概要

ワイドバンドギャップ半導体は、電気自動車を含むあらゆるタイプの電力変換に応用されています。 より高い効率とより速いスイッチング速度がコスト、サイズ、エネルギーの潜在的な節約をもたらすという約束により、WBGデバイスは一般に充電器や補助コンバーターで使用されますが、トラクションインバーターのIGBTを大量に置き換えるには至っていません。 本記事では、最新世代のSiC FETが、IGBTよりも損失が少なく、高温や繰り返しのストレス下でも短絡に対する堅牢性が証明されている新しいインバーター設計に最適である方法について説明します。

1900年の米国車の38%は電気自動車だった

1900年当時のアメリカの自動車のうち、38%が電気、40%が蒸気、22%がガソリンでした。しかし、ヘンリー・フォードが安価なガソリン車を大量生産するようになると、その割合は劇的に減少し、初期の電気自動車(EV)はほとんど姿を消してしまいました。現在、道路上のEVの割合は1%未満ですが、2050年までに米国の小型車の65~75%が電動化されると予測されている。さらに広く言えば、国際エネルギー機関(IEA)は2025年までに世界の道路を走る車の25%をEVが占めると予測しています。また、CEMは、温室効果ガス排出量の約4分の1を輸送部門が占めることを視野に入れ、2030年までにCEM参加国の新車販売台数をEV30@30キャンペーンで自動車市場の30%にすることを目指しています。

1997年にトヨタのプリウスが日本で発売されて以来、現代のEVは劇的に進歩し、高度なバッテリー技術とモーター技術により、航続距離は300マイル以上に達しています。しかし、2050年に向けて予測されるEVの普及率は、購入価格の安さ、原油価格の高止まり、健康・環境規制の強化、航続距離の向上と急速充電のための更なる技術進歩など、一定の前提条件に依存しています。

効率について

EVの変換効率は、バッテリーエネルギーから車輪の電力への変換効率が59~62%で、改善の余地があるように見えます。電気駆動のエンジニアは、モーター自体の効率が85~90%を超えていないことを指摘し、少なくとも、ドライブトレインで使用できる新しい半導体スイッチを使用して、EVの性能を向上させるためのロードマップがある可能性があります。航続距離向上のカギは、電力変換の効率にあります。

これはモーター駆動用の電子機器だけではありません。照明、空調、インフォテインメントなどの補助機能にはかなりのエネルギーが使用されているため、非効率な従来の照明をLEDに置き換えるなど、これらの領域からの電力消費を減らすために多くの努力が払われてきました。これらの機能のためにメインバッテリー電圧(通常は400V)を12Vまたは24Vに降圧する様々な電力変換器は、最新のトポロジーとエキゾチックな半導体を使用して、安全性を重視しないアプリケーションでも受け入れられる新技術に内在するリスクを抑えながら、最高の効率を達成することができます。

ドライブトレインでは、モーター制御電子機器は生命に関わる重要なものと考えられているため、設計者は「安全な動作」を選択し、試行錯誤された技術を採用しています。実際には、30年以上にわたってその堅牢性が証明されているIGBTスイッチを使用しています。例えば、テスラモデルSのハイテク外装の下には、トラクションモーターを制御するTO-247パッケージの66個のIGBTが搭載されています。EVでは、IGBTは約8~12kHzでスイッチングします。ハイパワーIGBTはスイッチングレートが高くなると急速に損失が増加するため、周波数はこのように低く抑えられています。低スイッチング速度は、モータ巻線の低dV/dtを維持する上で有益ですが、電流リップルが大きいため、鉄損が大きくなります。しかし、新型車ではIGBTの代わりにワイドバンドギャップ(WBG)半導体を使用するようになったばかりで、スイッチング周波数の向上と62%の効率向上が期待されています。

ワイドバンドギャップ半導体がEVモーター制御の競合に

PVインバーター、UPS、EV車載充電器など、現代の多くの電力アプリケーションでは、すでにIGBTに取って代わられており、シリコン超接合MOSFETや炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)材料で製造されたWBG半導体などの新しい技術が採用されています。MOSFETは確立された技術ですが、必要とされる高電圧タイプは比較的高損失であり、ボディーダイオードのリカバリー特性が悪いため、IGBTに比べてEVのトラクション用途ではほとんど進展していません。しかし、WBGスイッチは、高電圧での固有損失が低く、その他多くの利点があるため、EVモーター駆動用として採用が進んでいます。

次回の記事でWBG半導体の具体的なメリットをより詳細に解説していきます。

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