1918

シミュレーションによるデザインの改良

オーバーシュート電圧からの保護 伝導性EMI（電磁妨害）の予測

まとめ

オー

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ショ

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集

オートモーティブ・ソリューション特集

ハイブリッド / 電気自動車向けにIGBTを用いた革新的なパワー・エレクトロニクス・システムを短期間で開発するには、正確なモデリングが鍵となります。この点について、Magna Electronics社 パワー・エレクトロニクス開発エンジニア Shengnan Li氏（工学博士）にご説明いただきます。

オートモーティブ・ソリューション特集

Magna Electronics Inc.,　パワー・エレクトロニクス開発エンジニア　Shengnan Li氏

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ハイブリッド車 / 電気自動車向けIGBTベース・パワー・エレクトロニクス・システムのモデリング

独立系コンサルティング/リサーチ会社のIDTechEx社がまとめた報告書では、2025年までに「電気自動車の魅力的なラインナップを揃えることができない自動車メーカーは自身の死刑執行令状にサインをしているようなもの」と形容されています。そう考えれば、現在ハイブリッド/電気自動車

（HV/EV）市場でかつてないほどの成長が進行し、新しい技術革新が次々と生まれているのも当然といえます。

この新しいHV/EV市場のサポートに注力するため、Magna Electronics社はトラクション駆動/制御アプリケーション向けの革新的なソリューションの開発、インテグレーション、製造を手がけています。これには、インバータ、DC-DCコンバータ、モータ、バッテリ・マネージメント・システムをはじめとする重要な部品の設計が含まれます。

パワー半導体デバイス / モジュールは、すべてのパワー・コンバータで重要な役割を果たす部品です。HV/EV用インバータなど、中～大電力のアプリケーションには、高耐圧 / 大電流のIGBT（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）モジュールが広く使用されています。特にインバータ設計では、デバイスの特性がインバータの挙動と周辺回路を決定するため、IGBTは重要な部品と位置づけられます。

一般に、ラボでデザインを変更したり回路機能の検証をするのは非常に多くの時間とコストがかかりますが、回路シミュレーションを利用すれば電気エンジニアの設計作業を大幅に効率化できます。

Saber Model Architectには、IGBTモジュールのデータシートに基づいて静特性と動特性をモデリングする機能があります。データシートのグラフをスキャン・ツールでSaberにインポートすると、グラフの曲線に合わせてアンカー・ポイントが調整されます。ここで重要になるのは、ターンオン/オフ遅延および立ち上がり/立ち下がり時間に合わせてIGBTの動特性（フライバック・ダイオードの接合容量、テール電流、逆回復特性など）をキャラクタライズする機能です。主要なパラメータを調整することにより、同じモ

デルを複数の異なる回路に流用できるため、製品開発プロセスが大幅に改善します。

実際のテスト結果との高い相関が得られるようにIGBTのモデルを作成することは容易ではありません。特に問題となるのは、IGBTの特性にほとんど直線性がない点です。そこで、Saberには難しいモデルを最適化する機能が用意されています。また、スイッチング動作がデバイス自体に依存するだけでなく、回路の寄生素子にも依存するため、回路の寄生素子を特定するのも困難です。特に、パワー回路では浮遊インダクタンスによってターンオフ時のオーバーシュート電圧が生じることがあり、ゲート駆動回路の寄生素子がスイッチング速度に影響を与えます。何回かの反復ループで回路を調整することにより、良好な相関を得ることができます。

ここからは、IGBTを利用した2つのアプリケーション例をご紹介しながら、高精度なIGBT解析の利点をご説明します。

信頼性は、産業用製品で最も重視される要素の1つです。IGBTゲート駆動ボードには、IGBTを過電圧、過電流、過熱から保護するためのさまざまな回路があります。ここでは、IGBTモジュールを過電圧から保護するアプリケーションを見てみます。IGBTモジュールに短絡があると、瞬間的に数千Aもの電流が流れることがあります。回路に設けられた過電流保護機能は、大電流を検出すると瞬時にIGBTをオフにします。しかし、電流が急速に変化すると回路の寄生インダクタンスが変化し、トランジスタにオーバーシュート電圧がかかります（図2）。この電圧を適切にクランプしていないと、デバイスが破壊されてしまいます。

この保護回路はVce（コレクタ-エミッタ間電圧）を検出して応答回路をオンにします。この保護回路が正しく動作するためには、まずIGBTモジュールのターンオフ遅延と立ち下がり時間が重要な要素となります。高精度なIGBTモデルが必要となるのはこのためです。もう1つ重要なのは、応答時間の要件を満たすように、保護回路で使用する部品を正しく選択することです。

ここでは、Vceを550V未満に抑えることを目標とします。図3に青で示したのは、保護回路を使用しない場合のターンオフ時のオーバーシュート電圧です。グレーと黒で示したのは、制御ループとゲート駆動回路で遅延時間を変化させた場合の動作です。この回路で使用する重要な部品として、オペアンプとBJTがあります。これら部品のSaberまたはSpiceモデルをデバイス・メーカーのWebサイトから入手することにより、シミュレーション・モデル全体の精度を高めることができます。

このように、高精度なSaberモデルを利用することで、設計した回路の機能検証、適切な部品の選択、パラメータの調整などが容易になります。事実、ハードウェア・インプリメンテーションの前にシミュレーションを実行することで時間とエンジニアリング・コストが大幅に削減されています。

伝導性エミッションはすべてのパワー回路に存在します。これは、脈流回路では伝導性エミッションの発生要因であるスイッチ電流または電圧の高速な変化が必ず起こるためです。通常、EMIで問題となる周波数は100kHz ～100MHzのレンジです。

パワー・エレクトロニクス回路における脈流電流 / 電圧は、図4aに示したような矩形波です。この矩形波をFFT（高速フーリエ変換）解析した結果を図4bに示します。スペクトルの減衰は、矩形波の2つの要因によって決まります。まず、最初のコーナー周波数はパルス幅によって決まり、2番目のコーナー周波数は矩形波の立ち上がりおよび立ち下がり時間によって決まります。このように、IGBTモデルの立ち上がりおよび立ち下がり時間が結果に影響してくるため、これらを正確にモデリングする必要があります。

図5は、スイッチング速度の異なる2つのデバイス・モデルの解析結果を示したものです。黒の波形はスイッチング時間50nSの理想スイッチの周波数応答で、青の波形は実際のIGBTモデルの周波数応答です。これを見ると明らかなように、高周波領域で大きな違いがあります。

SaberでIGBTデバイスの正確なモデリングを行うことで、ゲート駆動ボードやEMIフィルタのデザインなど、各種インバータ製品の開発が容易になります。通常、ハードウェアの作製には6 ～ 12 ヶ月かかりますが、シミュレーションを利用すれば物理デザインが完成する前にデザインを最適化できます。シミュレーションは、次のような作業に役立ちます。

　▶ 潜在的な問題の洗い出し　▶ システムの挙動の理解　▶ ソリューションと機能のバリデーション　▶ 設計期間の短縮　▶ コストの削減　▶ 効率の改善

本稿では2つのアプリケーションしか紹介しませんでしたが、Saberを利用すれば多くの回路やサブシステムをシミュレーションし、さまざまな種類の制御ボードでEMIを調べることができます。

図1. HV/EV市場向けのモータ / インバータ

1meg 10meg 100meg

図2. モータ駆動回路やコンバータなどのスイッチング・アプリケーション　　 では、IGBT（グレー）のターンオフ時にオーバーシュート電圧（青）が発生

図4a. 台形波のノイズ源。波形持続時間（t0）によって最初のコーナー周波数が決まり、立ち上がり　　　時間（t r）または立ち下がり時間（t f）によって2番目のコーナー周波数が決まる 図4b. 対応する周波数スペクトル

図5. 理想スイッチ（黒）と高精度IGBTモデル（青）の周波数応答の比較

図3. 保護回路のデバイス・パラメータを変更した場合の影響をシミュレーションで確認

著者紹介Shengnan Li氏: Magna Electronics社のパワー・エレクトロニクス開発エンジニア。現在は、電気自動車のモータ駆動回路で使用する高密度EMIフィルタや磁気部品の開発に従事。DC / ACインバータおよびDC / DCコンバータの各種回路シミュレーションも担当。交通大学（中国）にて電気工学の学士号（2004年）と修士号（2007年）を取得し、テネシー大学ノックスビル校にてパワー・エレクトロニクスの博士号を取得（2011年）。これまでの主な研究分野は、電源および交通アプリケーション向けのパワー・コンバータ設計、IGBTモジュールのパッケージングとテスト、EMIフィルタ設計など。

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シミュレーションによるデザインの改良

オーバーシュート電圧からの保護 伝導性EMI（電磁妨害）の予測

まとめ

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集オートモーティブ・ソリューション特集

ハイブリッド / 電気自動車向けにIGBTを用いた革新的なパワー・エレクトロニクス・システムを短期間で開発するには、正確なモデリングが鍵となります。この点について、Magna Electronics社 パワー・エレクトロニクス開発エンジニア Shengnan Li氏（工学博士）にご説明いただきます。

オートモーティブ・ソリューション特集

Magna Electronics Inc.,　パワー・エレクトロニクス開発エンジニア　Shengnan Li氏

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ハイブリッド車 / 電気自動車向けIGBTベース・パワー・エレクトロニクス・システムのモデリング

独立系コンサルティング/リサーチ会社のIDTechEx社がまとめた報告書では、2025年までに「電気自動車の魅力的なラインナップを揃えることができない自動車メーカーは自身の死刑執行令状にサインをしているようなもの」と形容されています。そう考えれば、現在ハイブリッド/電気自動車

（HV/EV）市場でかつてないほどの成長が進行し、新しい技術革新が次々と生まれているのも当然といえます。

この新しいHV/EV市場のサポートに注力するため、Magna Electronics社はトラクション駆動/制御アプリケーション向けの革新的なソリューションの開発、インテグレーション、製造を手がけています。これには、インバータ、DC-DCコンバータ、モータ、バッテリ・マネージメント・システムをはじめとする重要な部品の設計が含まれます。

パワー半導体デバイス / モジュールは、すべてのパワー・コンバータで重要な役割を果たす部品です。HV/EV用インバータなど、中～大電力のアプリケーションには、高耐圧 / 大電流のIGBT（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）モジュールが広く使用されています。特にインバータ設計では、デバイスの特性がインバータの挙動と周辺回路を決定するため、IGBTは重要な部品と位置づけられます。

一般に、ラボでデザインを変更したり回路機能の検証をするのは非常に多くの時間とコストがかかりますが、回路シミュレーションを利用すれば電気エンジニアの設計作業を大幅に効率化できます。

Saber Model Architectには、IGBTモジュールのデータシートに基づいて静特性と動特性をモデリングする機能があります。データシートのグラフをスキャン・ツールでSaberにインポートすると、グラフの曲線に合わせてアンカー・ポイントが調整されます。ここで重要になるのは、ターンオン/オフ遅延および立ち上がり/立ち下がり時間に合わせてIGBTの動特性（フライバック・ダイオードの接合容量、テール電流、逆回復特性など）をキャラクタライズする機能です。主要なパラメータを調整することにより、同じモ

デルを複数の異なる回路に流用できるため、製品開発プロセスが大幅に改善します。

実際のテスト結果との高い相関が得られるようにIGBTのモデルを作成することは容易ではありません。特に問題となるのは、IGBTの特性にほとんど直線性がない点です。そこで、Saberには難しいモデルを最適化する機能が用意されています。また、スイッチング動作がデバイス自体に依存するだけでなく、回路の寄生素子にも依存するため、回路の寄生素子を特定するのも困難です。特に、パワー回路では浮遊インダクタンスによってターンオフ時のオーバーシュート電圧が生じることがあり、ゲート駆動回路の寄生素子がスイッチング速度に影響を与えます。何回かの反復ループで回路を調整することにより、良好な相関を得ることができます。

ここからは、IGBTを利用した2つのアプリケーション例をご紹介しながら、高精度なIGBT解析の利点をご説明します。

信頼性は、産業用製品で最も重視される要素の1つです。IGBTゲート駆動ボードには、IGBTを過電圧、過電流、過熱から保護するためのさまざまな回路があります。ここでは、IGBTモジュールを過電圧から保護するアプリケーションを見てみます。IGBTモジュールに短絡があると、瞬間的に数千Aもの電流が流れることがあります。回路に設けられた過電流保護機能は、大電流を検出すると瞬時にIGBTをオフにします。しかし、電流が急速に変化すると回路の寄生インダクタンスが変化し、トランジスタにオーバーシュート電圧がかかります（図2）。この電圧を適切にクランプしていないと、デバイスが破壊されてしまいます。

この保護回路はVce（コレクタ-エミッタ間電圧）を検出して応答回路をオンにします。この保護回路が正しく動作するためには、まずIGBTモジュールのターンオフ遅延と立ち下がり時間が重要な要素となります。高精度なIGBTモデルが必要となるのはこのためです。もう1つ重要なのは、応答時間の要件を満たすように、保護回路で使用する部品を正しく選択することです。

ここでは、Vceを550V未満に抑えることを目標とします。図3に青で示したのは、保護回路を使用しない場合のターンオフ時のオーバーシュート電圧です。グレーと黒で示したのは、制御ループとゲート駆動回路で遅延時間を変化させた場合の動作です。この回路で使用する重要な部品として、オペアンプとBJTがあります。これら部品のSaberまたはSpiceモデルをデバイス・メーカーのWebサイトから入手することにより、シミュレーション・モデル全体の精度を高めることができます。

このように、高精度なSaberモデルを利用することで、設計した回路の機能検証、適切な部品の選択、パラメータの調整などが容易になります。事実、ハードウェア・インプリメンテーションの前にシミュレーションを実行することで時間とエンジニアリング・コストが大幅に削減されています。

伝導性エミッションはすべてのパワー回路に存在します。これは、脈流回路では伝導性エミッションの発生要因であるスイッチ電流または電圧の高速な変化が必ず起こるためです。通常、EMIで問題となる周波数は100kHz ～100MHzのレンジです。

パワー・エレクトロニクス回路における脈流電流 / 電圧は、図4aに示したような矩形波です。この矩形波をFFT（高速フーリエ変換）解析した結果を図4bに示します。スペクトルの減衰は、矩形波の2つの要因によって決まります。まず、最初のコーナー周波数はパルス幅によって決まり、2番目のコーナー周波数は矩形波の立ち上がりおよび立ち下がり時間によって決まります。このように、IGBTモデルの立ち上がりおよび立ち下がり時間が結果に影響してくるため、これらを正確にモデリングする必要があります。

図5は、スイッチング速度の異なる2つのデバイス・モデルの解析結果を示したものです。黒の波形はスイッチング時間50nSの理想スイッチの周波数応答で、青の波形は実際のIGBTモデルの周波数応答です。これを見ると明らかなように、高周波領域で大きな違いがあります。

SaberでIGBTデバイスの正確なモデリングを行うことで、ゲート駆動ボードやEMIフィルタのデザインなど、各種インバータ製品の開発が容易になります。通常、ハードウェアの作製には6 ～ 12 ヶ月かかりますが、シミュレーションを利用すれば物理デザインが完成する前にデザインを最適化できます。シミュレーションは、次のような作業に役立ちます。

　▶ 潜在的な問題の洗い出し　▶ システムの挙動の理解　▶ ソリューションと機能のバリデーション　▶ 設計期間の短縮　▶ コストの削減　▶ 効率の改善

本稿では2つのアプリケーションしか紹介しませんでしたが、Saberを利用すれば多くの回路やサブシステムをシミュレーションし、さまざまな種類の制御ボードでEMIを調べることができます。

図1. HV/EV市場向けのモータ / インバータ

1meg 10meg 100meg

図2. モータ駆動回路やコンバータなどのスイッチング・アプリケーション　　 では、IGBT（グレー）のターンオフ時にオーバーシュート電圧（青）が発生

図4a. 台形波のノイズ源。波形持続時間（t0）によって最初のコーナー周波数が決まり、立ち上がり　　　時間（t r）または立ち下がり時間（t f）によって2番目のコーナー周波数が決まる 図4b. 対応する周波数スペクトル

図5. 理想スイッチ（黒）と高精度IGBTモデル（青）の周波数応答の比較

図3. 保護回路のデバイス・パラメータを変更した場合の影響をシミュレーションで確認

著者紹介Shengnan Li氏: Magna Electronics社のパワー・エレクトロニクス開発エンジニア。現在は、電気自動車のモータ駆動回路で使用する高密度EMIフィルタや磁気部品の開発に従事。DC / ACインバータおよびDC / DCコンバータの各種回路シミュレーションも担当。交通大学（中国）にて電気工学の学士号（2004年）と修士号（2007年）を取得し、テネシー大学ノックスビル校にてパワー・エレクトロニクスの博士号を取得（2011年）。これまでの主な研究分野は、電源および交通アプリケーション向けのパワー・コンバータ設計、IGBTモジュールのパッケージングとテスト、EMIフィルタ設計など。

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