なぜSiCは電気自動車の中核なのか
持続可能な未来を実現するため、パワートレインや高電圧システムの電子設計者・技術者は、EVの航続距離拡大、設計の複雑さの低減、外部部品コストの削減に強い関心を持っている…
自動車の電動化は依然として多くの技術的課題を抱える分野であり、自動車メーカーはそれらの克服に注力している。持続可能な未来に向け、技術者はEVの航続距離を最大化しつつ設計の複雑さと外部部品コストを抑えたいと考えている。複雑さとコストを削減してEVの自律性を最大化することは、現代自動車ビジョンの主要目標である。EVエコシステムはSiCパワーエレクトロニクスから大きな影響を受け、多様な性能上の利点をもたらしている。
自動車産業は技術転換期にある。実際、内燃機関（ICE）車からEVへの進化は急速に拡大している。同時に、トラクションインバータシステムや電力変換における半導体イノベーションも普及を促す重要な要素となっている。世界的なCO2削減規制を背景に、EVは2030年までに広く普及すると見込まれる。そのためトラクションインバータなど高電圧用途の設計者は、限られた空間でシステム効率と信頼性を最適化するさまざまな課題に直面している。
現在、自動車メーカーはSiCおよびIGBTベースの信頼性の高いトラクションインバータを製造でき、機能安全実現のための高度なSiC監視・保護・診断機能を備える。最新世代の高集積SiCゲートドライバはEVの自律性を最大化する。EVの航続距離向上にはより高効率なトラクションインバータの設計も必要であり、SiCゲートドライバの特性により、設計者は電力密度を高め、設計の複雑さと外部部品数を削減し、コストを下げ、機能安全と総合性能の戦略目標を達成し、自律性を最大化しつつ、より効率的なトラクションインバータを設計できる。
パワーデバイスの技術仕様と参照市場
SiCゲートドライバは少ない消費電力でより多くの機能を実現し、多市場、とりわけ今日の自動車市場のニーズに最適で、さまざまな用途で優位性を発揮する。
効率的な電力変換はシステム内のパワー半導体に依存する。デバイス技術の進化により、大電力用途はますます高効率・小型化している。代表例がIGBTおよびSiC MOSFETで、高耐圧・大電流定格と低い導通損失・スイッチング損失を兼ね備え、大電力用途に適する。400Vを超える用途では、安全動作のマージン確保のためデバイスを650V超の定格にする必要がある。産業用モータドライブ、EV/HEV、トラクションインバータ、再生可能エネルギーの太陽光インバータなどは、数kWからMWクラスまで幅広い電力レンジで運用される。
SiC MOSFETとIGBTの電力レンジは非常に似ているが、周波数の増加に伴い差が広がる。SiC MOSFETは力率改善電源、太陽光インバータ、EV/HEVトラクションインバータ、モータドライブ、鉄道などで普及が進む。一方IGBTはモータドライブ、UPS、3kW以下のストリング型および集中型太陽光インバータ、EV/HEVトラクションインバータでより一般的だ。
圖1：根據功率水準和頻率劃分的功率半導體元件應用示意圖。
(來源：德州儀器)
Si MOSFETやIGBTと比較し、SiC MOSFETは複数のシステムレベルの優位性を備える。ワイドバンドギャップ（WBG）材料は非常に興味深い特性を持ち、Siベースのシステムと比べてSiCの材料特性はシステムレベルの利点に直接結びつく―小型化・低コスト・軽量化など。これによりSiC MOSFETはSiパワーデバイスを徐々に置き換えつつある。
圖2：功率元件材料的技術特性。
(來源：德州儀器)
矽MOSFET、矽IGBT和SiC MOSFET都可用於電源應用，但在功率水準、驅動方法和工作模式上有所不同。功率IGBT和MOSFET在閘極採用電壓驅動，因為IGBT在內部是一個驅動雙極結型電晶體的MOSFET。由於IGBT具有雙極特性，因此它們能以較低的飽和電壓承載較大的電流，從而實現較低的傳導損耗。
MOSFET的傳導損耗也很低，但取決於元件的漏源導通電阻(RDS(on))。矽MOSFET承載的電流比IGBT小，因此IGBT用於大功率應用。MOSFET用於高頻應用，在這些應用中，高效率是最重要的。
SiC MOSFET在元件類型上與矽MOSFET相似。不過，SiC是一種WBG材料，其特性使這些元件能夠在與IGBT相同的大功率水準下工作，同時還能實現高頻率開關。這些特性轉化為重要的優勢，包括更高的功率密度、更高的效率和更低的散熱。隨著功率水準的增加，例如在驅動電動車馬達的牽引逆變器中，由於高極限工作溫度和容許結溫，IGBT等矽功率元件的散熱管理變得更加複雜。這就需要將冷卻元件整合到驅動系統中，尤其是在功率可能超過100kW的牽引逆變器中。然而，這些冷卻元件會增加車輛的尺寸、重量和成本。相比之下，SiC的容許結溫要高得多。此外，在給定電池容量的情況下，SiC斷路器在牽引逆變器系統中的效率比IGBT提高了10%。
SiC在車用電力電子系統中的重要性
SiCはWBG半導体であり、近年、持続可能な輸送エコシステムに世界的影響を及ぼし得る成功技術となっている。SiCを電源スイッチに用いることでEVパワートレインの電力密度とスイッチング効率を向上できる。SiCベースのパワーエレクトロニクスの主な利点は次の通り：
・電力密度の向上によるEVパワートレイン性能の改善
・従来のSiデバイスより高温で動作可能
・電流容量の増大
・高いスイッチング周波数
・高耐圧
・Siの2〜3倍の熱伝導率
・航続距離の延長
・急速充電
・コスト低減
SiCパワーデバイスはSiパワーデバイスの最大5倍の電流密度を実現し、チップあたりの電力密度が高まり、デバイス小型化とパッケージのコンパクト化が可能となる。バッテリー容量（エネルギー密度）向上によるコスト低減と並行して、EVパワートレインはサイズ・重量・コストの低減により電力密度を高めており、その手段としてSiCパワースイッチ、特に車載充電器（OBC）とトラクションインバータでの活用が最大化されている。
さらにSiCベースのパワーデバイスはスイッチング周波数を10倍に高めることができ、トラクションインバータでは少なくとも20kHz、OBCでは数百kHzに達する。高周波化により、コンデンサやインダクタなどの受動素子の寸法を大幅に縮小でき、システム全体の小型化が可能となる。SiCは高耐圧・高電力・高スイッチング効率を実現し、大電力トラクションインバータの設計を簡素化するとともに損失を大幅に低減する。
電動車系統工程師面臨的挑戰是，如何透過涉及電源轉換和WBG半導體的創新，最大限度地發揮高壓技術的潛力。電動車對更高可靠性和更高功率性能的需求不斷成長，因為效率的提高直接影響到每次充電續航里程的增加。然而，考慮到大多數牽引逆變器的效率已達到90%或更高，電動車設計人員要想大幅提高效率仍然非常困難。在電動車動力系統中使用SiC功率開關可實現更高的功率密度和開關效率。
此外，基於SiC的電力電子元件還能使電動車實現更長的行駛里程、更快的充電速度和更低的擁有總成本。還可利用SiC元件低功率損耗降低電池成本和尺寸。此外，更高的電壓可減少馬達繞組中對大量銅的需求，從而實現更小的馬達設計。這些元件尺寸和重量的減少有助於降低電動車的成本，從而大大有利於電動車的成本趨於平價，甚至優於傳統的內燃機汽車。在給定功率水準和電池容量的情況下，SiC功率元件的尺寸可以更小，從而形成具有整合推進系統的電動車子系統集群。在設計層面，透過消除或減少用於冷卻的機械塊，以及被動元件和外殼的材料用量，可以最大限度地降低系統成本。
總體而言，SiC電力電子技術正在產生巨大的全球影響。未來幾年SiC最大的細分市場肯定是電動車，這說明SiC技術市場的成長速度將超過電動車市場。
(參考原文：Why SiC Is at the Heart of E-Mobility，by Giordana Francesca Brescia)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2024年6月號