SiCは電気自動車の急速充電とV2Gの要件を満たします

高電圧充電技術により充電速度と効率が向上

一度に最大400マイル走行できる内燃機関車の運転に慣れている顧客は、電気自動車に対して必然的に「航続距離不安」を抱くことになる。しかし、バッテリー容量の増加やバッテリー管理技術の向上により、最新の電気自動車の航続距離は約200マイルに達しており、近い将来には300マイルが普及すると予想されています。現在、航続距離が400～500マイルを超えるモデルもすでに市場に出回っており、「航続距離不安」の問題も軽減されるだろう。

しかし、電気自動車のバッテリー容量が増加するにつれて、バッテリー充電の速度と効率がより重要になります。電気自動車市場の持続的な成長を促進するためには、充電時間が短く、容量の80％を12〜15分で充電できる充電インフラが必要です。この需要により、電圧を上げることで、このような急速充電器に必要なより高い出力を安全に達成できます。

高電圧で充電すると多くの利点があります。電圧が高いと電流が低くなるため、ケーブルでの電力損失やバッテリーの過熱が軽減され、電力がより適切に維持されます。また、ケーブルのサイズが小さくなると銅の使用量が減り、必要なスペースと重量が減るため、重量も軽減できます。ケーブルのサイズが小さくなると、高価な銅ケーブルやコネクタによるコストも削減されます。

多くの新しいモデルでは、800Vまたは900VのDC急速充電技術が採用され始めています。しかし、高電圧ソリューションでは、電気自動車メーカーは、モーターの巻き線数を増やし、導体の絶縁を強化し、主電源回路を再設計して、800Vを超える耐電圧を備えた最先端の電源部品を使用するなど、すべてに大きな変更を加える必要があります。

(出典: YOLE DÉVELOPPEMENT、POWER SIC MATERIALS、DEVICES AND APPLICATIONS 2020)

V2Gはエネルギー効率を向上

一方、充電器がサポートしなければならないもう1つの重要なトレンドはV2Gです。いわゆるV2Gは、電気自動車と電力網の関係を表します。電気自動車が使用されていないときは、車載バッテリーの電気エネルギーを電力網システムに販売することができ、車載バッテリーを充電する必要がある場合は、電力網から車両に電流が流れます。

各社が強力な車載エネルギー貯蔵システム（ESS）の重要なビジネスモデルを構築しており、V2Gは徐々に発展しています。太陽エネルギーと定置型ESSは将来の電化において間違いなく重要な役割を果たすでしょうが、ピーク負荷に対処する際にはV2G機能に大きな期待が寄せられています。

大規模な商業および産業エネルギー消費者は、必要なピーク電力と高い平均力率に対してより多くの料金を支払う必要があり、双方向DC急速充電器はピーク負荷時に電気自動車の充電機能を企業サイトまたは電力網への電力供給に切り替えることができるため、システムを導入する経済的メリットが生まれます。

(出典: YOLE DÉVELOPPEMENT、POWER SIC MATERIALS、DEVICES AND APPLICATIONS 2020)

SiCデバイスはシリコンベースのデバイスに比べて多くの利点がある

シリコン (Si) デバイスと比較すると、SiCデバイスには多くの利点があります。たとえば、SiCの破壊電界強度はシリコンの10倍であるため、より小さなベア ダイ領域でのブロッキング電圧はシリコンよりも高くなります。現在、SiCは1700VものMOSFETブロッキング電圧をサポートできますが、シリコンベースのスーパージャンクションMOSFETは通常900V未満です。

SiCはシリコンに比べてオン抵抗とオフリーク電流が低いため、効率向上に役立ちます。SiCは逆回復電流が非常に低いかまったくなく、シリコンの3 ～ 5倍の周波数でスイッチングできるため、コンデンサや磁気部品のサイズと重量が削減されます。さらに、SiCは熱伝導率が3倍高く、より高いチップ温度に耐えることができるため、冷却の必要性が軽減されます。

これらの特性により、1200V SiCデバイスはシリコンベースの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) に比べてコスト/パフォーマンスの面で大きな利点があり、800V ～ 900Vの電気自動車のアーキテクチャを実現するために必要な、より高い効率、熱プロファイル、電力密度を実現します。

オンボード充電器と充電スタンドには、AC/DC変換用のアクティブ フロント エンド (AFE) とDC/DCコンバーターを含む2つのメイン モジュールが含まれています。AFEは電力網から単相または三相電力を取得し、それをDC中間電圧に出力し、DC/DCモジュールを介して電気自動車のバッテリーの急速充電に必要な電圧に変換します。

もう1つのモジュールはオンボード チャージャー (OBC) で、通常は3 kW ～ 11 kWの単一モジュールを使用します。充電パイルは15kWから30kWまでのモジュールで構成されており、スタックの組み合わせにより150kWの電流が達成され、最新の目標は350kWです。最新のSiCデバイス、パッケージ、回路トポロジーにより、近い将来、より少ない60 kWモジュールでこの目標を達成できるようになります。

製品ミックスとリファレンスデザインを充実させ、開発をスピードアップ

Wolfspeedは、電気自動車市場における1200V MOSFETとショットキー ダイオードの豊富な製品ポートフォリオをサポートする重要なコンポーネントを提供します。Wolfspeedの1200 Vブロッキング電圧第3世代 (C3M) MOSFETシリーズの定格電流範囲は7.2A ～ 115A、オン抵抗 (RDS_on) は350 mΩ ～ 16 mΩ、最大接合温度は150℃ または175℃ です。これらのデバイスは、標準のTO-247-3および最適化されたTO-247-4およびTO263-7パッケージで提供され、ケルビン ソース ピン接続により、これらの超高速SiCデバイスのパフォーマンスを最適化できます。

Wolfspeedはリファレンス デザインも提供しており、設計作業を簡素化し、市場投入までの時間を短縮できます。Wolfspeedは、電気自動車充電器の最新動向に応えて、オンボード充電器とDC急速充電器用電源モジュールの両方に使用できるAFEと柔軟なDC/DCコンバーターを含む22kWソリューションを開発しました。

2つのリファレンス デザイン ボードの組み合わせは非常にユニークで、双方向の単相および三相動作をサポートし、オンボード チャージャーの固定バッテリー電圧のニーズと、前世代の電気自動車と800V電気自動車の両方に対応するDC急速充電器の200V ～ 800Vの可変電圧のニーズを満たします。AFEおよびDC/DC設計の柔軟性により、エンジニアはESS、UPS、その他の産業用電力変換システムなど、電気自動車以外のアプリケーションをターゲットとする新たな機会を得ることができます。

45kHzで動作するCRD-22AD12N AFEは、シンプルな6スイッチ トポロジを使用します。スイッチはより高い周波数をサポートできますが、誘導コア損失とスイッチング効率の間にはトレードオフがあります。このトポロジは、同様の6個のIGBT回路を直接置き換えることができます。IGBTソリューションはシンプルで安価ですが、IGBTテール電流が存在するため、スイッチング損失と高効率が低く、その周波数は20 kHzと低くなります。

CRD-22DD12N DC/DCボードには、周波数変調、位相シフト制御、適応同期整流、ブリッジ再構成技術を実現する柔軟な制御方式を備えたフルブリッジCLLC共振コンバータが搭載されています。このトポロジーにより、ゼロ電圧ターンオンと低電流ターンオフが実現され、スイッチング損失と電磁干渉 (EMI) が低減します。これらすべての実装では、電源デバイスの数が減り、システム コストが削減されます。AFEとDC/DCボードを組み合わせると、シリコンベースのソリューションに比べて大きな利点が得られます。

結論

電気自動車のバッテリー電圧が800Vに向かっている中、1200V SiCスイッチは、目標充電時間15分の新しい電気自動車アーキテクチャを実現できるだけでなく、V2Gにおける双方向充電器の応用に新たな機会をもたらします。Wolfspeedは、CRD-22AD12N AFEの設計用にCRD-22DD12N DC/DCリファレンス ボードをエンジニアに提供します。このボードは、全体的なシステム コスト、重量、サイズの削減、システム効率の向上、放熱設計とコスト負担の簡素化など、シリコン デバイスと比較してSiCデバイスを採用することの多くの利点を示しています。また、電源システム設計を簡素化して市場投入までの時間を短縮できるため、高電圧充電アプリケーションの開発に最適です。