電気自動車関連のアプリケーションにおける、SiCの持つ真の意味

さまざまな属性の組み合わせにより、炭化ケイ素(SiC)は、電気自動車(EV)セクター向けの最高の半導体技術としての地位を確立しました。デバイスは、従来のシリコン(Si)に基づくデバイスよりも優れています。 その利点には、高い電圧定格、優れた電力変換効率レベル、および高温に対処する能力が含まれます。

 

オンボード充電器(OBC)、DC-DCコンバーター、およびトラクションインバーターはすべてSiCの恩恵を受けており、進行中のプロセスとアーキテクチャーの強化により、すでにかなりの魅力が増しています。 このような機能強化により、このワイドバンドギャップ材料の動作パラメーターの範囲が広がり、発生する電力損失がさらに軽減されます。 同時に、より多くの生産量が可能にするということは、それがより魅力的な価格帯に達する可能性があることを意味します。

電気自動車におけるSiCを使う意味

非常に簡単に説明しますが、SiCが現在、電気自動車の業界に与えている影響の一部を以下に示します。 それぞれを十分に検討する必要があります。

 

1. より迅速な充電サイクルの必要性

より迅速な充電サイクルの必要性のため、電気自動車のエンジニアリングチームは、より高い電圧で動作できるOBCの導入を検討しています。そして、これらの電圧に対応できるSiCデバイスが導入されました。一般的に入手可能な650V定格電圧のデバイス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には、より高い定格電圧の半導体が必要です。同時に、900Vまたは1200V定格のデバイスの使用に関連するコスト増加を正当化するのは難しいでしょう。電圧上昇に耐えられ、かつ関連する費用をあまり押し上げないソリューションがこの点において最適です。

2. より高い動作周波数をサポートする必要性

より速くスイッチングするには、スイッチング損失を最小限に抑える必要があります。そうしないと、効率レベルが低下し、放熱機構のためにより多くのスペースが必要になります(これにより、全体のサイズ、重量、およびコストが増加するため、放熱機構の増大は回避する必要があります)。

 

3. 動作時の損失の大幅な削減

これにより、充電が必要になる前に電気自動車が走行できる距離が拡大します。 電気自動車のバッテリーの小型化にも同様に有効です。どちらも自動車メーカーにとって興味深い見通しです。

4. コストで考慮すべき事項

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、これらの車を購入する際に消費者が払わなければならないお金を削減するメーカーの能力です。コストを下げるためには、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(インバーター部は全体の費用の特に大きな割合を占めます)。




これらの性質と、実行可能なソリューションを見つける必要がある緊急性を認識することは、極めて重要です。UnitedSiCが第4世代(Gen 4)SiCテクノロジーはこれらの問題に対して最適なデバイスです。他のベンダーが提供するSiCテクノロジーに対して行われた仕様の比較を表1に示します。ここでは、750V定格のUJ4C075018K4S SiC FETを、3つの650V SiCMOSFETとSiベースのスーパージャンクションFETデバイスと比較します。 Gen 4 SiC FETの電圧定格は著しく高くなっていますが、このテクノロジの単位面積あたりのオン抵抗は、他のSiC MOSFETよりも2〜3倍優れており、Si FETよりも1桁以上優れています。これは、はるかに小さなパッケージで同等のパフォーマンスを達成できることを意味します。

UnitedSiC Gen 4 SiCFETとSiスーパージャンクションおよびSiCの競合デバイスとの比較
表1:UnitedSiC Gen 4 SiCFETとSiスーパージャンクションおよびSiCの競合デバイスとの比較


単位面積あたりのオン抵抗が非常に低い理由は、SiCFETに組み込まれた高密度トレンチSiC JFET構造にあります。 これは、低電圧Si MOSFETと同梱されています。 SiC JFETの面積が減少するということは、特定のチップサイズに対して非常に低いオン抵抗が示されることを意味します(図1)。 逆に、許容可能なオン抵抗を抑えながら、容量の小さい小型のFETを利用することもできます。

750V定格のUnitedSiC Gen 4 SiCFETとライバルの650V定格のFETの単位面積あたりのオン抵抗の比較


電気抵抗と熱抵抗の値を減らすために(そして関連する損失を抑えるために)、SiCのウェハーはかなり薄くなっています。ウェハーは、銀(Ag)焼結材料(標準のはんだ付け材料の6倍の熱伝導率)を介して銅(Cu)リードフレームに取り付けられます。

UnitedSiCのGen4 SiCテクノロジーによって得られる他の利点には、他のデバイスと比較した場合に、関連するゲート駆動損失の劇的な低下が含まれます。そのためゲートドライブICが過熱を防ぐことができます。また、負のゲートドライブも必要ありません。低い順方向電圧降下(VFSD)と最小限の逆方向回復電荷(QRR)のおかげで、優れたVF.QRR性能指数(FoM)が示されます。これは、現在市場に出回っているデバイスの中で非常に優れた性能となっています。

SiCはすでにEVドライブトレインとバッテリーシステムをより効率的にしており、Si半導体技術の範囲をはるかに超えるパフォーマンスベンチマークを達成することができます。次世代SiCテクノロジーの出現により、今後数年間で世界中にEVが広く普及することに関連してその価値がさらに認識されていくでしょう。

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