概要

前回の記事でWBG半導体がEVのアプリケーションにおいて、どのような効果を出すことができるか、簡単にではありますが紹介いたしました。今回の記事ではより詳細なWBG半導体のメリットを紹介いたします。

前回の記事は以下のリンクより参照ください。

ワイドバンドギャップ半導体用プライマー

SiCのWBG半導体および最近のGaN技術は、原子価帯から伝導帯へ電子を移動させるのに必要なエネルギーが、シリコンの1.1eVに対し、SiCでは3.2eV(電子ボルト)と非常に高いという点で、シリコンに比べて基本的な優位性を持っています。これは、与えられた材料の厚さに対してより高い電界破壊性能と、破壊前のより高い温度に耐える能力を意味し、デバイスにもよりますが、通常は600℃を超える瞬間的なピーク温度が許容されます。

また、SiCはシリコンに比べて熱伝導率が約3.5倍高く、これにより、与えられた電流および電圧定格に対してダイが大幅に小型化されます。ダイが小さくなると当然ながらキャパシタンスが大幅に低下するため、WBGデバイスは、高温でのパワーアプリケーションにおいて損失を抑えながら高速でスイッチングすることができます。スイッチング周波数は、可能な限りスイッチング損失を低く抑えるために低く保つことができますが、それを押し上げると、他の利点が現れます。周波数が高くなっても、正味の効率が改善され、消費電力が減少し、結果としてヒートシンクが小型化されて安価になります。

その結果、より効率的で軽量かつ小型の製品となり、大幅なコスト削減につながります。WBGデバイスの高温能力により、トラクションインバーターをモータハウジングに統合することが可能になり、モーターに相互接続された別個の駆動電子機器を持つよりも、コスト、信頼性、サイズを大幅に削減することができます。また、モーター制御は、ノイズや振動が少なく、モーター効率が向上した滑らかな電流波形により、高いスイッチング周波数でも改善されます。さらに、IGBTはモータ駆動アプリケーションで「フリーホイール」ダイオードを並列に必要としますが、WBGスイッチを使用したいくつかの方式では、ボディーダイオードを内蔵したWBGスイッチを使用することで、さらにコストと組み立ての手間を省くことができます。

WBGスイッチファミリーのSiC FET

炭化ケイ素と窒化ガリウムは、SiCのダイオード、MOSFET、JFET、GaNのHEMTなど、さまざまなタイプのパワー半導体デバイスの製造に適した材料です。いずれも、それぞれの「スイートスポット」アプリケーションで市場に出回っています。スイッチの場合、SiC MOSFETとGaN HEMTは高性能ですが、ゲート駆動の要件は非常に厳しいものです。GaN HEMTTは効果的なボディーダイオードを持たないのに対し、SiC MOSFETダイオードは高速ですが順方向電圧降下が大きく、外付けダイオードの使用が必要になることがよくあります。

SiCとGaNのJFETは、脆弱なゲート酸化物を持たないという点で有用です。これらは、ノーマリーオンまたはノーマリーオフタイプとして構築することができます。ノーマルオンタイプは、単位面積あたりのチップ抵抗が最も低いですが、スイッチをオフに保持するためには負のゲート電圧が必要です。ほとんどの回路構成はノーマリーオフ用に開発されているため、ブリッジ内のノーマリーオンのJFETが両方ともゲート電力を失った場合に発生するシュートスルー状態を管理する規定がありません。また、ボディーダイオードもありません。SiC FETは、SiC JFETとSi MOSFETの複合体または「カスコード」であり、バイアスなしでノーマリーオフで、ナノ秒でスイッチングが可能です。

SiC JFETとSi-MOSFETのSiC FETの「カスコード」。
図1;SiC JFETとSi-MOSFETのSiC FETの「カスコード」。

電気自動車に搭載されたSiC FETが駆動

では、より高性能なソリューションが求められているのに、なぜこのような奇跡のデバイスがEVのモータ制御に進出してこなかったのでしょうか?自動車システム設計者の自然な保守主義とは別に、WBGデバイスは同程度の定格のIGBTと比較して高価であること、ドライブインバーターの負荷はモーターであり、そのインダクタンスはDC-DCコンバーターのようにスケールダウンしないため、より高いスイッチング周波数が魅力的ではないこと、などの現実的な理由があります。スイッチング速度が速いということは、モータ巻線の絶縁にストレスを与える高いdV/dtレートを意味します。

また、高いdV/dtは、EMIや「放電加工」またはEDMによるモーターベアリングの摩耗を引き起こす可能性があり、コモンモードノイズ電流がモーターベアリングを通って接地に至る経路を見つけることが原因となります。重要なことは、この技術は比較的新しい技術であるため、短絡、バックEMF、一般的な高温環境など、自動車のモータードライブの過酷な条件の下で、WBGデバイスの信頼性が実証されているかどうかについても疑問が残るということです。

しかし、効率を向上させる可能性はまだ魅力的な見通しです。EVモータードライブでは、これはより多くの利用可能なエネルギーとより良い航続距離を意味します。ヒートシンクを小型化してコストと重量を減らすことができ、これもまた航続距離の延長に役立ちます。SiC FETを使用すると、一般的な動作条件では特に効率が向上します。SiC FETは、「ニー」電圧を持つIGBTと比較して、オン時には単に抵抗となるため、あらゆる駆動条件でユビキタスな電力損失を効果的に最小限に抑えることができます。これは、1cm x 1cmのIGBTダイを2つ使用した200A、1200VのIGBTモジュールと、0.6 x 0.6cmのSiCスタック・カスコード・ダイを2つ使用した200A、1200VのSiC FETモジュールを比較した図2に示されています。

1200VのSiC FETの導通損失は、比較IGBTチップ面積の36%です。この200A、1200Vモジュールでは、SiC FETによるオン状態の電圧降下は、室温および高温の両方で、200A以下のすべての電流でIGBTの降下よりもはるかに低くなっています。
図2:1200VのSiC FETの導通損失は、比較IGBTチップ面積の36%です。この200A、1200Vモジュールでは、SiC FETによるオン状態の電圧降下は、室温および高温の両方で、200A以下のすべての電流でIGBTの降下よりもはるかに低くなっています。


SiC FETは、650 V、1200 Vおよびそれ以上の定格を標準で提供しており、現在普及している約400 VのEVバッテリー電圧と今後の750 Vバージョンにうまくマッチしています。SiC FETは、与えられたモジュールのフットプリントの中で最も低い伝導損失を提供することができるというユニークな特性を持っています。確かに、グランドアップ設計では、WBGモータードライブはIGBTよりも高い周波数でスイッチングが可能で、十分なEMI制御が設計されているため、WBGのメリットをすべて享受することができます。SiC FETのダイは、同等の定格のIGBTやSiC MOSFETよりもはるかに小さく、ウェハー当たりの歩留まりが向上します。ヒートシンクやフィルターの小型化によるコスト削減が考慮され、さらに時間と利便性の向上によるエネルギーの節約も考慮されれば、経済的にも実用的にも理にかなったものになります。

次回の記事でWBG半導体の信頼性についてより詳細に解説していきます。

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