道路輸送は世界の二酸化炭素排出量の約5分の1を占めており、そのため、輸送目的での電気自動車の使用を指すことが多いeモビリティは、重要な技術領域となっています。電気自動車では航続距離の不安が中心的な問題となっており、エンジニアはEV充電インフラストラクチャの主要な構成要素であるオンボード充電器（OBC）、DC/DCコンバータ、および高速DC充電器に注目しています。
まず、e-モビリティでは、エネルギー貯蔵やコストとともに、充電が大きな課題の一つとなっています。第1世代のEV は充電が最も遅く、3.7kWの電力が必要で、25kWhのバッテリー パックを充電するには最低でも8時間かかりました。しかし、技術の進歩により、定格電力は6.6～22 kWにアップグレードされ、急速AC充電が可能になりました。
EV充電インフラにおけるもう1つの注目すべき変化は、ポルシェ、ヒュンダイ、その他の自動車メーカーが推進するバッテリー電圧の400 Vから800 Vレベルへの上昇です。その結果、充電器の電圧は500 Vから1,000 Vに上昇し、充電器は1,200 V定格の電源コンポーネントを使用し始めています。
急速に普及しつつあるEVおよびハイブリッド車の設計では、上記の変化がIGBT、高電圧ゲート ドライバ、スーパージャンクション整流器、高電圧MOSFET、高電圧DC/DCコンバータなどのコンポーネントの選択に大きな影響を与えます。
この記事では、パワー半導体、マイクロコントローラ、ドライバコンポーネントの観点から、現在および将来のEV充電インフラストラクチャのニーズについて簡単に紹介します。
車載充電器
OBCは、EVが適切なケーブルを介して充電ステーションに接続されると、充電を処理します。インフラ電力網からEVの高電圧DCバッテリーパックを充電するという重要な機能を提供します。これはトラクションインバーターに似たコンバーターデバイスですが、その逆で、壁からのAC電源をバッテリーに適したDC電源に変換します。
OBCは、グリッドからのAC供給電圧をEVバッテリー パックに必要なDC電圧レベルに変換します。(出典: Wolfspeed)
OBC設計は、AC/DC変換用のアクティブ フロント エンド (AFE) とDC/DCコンバータの2つの主要ブロックで構成されます。AFEは、グリッド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、EVバッテリーの急速充電に必要な電圧に変換します。
充電時間、つまりEVが満タンになるまでの時間は、OBCの電力定格によって大きく異なります。したがって、OBCは、OEMが提供する仕様に基づいて充電時間を決定する上で重要な設計上の戦場となっているのは当然のことです。ここでは、新世代のパワー半導体により、以前よりも大幅に高速な充電が可能になります。
さらに、必要に応じてグリッドを補充できる双方向OBCもあります。最小限の損失で効率的に電力を行き来する双方向OBCは、高密度と高効率のバランスを取り、充電モードと放電モードの両方で広い出力電圧範囲を提供します。
双方向充電は、まさにその名の通り、電気が双方向に流れる充電です。(出典: Wallbox)
AC充電からDC急速充電へ
現在、ほとんどの充電ステーションは、特に住宅、オフィス、商業施設において、技術的な障壁が低く、コストが低く、適応性が高いため、AC電源を使用しています。しかし、充電技術が成熟するにつれて、EVドライバーが充電する時間があまりない高速道路や公共の充電ステーションで、効率的なDC充電ポイントが徐々に普及しつつあります。
DC充電ソリューションは家庭での充電にも導入されつつあり、急速充電と双方向充電が可能になることで、ユーザーに新たな可能性を提供しています。これらの充電器は、EVに搭載されたOBCをバイパスし、バッテリーに直接急速DC充電を提供します。
DC急速充電の場合、かつては150kWが標準でしたが、現在では350kW以上の容量が見られるようになっています。これらの改善により、DC急速充電ステーションの容量は引き続き増加すると予想されます。その結果、EVの充電速度が速くなり、充電器がEVの普及のボトルネックとならないようにすることができます。さらに、DC急速充電器はより高い電力レベルを可能にするため、充電ステーションは多数の充電ポイントを配置して、複数の車両を同時に充電できるようになります。
DC急速充電器の設計では、充電時間を最小限に抑えながらシステム効率を最適化することが主な焦点であり、そのため、電圧範囲と負荷要件がコンポーネント選択における重要な設計上の考慮事項になります。言い換えれば、DC急速充電器で使用される電源コンポーネントとモジュールの両方にとって、電力密度とシステム効率が重要です。
例えば、 ウルフパック、1,200 Vシリコンカーバイド (SiC) MOSFETを中心に構築されたWolfspeedの電源モジュール。EV急速充電アプリケーションに対応しながら、電力密度と効率を最大化するとともに、製品のフォームファクタを縮小し、設計の複雑さを軽減することを目指しています。
SiCデバイスは、WolfPACK電源モジュールの心臓部です。(出典: Wolfspeed)
さらに、すべてのスイッチにはドライバが必要であり、すべてのドライバを制御する必要がある一方で、マイクロコントローラはEV充電設計の温度と電圧の監視において重要な役割を果たします。これらのMCUはゲート ドライバーや電源デバイスと連携して充電効率を高めます。
超高速EV充電
EV充電ステーションが今やe-モビリティ インフラストラクチャの不可欠な部分となっていることは明らかです。勢いは明らかにSiC側にありますが、EV充電設計者は、多くのEV充電アプリケーションで高価な1,200 V SiCデバイスを使用する代わりに、メインのDC/DCステージに650 VシリコンMOSFETを使用できます。また、IGBTは、 言語 インフィニオンの製品は、主にコスト面での優位性から、現在も使用されています。
しかし、インフィニオンの1,200V SiC MOSFETは FF8MR12W2M1B11BOMA1 EV充電設計に最適化されています。IDWD20G120C5XKSA1 などのSiCベースのショットキー ダイオードを追加すると、EV充電インフラストラクチャの設計ロードマップ全体にSiCが反映されることになります。
同様に、WolfspeedのSiC MOSFETとショットキー ダイオード (それぞれ C2M0160120D と E3D20065D など) は、EV充電やDC/DCコンバータなどの高電圧アプリケーション向けに設計され、最適化されています。これらのパワー半導体は、テスラの400 Vスーパーチャージャー ネットワークから、ポルシェのタイカン、起亜EV6、ゼネラルモーターズのハマーEVの800 V DC急速充電実装への移行に対応します。高級EVメーカーのLucidは、900Vアーキテクチャでそのレベルをさらに上回りました。
バッテリー電圧の上昇により、明らかにSiCコンポーネントが有利になりました。また、EV充電インフラ、特にDC充電器技術が急速に進化している理由も示しています。
電気自動車の最大の障害であるドライバーの不安は、本質的にはEV充電インフラに関係しています。したがって、この分野での設計革新、つまり超高速EV充電による充電時間の短縮は、必然的にEVの販売と採用の増加につながるでしょう。コンポーネントと設計ビルディング ブロックはいずれにせよ存在します。