カスコードは、EVの成功に必要なSiCへの足がかりになるのか?

  • 2018年6月21日
  • ユナイテッドSiC

UnitedSiCのシニアアプリケーションエンジニア、P.E.Jonathan Dodge著

電気自動車が輸送の脱炭素化に向けてその可能性を最大限に発揮するためには、自動車業界はシリコンカーバイド技術を採用するための費用対効果が高く、リスクの少ない方法を必要としています。

国際エネルギー機関(IEA)は、2025年までに電気自動車(EV)が道路上の自動車の25%を占めるようになると言っています(図1)。少し先の話になりますが、クリーンエネルギー大臣会合(CEM)フォーラムでは、EV30@30キャンペーンで、3030年までに新型EVの販売台数が世界の自動車市場の30%を占めるようにしたいと考えています。

図1.IEAによるEV普及の予測。出典:国際エネルギー機関

ただし、CEMもIEAもEV愛好家のロビー活動をしているわけではありません。どちらも輸送部門の脱炭素化に関心を持っています。そして、EVだけが唯一の解決策ではないかもしれません。マツダが最近発表しHCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)を含むガソリンエンジンの新技術は、EVと同等のレベルまでCO2排出量を削減できる可能性があります。

長期的には、石油の埋蔵量には限りがあり、ガソリンの時代が終わることはわかっていますが、今のところ、自動車メーカーはEVを一般の購買者に広く受け入れられるようにするのに苦労していることをCEMは認めています。CEMは、再生可能エネルギー源から発電された電気の利用可能性を高めるために、先進発電所の柔軟性(APPF)のような他のキャンペーンとともに、30@30のアジェンダをサポートしています。

より良いEVが必要

このようなハイレベルな取り組みに加えて、充電でより遠くまで走行できる効率的な車両や、ほとんどのユーザーにとって十分な距離を走行でき、充電にかかる時間も短くて済む、小型軽量で低コストのバッテリーなど、より優れたEVが求められています。蓄積されたエネルギーを可能な限り効率的に変換することが重要です。シリコンカーバイド(SiC)パワーFETは、通常のシリコン製のものと比較して、スイッチング損失が低く導通損失も少ないことが知られています。また、より高い動作温度にも耐えられるため、信頼性が向上し、熱管理が簡単になります。

EVやハイブリッド車には、SiC技術による効率向上の恩恵を受けることができる複数のパワーモジュールが搭載されています。これらのパワーモジュールには、メイントラクションインバータのほかに、車載バッテリー充電器(OBC)、誘導充電コンバータ、照明、空調制御、パワーステアリング、流体ポンプ、インフォテインメントなどのシステムに電力を供給する補助コンバータなどがあります。

しかし、SiC技術の普及にはいくつかの障壁があり、特に伝統的に慎重な自動車業界にとっては重要なことです。新規および未開発の電気アーキテクチャに関連するリスクや SiCデバイス自体のコストプレミアムです。

製造プロセスが成熟し、ウェハサイズが大きくなるにつれ、SiCデバイスのコストが低下しているのは事実です。システムの観点からも、熱管理の簡素化だけでなく、高いスイッチング周波数を利用して、関連する容量性部品や誘導性部品のサイズとコストを削減することで、コストを削減することができます。

しかし、SiCの優れた効率性と堅牢性を十分に活用するためには、自動車業界は、実績のあるシリコンベースのコンバータ設計を大幅に変更することに内在するリスクを克服する必要があります。

身近な壁を乗り越えるために

最新のSiCカスコードは、業界が必要とする後押しをしてくれます。これらは、効果的で信頼性が高いことが証明されている既存のシリコン・コンバータ・トポロジにほぼ直接使用できるため、大幅な再設計に伴うリスクを排除することができます。今日のIGBTベースのインバータやコンバータは、通常8~12kHzの範囲の周波数でスイッチングされていますが、スイッチング周波数を比較的緩やかに増加させることで、特に軽負荷時に効率を最大化するために最大50kHzまで、受動部品を最大80%小型化することができ、BOMコスト、サイズ、および重量の貴重な節約をもたらします。

コンポーネントが小さいと、他の利点もあります。 たとえば、インダクタは、金属終端が刻印された平面タイプのデバイスであり、自動アセンブリプロセスと互換性があります。これは、フライングリードがあり、通常は手動アセンブリに依存する、低周波数で通常使用される大型のボビン巻きインダクタとは異なります。

"インセンティブの「パッケージ

UnitedSiCのようなベンダーは、複数のSiCチップを含む新しいパワーモジュールの導入を準備しており、コンバータメーカーはTO-247のようなリード付きパッケージの大量のディスクリートデバイスを置き換えることができるようになり、SiCデバイスのロードマップはエキサイティングです。これらのモジュールは、BOMコストの削減をもたらすと同時に、電気的接続コスト、機械的組み立てコストの削減、冷却の簡素化にも貢献します。

これらを総合すると、自動車業界(自動車メーカーだけでなく、ティア1モジュールメーカーも含む)にとっては、SiCデバイスを戦略の中心に据えて、世界が必要とするより高性能なEVを生み出し、交通の脱炭素化を継続し、将来の世代のために持続可能な移動手段を確保することは十分に魅力的なことです。