急速充電におけるSiC半導体の有効性

最新の「ハイパーカー」と呼ばれる電気自動車は、2,000bhp近くの出力を発揮するようになっており、道路での走行速度は非常に速くなっていますが、航続距離と充電速度はまだ問題となっています。充電ポイントAから充電ポイントBまで軽快なスピードで移動できるのはいいことですが、そこで1時間も待たなければならないのであれば、ドライブはそれほど楽しくはないです。

充電時間を短縮することで、頻繁な長時間の停車を避けるためにバッテリーから最後の1マイルを捻出する必要性を感じなければ、ドライバーの不安を和らげることができるでしょう。350kWの超急速充電器は役立ちますが、数が少なく、既存の充電ステーションをもっと展開したり、アップグレードしたりする必要性が非常に高まっています。

高速・急速充電器は、ACライン電圧をDCに変換します。通常、ほとんどのEVでは約400Vですが、ポルシェ・テイカンのような高性能車では800Vにも対応しています。これらの充電器の心臓部は、パワーレベルに応じてIGBTまたはシリコンMOSFETスイッチ技術を使用するAC-DCコンバーターです。IGBTはダイナミックロスのために比較的ゆっくりとしかスイッチングしかできません。また、大型でコストが高く、損失の大きい磁気フィルターを使用せざるを得ないため、この選択は難しいものとなります。MOSFETは、許容可能なダイナミック損失と小型の磁気ではるかに高速にスイッチングすることができますが、高耐圧タイプは高い導通損失を持っています。これらの損失はエネルギーとコストを無駄にし、温度を制限内に保つために部品の大型化を余儀なくされるため、より優れたスイッチが切実に必要とされています。

ワイドバンドギャップ(WBG)半導体は、SiCやGaNのスイッチやダイオードの形で、より高い効率を必要とする多くのアプリケーションに対応しています。しかし、初心者向けではありません。正しくレイアウトして駆動することが重要であり、電圧ストレスや高いEMIレベルを回避する必要があります。実際には、WBG技術を使用したコンバーター設計において、最大のメリットを得るために一から設計する必要があります。しかし、例外もあります。それは、Si-MOSFETとSiC JFETをカスコード構成で組み合わせた部品には、特別な利点があるということです。QorvoのSiC FETは、SiC-JFETとSi-MOSFETがカスコード接続されており、ユーザー様からはSi-MOSFETを駆動しているように見え、ゲート駆動が容易で、既存のSi-MOSFETやIGBTとの互換性が高く、SiC MOSFETやGaNに比べてオン抵抗が低く、過電圧によるアバランシェ効果に対しても高い耐性を持っています。

また、自己制限動作により短絡に対する耐性も高いです。スイッチング損失は、デバイス容量が低いため、他のWBG半導体よりも一般的に低く、SiC半導体の一般的な利点である高い臨界耐圧、高温動作、および高い熱伝導性はすべて維持されています。Qorvoが出している最もオン抵抗の低いデバイスは、650Vで7ミリオーム以下のオン抵抗を達成しており、1200Vタイプでは10ミリオーム以下のオン抵抗を達成しており、最高電力充電器の480VACラインシステムで使用される可能性があります。

SiC FETとIGBTの比較

ここまでは一般論で述べてきましたが、表1に示すように、600/650Vクラスで同じパッケージで入手可能なIGBTとSiC FETの違いをいくつかの数値で説明します。すべてのパラメーターにおいてSiC半導体の方が優れており、既存のデバイスをQorvoのSiC FETに簡単に変えることができ、その結果、部品の損失が減ることを意味しています。

SiC FETは、充電器に必要な力率補正段階でも、ダイオードに代わる同期整流器としても活躍しています。例えば、400Vバッテリー用の350kW急速充電器では、ダイオードブリッジ配置で875Aを供給しなければなりません。整流器は、並列されるSiC JBSダイオードまたは同期整流器として構成されたSiC FETから組み立てることができます。50%のデューティーサイクルでそれぞれ100Aを通すと仮定すると、125℃ではダイオードは2Vの電圧ドロップになり100Wの損失を発生しますが、SiC FETはわずか0.9Vのドロップとなり、45Wの損失におさえることができ、SiCダイオードの値の半分以下になります。

まとめ

SiC FETはTO-247-4Lパッケージで提供されているため、多くの場合、IGBTとSi-MOSFETを直接交換することができ、回路の効率を即座に飛躍的に向上させることができます。新しい設計では、効率を犠牲にすることなく周波数を押し上げることができ、関連する受動部品（特に磁気回路）を小型化できるため、さらに大きなメリットがあります。

これにより、SiC FETなどのワイドバンドギャップ半導体は、スイッチの「ロールスロイス」となっています。

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