドおよびローサイドTTLロジック入力 LGP LGN ⚫ ターンオンとターンオフの独立したゲート出力 GND ⚫ 内部ブートストラップクランピング ⚫ 定格20nsの高速な伝播時間 N/C VCC PWML (PWMH/PWML rising/falling vs HGP/HGL rising/falli
Slide 11: MPQ1918 + EPC2206のコラボレーション
MPQ1918 + EPC2206のコラボレーション VCC: 5V, Vin: 48V, Vout: 12V, Fsw: 1MHz
Slide 12: MPQ18831 / 51 / 71 - 絶縁型デュアルチャネルゲートドライバ
MPQ18831 / 51 / 71 - 絶縁型デュアルチャネルゲートドライバ MPQ18831 デュアル入力HB 特長 VDDO C5 VBUS D1 ⚫ フレキシブルなコンフィギュレーション VDDI VDDI VDDA R1 - 独立したデュアルチャネルドライバ: MPQ18851 C1 VDDI OUTA GNDI C2 - デュアル入力のハーフブリッジドライバ: MPQ18831 VSSA SW EN/ - PWM入力のハーフブリッジドライバ: MPQ18871 DISABLE VDDO INA VDDB ⚫ 最大5kVRMS の絶縁 R2 INB OUTB ⚫ CMTI >100k
Slide 13: さまざまなパッケージにおける絶縁電圧定格
さまざまなパッケージにおける絶縁電圧定格 SOIC-16 WB SOIC-16 NB LGA-13 パッケージ 絶縁定格 SOIC-16 WB 5k Vrms SOIC-16 NB 3k Vrms LGA-13 2.5k Vrms
Slide 14: ゲートドライバにおける電源デバイス要件
ゲートドライバにおける電源デバイス要件 Si FET IGBT SiC FET GaN FET スイッチング周波数 高 (>20kHz) 低～中 (<100kHz) 高 (>20kHz) 非常に高い (>1MHz) レール電圧 最大650V > 650V / 1000V > 650V < 650V 電力 低～中 (<10kW) 中～高 (>3kW) 中～高 (>3kW) 低～中 (<10kW) 動作時駆動電圧 10V～12V 12V～15V >20V (正 + 負) ~5V ネガティブ 必要なし 推奨 一般的に必要 重要視されない ゲートドライブ電圧 12V / 15V 出力UVLO 5V /
Slide 15: MPQ18913 - 30V、0.5A バイアス電源用絶縁LLC共振コンバータ
MPQ18913 - 30V、0.5A バイアス電源用絶縁LLC共振コンバータ 特長 • 5V～30Vの入力電圧範囲 (50Vサージ) 24V • ハーフブリッジトラン用スドライバ絶縁型LLC共振コンバータ +20V • プログラム可能なスイッチング周波数: 750kHz-5 MHz (913) C1 4.7uF EN/ VIN • プログラム可能なスイッチング周波数: 750kHz-10MHz (914) SYNC BST C6 TX1 D1 C5 R2 4.7k C2 FLT • 4.7uF 周波数同期のための外部クロック入力 DET SW 0.1uF 2.2uF • 自動共振周波数検知
Slide 16: PCB実装面積比較 – 絶縁型バイアス電源
PCB実装面積比較 – 絶縁型バイアス電源 MPSソリューション 他社のフライバックソリューション 17.8mm 27.5mm Flyback Converter ソリューションサイズ: 109 mm2 ソリューションサイズ: 180 mm2 全面積: 196 mm2 全面積: 275 mm2 部品点数: 21 40%も 部品点数: 26 面積を 縮小!
Slide 17: MPQ18913 vs. フライバック： BOMコスト分析
MPQ18913 vs. フライバック： BOMコスト分析 MPQ18913 PSR LLC共振トポロジー フライバックコンバータ 46%も トポロジー BOM コストを 高電圧コンデンサ 11.6 uF(≒$0.12) 4.7uF+0.1uF (≒$0.05) 削減! 4.7uF + 2.2uFx2 + 1uFx2+α 低電圧コンデンサ 1uF+0.47uF (≒$0.01) 64uF+47nF (≒$0.32) ショットキーダイオード 2 (≒$0.08) 1 (≒0.04) ツェナーダイオード 0 3 (≒$0.12) スイッチングダイオード 0 1 (≒$0.04) 抵抗 2 (≒$0
Slide 18: MPQ18913 vs. フライバックトポロジー
MPQ18913 vs. フライバックトポロジー MPQ18913/4 他社のPSR LLC共振トポロジー フライバックトポロジー スイッチング周波数 高い (最大10MHz) 低い (<400kHz) トランスのサイズ 13uH (11 x 6mm) 30uH (10 x 10mm) 漏れインダクタンス 共振タンクの一部としてリー リーケージインダクタンスで電圧 ケージインダクタンスを使用 スパイクと余分な損失が生じる 絶縁電圧 高い (最大5kV) 低い (1.5kV) 絶縁容量 低い (6pF) 高い (13-25pF) EMIエミッション 良い 悪い パッケージサイズ 2 x 2.5m
Slide 19: F-bhE D4 SARE BR
F-bhE D4 SARE BR Bo Moc. | © ISOLATED GATE DRIVER POWER | i MP18631 CONVERTER | aT | i.e S | ue S i | end | i | | Controller at || Vsw | i )\ ' | mrS
Slide 20: F-bhE / NFR Bik (iS)
F-bhE 4 / NFR Bik (iS) 5 | | 1 t ° | q SECONDARY | | | | LI PRIMARY LLL = ——— Eee ee a Vop fi Voc —— aS oc ISOLA’ SO! TED GATE DRIVER 1 POWER | I CONVERTER | RX Logic) ve _|| | Circuit | Si ) | lI Controller | iH | — lI Vsw JA !
Slide 21: ゲートドライバ電源用のトランス要件
ゲートドライバ電源用のトランス要件 Isolated power supply Vbus=800V 高電力システムのトレンド C_ps ▪ バス電圧の増加 → トランスに高い絶縁耐圧が必要 GDIC ▪ 高いdv/dt → 低い巻線間容量が必要 High dvdt>100V/ns 例) GDIC ▪ 線間容量20pF(仮) ▪ ICM= 100V/ns x 20 pF /2 = 1 A C_ps → ICM はMCU、GDIC (Gate Drive IC)、GDPS (Gate Drive Power Supply) 動作に悪影響をもたらす
Slide 22: 低容量トランスの設計
低容量トランスの設計 ϵ0 𝜖𝑟 𝐴 𝐶𝑊 = 𝒅 CWを小さくするには → 巻線間の距離を広げる ※ε0: 真空の誘電率、εr: 誘電体の比誘電率、A: 極板面積 d
Slide 23: 絶縁容量とリーケージインダクタンス
絶縁容量とリーケージインダクタンス ϵ 0 𝜖𝑟 𝐴 𝐶𝑊 = 𝒅 CWを小さくするには → 巻線間の距離を広げる 巻線間の距離を広げる → LLKが大きくなる 8𝜋 2 × 𝑟 × 𝑁𝑃2 𝑏1 + 𝑏2 𝐿𝐿𝐾 = 𝒅+ ℎ 3 d
Slide 24: リーケージインダクタンスを伴うフライバックコンバータの駆動
リーケージインダクタンスを伴うフライバックコンバータの駆動 フライバックコンバータ 一次側を通過する電圧
Slide 25: スナバ回路付きフライバックコンバータ
スナバ回路付きフライバックコンバータ ◆ スイッチング電圧のスパイクはデバイス定格以内に抑える必要があり、スナバ設計の複雑化 ◆ 損失とノイズ要因となり、最大動作周波数を制限 ◆ 大きなリーケージインダクタンスは電源のパフォーマンス悪化
Slide 26: リーケージインダクタンスを伴うLLC共振コンバータの駆動
リーケージインダクタンスを伴うLLC共振コンバータの駆動 ソフトスイッチング ZVS -> LLCで高い周波数動作を実現
Slide 27: SiC FETをバイアスする設計サンプル
SiC FETをバイアスする設計サンプル rev 20180504
Slide 28: MPQ18913を使用したマルチ出力
MPQ18913を使用したマルチ出力 ➢ 1次側と2次側を分ける２スロット構成トランス 5kV 強化絶縁 ➢ Cps<1pF、Lm=28uH、Lk=5uH SiC FET +20V/-4V SiC FET Vout_1 12Vin 29V +20V/-4V SiC FET 昇圧 LLC +20V/-4V Vout_2 MPQ3910 MPQ18913 12Vの車両バッテリーから入力 が来た場合、昇圧はオプション Vout_3 MPQ3910: 5V-35Vin 昇圧コントローラ MPQ18913: 5V-30V LLCトランスドライバ • 周波数: 30kHz～400kHz • 周波数: 75
Slide 29: MPQ3910とMPQ18913使用時の性能
MPQ3910とMPQ18913使用時の性能 ロードレギュレーション: MPQ3910 + MPQ18913 効率: MPQ3810 + MPQ18913 24 0.900 23.9 0.850 23.8 0.800 23.7 0.750 0.700 出力電圧 (V) 23.6 効率 0.650 23.5 Vout_2 0.600 23.4 Vout_1 Vout_3 0.550 23.3 0.500 23.2 0.450 23.1 0.400 23 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 負荷(mA) 負荷 (mA)
Slide 30: MPQ18913 vs. フライバックコンバータ
MPQ18913 vs. フライバックコンバータ MPQ18913 他社のフライバックの スイッチング波形 (トップ) スイッチング波形
Slide 31: MPQ18913 vs. フライバックコンバータ
MPQ18913 vs. フライバックコンバータ MPQ18913は、フライバックにおいて入力レールにスイッチングノイズ (赤丸部分) をもたらす ハードスイッチングに比べ、より良いEMIをもたらすソフトスイッチングトポロジーを採用 MPQ18913 入力電圧波形 (下部) 他社のフライバック入力電圧波形
Slide 32: 結論
結論 • MPSは車載用オンボード・チャージャ、トラクション・イン バータ、充電ステーション向けに革新的なソリューションを提 供し、車載電力化市場に注力しています o 絶縁型ゲートドライバ o GaNドライバ o バイアス電源用トランスドライバ • 絶縁型LLC共振コンバータは、IGBTやSiC FETなどのバイアス 電源に最適で、従来のフライバックを超えた次世代設計におい て電力密度を増加させるのに役立ちます
Monolithic Power Systems — Technical Presentation (May 2018) on 6ix