「大胆に行く」~未来への切り替え

現代の自動車のコックピットでは、機械的なスイッチやアクチュエーターは過去のものになりつつあります。ボンネットの下では、機械的なスイッチや大電流・電圧接続の絶縁も、最新のSiC半導体に置き換えられるようになっています。

エンジニアは特に大胆な行動をとることで知られているわけではありませんが、自分の仕事に慎重になり、疑問を持つことが仕事です。私たちは皆、自分の車が安全で信頼性の高いものであることを信頼していて、革新的ではなく進化的に変化していくことを信じています。しかし、EVは、現代の自動車がA地点からB地点への輸送というよりも、モバイルコンピューティングプラットフォームのようなデザインへのアプローチの変化を余儀なくされています。

EVのハイテク技術革新にもかかわらず、いまだに単純な機械に頼っている部分があります。ホイールベアリングがすぐになくなるわけではありませんが、コンタクターやサーキットブレーカーのような電気機械装置はいまだに一般的で、高電圧/大電流のバッテリー接続を遮断して安全性を確保するため、障害が発生した場合に使用されます。見込み電流は数千アンペアにもなり、バッテリー電圧は800Vまで上昇しており、本質的に衝撃や振動があるため、装置は非常に頑丈でなければなりません。過負荷時にはケースの破裂が懸念されます。絶縁破壊する際に発生する摩耗とともに、引き出されたアークが接触材料を燃やして熱を発生させるためです。

アークは、高価なガスを充填したハウジングを使用したり、圧縮空気で吹き飛ばしたり、磁界でより長い経路にむけたりするような若干風変わりな技術を用いても鎮めることができます。これらはすべて応答時間が遅いという問題があり、アプリケーションがより良い解決策を求めていることを意味しています。

SiCは現在、実行可能な代替品となっています。

ソリッドステートのサーキットブレーカーは長い間存在していましたが、GTO、IGBT、そして最近ではMOSFETを使った実装は理想的ではありませんでした。最新の650Vデバイスのオン抵抗は7ミリオーム以下、1200Vタイプは9ミリオーム以下で、伝導損失の問題ははるかに少なく、SiC特有の高いジャンクション温度定格も役立っています。TO-247パッケージで提供され、ゲート駆動が容易なSiC FETは、多くの場合、既存のブレーカー設計においてIGBTやMOSFETの代わりに使用することができ、機械式に比べて1000倍も速い動作時間で低損失を実現し、もちろんアークも発生しません。また、過電圧時のアバランシェエネルギー定格に対応した堅牢なデバイスです。

ブレーカーやコンタクターがソリッドステートになると、他の制御の可能性が広がります。導通を積極的に制御して突入電流を制限したり、「プリチャージ」したり、短絡をより賢く処理することができます。例えば、SiC FETのJFETには、固有の「ピンチオフ」効果があり、飽和電流を設定することができます。この電流は、印加された電圧に対して極めて一定で、温度によって減少するため、穏やかな電力制限作用が得られます(図1)。

SiC JFETの飽和電流は電圧でほぼ一定、温度で低下する
図1:SiC JFETの飽和電流は電圧でほぼ一定、温度で低下する

この特性は、適切な飽和電流に合わせて選択された2つのSiC JFETだけで、非常にシンプルな電流制限器を実装できることを意味します(図2)。

2つの直列SiC JFETが有効な電流制限器となる
図2:2つの直列SiC JFETが有効な電流制限器となる

サーキットブレーカーとして構成されたUnitedSiCのノーマルオンSiC JFETは、外部補助電源または内部DC/DCコンバーターを必要とせずに、真の2端子サーキットブレーカモジュールとして構成することもできます。

縁起物は大胆なものを好む

エンジニアは「動けば壊れる」ことを常に知っており、タッチスクリーン制御やドライブバイワイヤを備えた最新のEVコックピットはこれに対応しています。最新のSiC FETやJFETデバイスは、機械式コンタクターやサーキットブレーカーを歴史的な物とし、大胆な挑戦を設計者に促すはずです。

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