「過去」はどうだったのか

電気自動車は、何十年にもわたる未来の野望の実現のように思われていますが、実際には1900年にはガソリン自動車の数を2対1に近い数で上回っていました。今日では、モーター、バッテリー、充電器、およびそれらを相互に接続する電子機器の進歩により、EVが自動車市場での本格的な競争相手としての地位を再び獲得しつつあります。パワー半導体スイッチはこのアプリケーションでは非常に重要であり、ワイドバンドギャップのシリコンカーバイドデバイスの新たな進歩により、さらに高性能化が可能になっています。

すべては効率化のために

バック・トゥ・ザ・フューチャーのブラウン博士は、エネルギー効率とその結果としてのEVの航続距離が、道路交通機関として初めて登場した19世紀半ばからの弱点であることを理解していたでしょう。それでも、バッテリーとモーター技術の発展により、1900年のアメリカでは、EVが内燃機関車をほぼ2対1の割合で上回るようになりました。道路運送車市場の38%を占めていた電気自動車は、40%の蒸気機関に追い抜かれましたが、ヘンリー・フォードが安価なガソリンエンジン車を大量生産したことで、内燃機関はあっという間に20世紀という時代を支配しました。

今日では、EVの有用性に疑問の余地はありません。環境にはとてもやさしく、ランニングコストはガソリン車の数分の一でスーパーカーの性能を発揮できます。しかし、イニシャルコスト、充電時間、そして煩わしい「航続距離の不安」が障壁となっています。スケールメリットにより購入コストは徐々に下がってきていますが、バッテリーの充電時間とその充電で移動できる距離の改善は、パワーエレクトロニクス技術者の努力の焦点となっています。

充電器は車載タイプと家庭用/ロードサイドタイプに分かれています。OBC(車載充電器)の非効率性は充電時間の長さに直結し、無駄な電力は大型で重い冷却装置で放熱させなければならず、航続距離に影響を与えます。ロードサイド型または急速家庭用充電器は、はるかに迅速な再充電を可能にしますが、ここでの電気的非効率性は、より高いエネルギー料金とより大型で高価な製品につながるため、広く利用できるようにするには経済的ではありません。したがって、効率の改善が進歩の鍵となります。

ワイドバンドギャップ半導体で高効率化を実現

最近までEVに搭載されていた半導体スイッチは、1960年代にさかのぼるIGBTです。もちろん、年々デバイスは改善されてきていますが、高周波でスイッチングすると損失が大きくなるという問題があります。このため、EVのモータードライブは、フィルタリングが困難な10kHz付近で動作させています。その結果、インバーター駆動の出力にリップルが発生し、モーターの摩耗や鉄損による効率低下の原因となっています。また、EVドライブは、惰性走行時や制動時にバッテリーを充電するために双方向に動作する必要があり、逆方向には導通しないIGBTには並列ダイオードが必要となります。

IGBTをワイドバンドギャップ半導体、具体的にはシリコンカーバイドFETに置き換えると、IGBTよりも効率よく、周波数をはるかに高くすることができます。フィルタリングが容易になるため、モーターはより効率的に動作し、スイッチングが速くなることでモータの制御が向上し、可聴ノイズやモーターの摩耗を引き起こすトルクリップルなどの影響を排除することが可能になります。SiC FETにはまた、逆方向電流を可能にする低損失ダイオード効果があるため、別個の並列ダイオードが不要になります。パッケージとして、双方向EVブーストコンバーターとインバーターは、全体的に効率が良く、小型化、軽量化が可能であり、これらすべてが航続距離の向上に役立ちます。主な利点は、SiC FETが既存の多くのIGBTの代替品としてドロップインできるパッケージで提供されているため、瞬時に性能を向上させることができることです。デバイスは現在、Qorvoから、1200Vクラスのデバイスではオン抵抗が10mΩ以下、650Vタイプでは7mΩ以下で、それぞれ800Vと400Vのバッテリーシステムに適したものが提供されています。

車載充電器は、高周波でスイッチングするSi-MOSFETをすでに使用しているかもしれませんが、フロントエンドの「トーテムポール」PFCステージからメインブリッジコンバータースイッチ、さらにはSiC FETを同期駆動できる出力整流器に至るまで、すべてのステージにSiC FETを使用することで、効率化のメリットを得ることができます。家庭用充電器は、SiC FETを使用することでより小型で効率的になり、エネルギーを節約することができます。高速ロードサイド充電器では、SiC FETを「ウィーン整流器」三相フロントエンドに使用することができ、SiC FETは主変換段で簡単に並列接続することができ、数百kWまでの出力に対応できます。効率性の向上は、エネルギーの節約と冷却ハードウェアの削減につながり、コストを削減し、より多くの充電ステーションの展開を促し、結果としてさらなる規模の経済性をもたらします。

電気自動車は、SiC FETSのようなワイドバンドギャップ半導体がパワー半導体スイッチとして選択され、未来の輸送手段となるように設定されています。ブラウン博士とマーティは、過去が繰り返されるのを見るために、それほど遠くの未来に行く必要はないでしょう。EVは充電時間と走行距離についてもガソリン車に勝ちます。

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