真の差別化要因になるつつある回生電力の効率化

電気自動車の勢いは転換期を迎えており、道路上で電気自動車が重要な存在でなくなる未来を想像することは困難です。これにより、私たちの購入嗜好や運転習慣だけでなく、モビリティに関する考え方も大きく変わります。

ヘンリー・フォード以前の世界を想像してみてください。燃料を補給する場所はほとんどなく、初期のユーザーは燃料缶を車の外側に縛り付けて持ち歩いていました。航続距離への不安は今に始まったことではありません。しかし、内燃機関を動力源とする自動車の燃料補給にどれだけの時間がかかるかについては、ほとんど考慮されていませんでした。馬に餌や水をやるよりは早いだろう。それが、自動車を所有することの大きな魅力であり、配慮の必要がないということでもありました。メカニックが厩務員の代わりになり、所有することの本当のコストがいずれ明らかになるはずだったのですが、すでに車輪は回っていました。

「車輪を回す」というのは比喩ではなく、究極的には「車輪を回す」ことなのです。EVに移行したことで、車輪はレシプロエンジンではなく、電気モーターで回すことになりますが、目的は同じです。しかし、大きく異なるのは、エネルギーの交換方法です。内燃機関では、化学エネルギー(燃料)が運動エネルギー(動き)に変換され、その運動エネルギーがすべてのエネルギーのエントロピー状態である熱に変換されることで、動きを得ることができます。

電気自動車では、このプロセスにもう一つの段階があり、使われなかった運動エネルギーを回収します。これは回生ブレーキと呼ばれています。モーターを発電機に変え、発電した電気をバッテリーに戻すのです。これによりEVの航続距離は伸びますが、どの程度伸びるかは回生ステージの効率に大きく依存します。

モーター/ジェネレーターは、モーターモードとジェネレーターモードの両方で高効率になるようにすでに最適化されています。もう一つの重要なステージは、インバーターです。バッテリーからの高電圧を、モーターを駆動するための交流に変換する回路です。この交流波形の振幅と周波数によって、回転速度が決まります。一般的にトラクションモーターは三相であるため、インバーターはバッテリーの直流電圧から3つの交流サイクルを生成する必要があります。そのため、DC800Vの電圧をAC180kW程度に変換する必要があり、この段階での効率が自動車メーカーが提供する総合的な性能と航続距離に大きく影響します。

当然のことながら、ここに設計の重点が置かれています。インバーターの効率を上げるには、損失の少ない部品を使うことです。最近まで、IGBTは導通損失の面で有利でしたが、ターンオフ時のスイッチング損失が大幅に増加していました。一般的なモータードライブのスイッチング周波数は比較的低いため、特にIGBTの低コストを考えると、これは良いトレードオフでした。SiC FETは、スイッチング損失と導通損失の両方が低いため、この分野ではIGBTに代わって着実に採用されています。これには2つの理由があります。まず、前述したように、IGBTはバイポーラー電流による電荷がトラップされているため、ターンオフ速度が遅くなります。一方、SiC FETは、電子のみが流れるため、ターンオン/ターンオフの切り替え速度が速く、スイッチング損失が少なくなります。さらに重要なことは、IGBTは順方向、逆方向のそれぞれの導通時に、IGBT自身または並列ダイオードからのPN接合が電流経路に必ず存在することである。SiC材料は抵抗が低く、PN接合による電圧降下がないため、SiC FETはすべての電流レベルで導通損失が少ないが、電気自動車が最も頻繁に使用する低電力では大きな利点があります。また、SiC FETは並列ダイオードを必要としないため、順方向、逆方向のいずれの電流でも「ニー」電圧が発生しません(スイッチングのデッドタイム後)。

動作モードは力率(PF)と相関しています。PFが正であれば、回路はインバーターモードになり、バッテリーからエネルギーを取り込んでモーターを駆動します。PFが負であれば、回路は整流器として動作し、エネルギーをバッテリーに戻します。効率を最大化するためには、PFをできるだけ+1または-1に近づけるのが理想的です。

PFを変えることで、使用しているFETの損失が浮き彫りになります。ここで重要なのは、順方向および逆方向の導通損失と、ターンオンおよびターンオフのスイッチング損失です。これらを合計して、FETごとの損失を算出します。インバーターモードや整流器モードでは、導通損失のほとんどが順方向電流や逆方向電流によるものです。なお、順方向電流はドレインからソース(IGBTの場合はコレクターからエミッター)に流れます。モータードライブ用のIGBTは順方向にしか電流が流れないため、逆方向に電流を流すためには並列ダイオードが必要になります。このため、電流の方向によって導通損失が異なり、IGBTやダイオードの発熱も異なります。一方、SiC FETは、順方向と逆方向の電流を同じ導通損失(デッドタイム後)で、同じチップを介して流すため、チップの利用率が高く、電力密度を高めることができます。

インバーターモードと整流器モードの両方で高効率を実現するために設計する場合、チェックすべき指標の1つは、逆回復電荷と各FETのターンオン時のスイッチング損失です。例えば、ハーフブリッジの下側のFETが、上側のFETに逆方向の電流が流れた後にオンになると、上側のFETが逆回復します。これにより、ハーフブリッジの下側のFETに残留電流が流れ、ターンオン時のスイッチング損失が増加するという効果があります。このように、逆回復電荷はFETの重要なパラメーターです。実際、SiCデバイスは逆回復電荷が非常に低いため、一般的にIGBTの代わりにSiCデバイスを使用すると、数パーセントの効率向上が得られます。これは、航続距離や車両コストの面で大きなメリットとなります。

Qorvoは、これらのアプリケーションにおいて、同社のSiC FETをIGBTと比較する実験をいくつかおこないました。また、エンジニアどうしでPF、バッテリー電圧、相数、モーター出力電力などの異なる動作条件における部品の性能を迅速にシミュレーションできる設計ツールを共有することができます。

ひとつ確かなことは、回生ブレーキは最終顧客にとってより重要になってきており、設計段階では効率レベルを詳細に検討する必要があるということです。

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