SiCのオートモーティブ・クレデンシャルの真価が問われる

  • 2021年2月25日
  • ユナイテッドSiC

UnitedSiCのV.P.エンジニアリング、Anup Bhalla氏

シリコンカーバイド(SiC)は、さまざまな特性の組み合わせにより、従来のシリコン(Si)をベースとしたデバイスを凌駕する電気自動車(EV)用の最高の半導体技術として確立されています。シリコンカーバイド(SiC)は、高電圧、優れた電力変換効率、高温への対応などの利点があります。

オンボードチャージャー(OBC)、DC/DC コンバータ、およびトラクションインバータはすべてSiCの恩恵を受けており、現在進行中のプロセスおよびアーキテクチャの強化により、すでに大きな魅力を増しています。このような改良は、このワイドバンドギャップ材料の動作パラメタの範囲を拡大し、発生する電力損失をさらに軽減します。同時に、生産量の増加に伴うスケールメリットにより、より魅力的な価格帯を実現することができます。

EVでのSiCの使用

ここでは、非常に簡潔に、現在のEV分野に影響を与えているダイナミクスを紹介します。それぞれを十分に考慮する必要があります。

1. より急速な充電サイクルの必要性 - このため、EVエンジニアリングチームは、より高い電圧で動作するOBCの導入を検討しています。これらの電圧に対応できるSiCデバイスが登場しています。一般に販売されている650V耐圧のデバイスでは必ずしも十分ではなく、より高いバッテリー電圧に対応するためには、より高い電圧定格の半導体が必要となります。一方で、900Vや1200Vの定格を持つデバイスを使用することによるコストの増加は、正当化しがたいものとなります。ある程度の高電圧化を実現しつつ、コストを大幅に引き上げないソリューションが求められているのです。 

2. より高い動作周波数への対応 - 高速でスイッチングするためには、スイッチングロスを最小限に抑える必要があります。 そうしないと、効率が低下し、熱管理機構のためのスペースが必要になります(これは全体のサイズ、重量、コストを増加させるため、避ける必要があります)。

3. 営業損失の大幅な削減 - これにより、充電が必要となるまでのEVの走行距離を伸ばすことができます。また、EVのバッテリーを小型化することも可能です。どちらも自動車メーカーにとって興味深い展望です。

4. コストの考慮事項–内燃エンジン車からEVへの移行を加速するもう1つの重要な要素は、メーカーが消費者の購入時の投資額を削減できるかどうかです。これを行う場合は、さまざまな構成部品に関連するコストを抑える必要があります(インバータ要素は全体の費用の特に大きな割合を占めます)。

UnitedSiCが第4世代(Gen4)のSiC技術を開発する上で、このようなのダイナミクスを認識し、実行可能なソリューションを見つける必要があるという緊急性が極めて重要でした。他のベンダーが提供するSiC技術と比較した場合の仕様の向上を表1に示します。ここでは、750V定格の新製品UJ4C075018K4S SiC FETを、650V定格の3種類のSiC MOSFET、およびSiベースのスーパージャンクションFETデバイスと比較しています。第4世代のSiC FETは、定格電圧が著しく高いにもかかわらず、単位面積当たりのオン抵抗は、他のSiC MOSFETに比べて2~3倍、Si FETの選択肢に比べて1桁以上も優れています。これは、同等の性能をはるかに小さなパッケージで実現できることを意味します。

表1:UnitedSiC Gen4 SiC FETとSi SuperjunctionおよびSiCの競合デバイスとの比較

単位面積当たりのオン抵抗が極めて低い理由は、SiC FETに組み込まれた高密度トレンチSiC JFET構造にあります。これを低電圧のSi MOSFETと同一パッケージ化しました。SiC JFETの面積を小さくすることで、一定のチップサイズで極めて低いオン抵抗を実現しています(図1)。逆に言えば、オン抵抗を許容範囲内に抑えつつ、より小さな容量のFETを利用することができることを意味します。

図1:UnitedSiC Gen4 SiC FETの750V定格とライバルの650V定格のFETとの単位面積当たりのオン抵抗の比較。

電気抵抗と熱抵抗の値を下げるために(そしてそれに伴う損失を抑えるために)、SiC基板を大幅に薄くしました。構造的な整合性を保つために、薄くなった基板は、銀(Ag)の焼結材(通常のはんだ材料に比べて6倍の熱伝導性を持つ)を介して銅(Cu)のリードフレームに取り付けられています。

UnitedSiCの第4世代SiC技術によって得られるその他の利点には、表4に挙げた他のデバイスと比較して示されるように、関連するゲート駆動損失の劇的な低下があります。これは、ゲートドライブICが過熱するリスクなしに、スイッチング速度を3倍にできることを意味します。負のゲート駆動電圧は不要です。低い順方向電圧降下VFSDと最小の逆方向回復電荷QRRにより、優れたVF.QRR特性(FoM)を示しています。これは、現在市販されている他のデバイスでは実現できないものです。

SiCは、すでにEVの駆動系やバッテリーシステムの効率化を実現しており、Si半導体技術の枠を超えた性能ベンチマークを達成しています。次世代のSiC技術の登場は、今後世界的に普及するであろう電気自動車のために、SiCの価値をさらに高めることになるでしょう。   

詳しくは、Power Systems Design 1月号に掲載された記事をご覧ください。