シリコンカーバイドがEV急速充電器市場の電力V2G需要を満たす

最近の自動車業界の回復、グリーンテクノロジーに対する消費者の関心の活発な復活、規制支援の増加により、電気自動車（EV）市場への期待が高まっています。

EVは、内燃機関を搭載した車両で可能な400マイルの航続距離に慣れている顧客の「航続距離不安」の解消に近づいている。最新の電気自動車は200マイル近い航続距離を実現しており、300マイルもすぐに一般的になるだろうと予想されている。最先端のテスラSベースのモデルは400マイル強の走行距離を実現しており、新たな高級EVトレンドセッターであるルーシッド・モーターズは、500マイルを超える走行距離を実現するモデルでその記録を突破した。

15分充電ソリューションへの道

EVの成長を持続させるには、充電時間を80% の容量で12 ～ 15分に短縮する充電器のインフラストラクチャが必要です。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電力供給を安全に実現できます。高電圧により電流が低くなり、ケーブルでの電力損失とバッテリーの過熱が軽減され、電力保持が向上します。また、ケーブルのサイズが小さくなるため銅の必要量も減り、スペースと重量が軽減されるため、軽量化も可能になります。ケーブル寸法が小さくなると、高価な銅ケーブルやコネクタのコストも削減できます。

テスラは400Vの「スーパーチャージャー」ネットワークでこのトレンドを開始したが、15分という目標を達成するにはまだ十分ではない。したがって、重要なトレンドは800Vアーキテクチャ（図1）。

図1: 充電時間を短縮する必要性から、DC急速充電器の電力能力が向上しています。(出典: Yole Développement、パワーSiC材料、デバイスおよびアプリケーション2020)

ポルシェのテイコン、ヒュンダイのキアEV6、ゼネラルモーターズのハマーEVなど、いくつかの新しいモデルはすでに800VのDC急速充電を採用している。Lucidは、900 Vアーキテクチャでそのレベルをさらに上回りました。

このため、EV企業は、モーターの巻線の巻き数を増やして導体の絶縁を強化することから、800 Vを超える阻止電圧を備えた最先端のコンポーネントを使用するようにパワー ステージを再設計することまで、あらゆるデバイスに大幅な変更を加える必要が生じました。

V2Gの双方向性

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、車両から送電網への接続 (V2G) です。企業が車輪付きの強力なエネルギー貯蔵システム (ESS) の魅力的なビジネス モデルを革新するにつれて、V2Gは徐々に発展しています。太陽光発電と据置型ESSは電化の未来において確実に重要な位置を占めるでしょうが、負荷ピークに対処するためにV2Gが検討されています。

ピーク電力需要と高い平均力率の両方に対して罰金を支払わなければならない大規模な商業/工業エネルギー消費者について考えてみましょう。ピーク負荷時に従業員の電気自動車の充電から企業の敷地またはグリッドへの給電に切り替えることができる双方向DC急速充電器は、導入する価値のある経済的なケースです。

例えば、フェルマータ・エナジーはノースカロライナ州アホスキーで、最終的にはEVを建物や電力網に統合するのに役立つデバイスをテストしている。その目的は、EVを、エネルギーの回復力を高め、エネルギー コストを削減するだけでなく、最終的には周波数調整などのサービスを提供する貴重なESS資産に変えることです。

より小規模な場合、これらのESS資産は、停電時に消費者にバックアップを提供し、キャンパーや商業請負業者（遠隔地でのTV/映画撮影をサポートする業者を含む）にポータブル電源を提供したり、停電時に一時的な電力を供給したりすることができます。より大規模な場合、V2Gは国の電力網に接続して、風力や太陽光などの再生可能エネルギーの変動を平滑化することができます。

SiCが800Vアーキテクチャを実現

シリコンカーバイド（SiC）は、高電圧急速充電器への移行を可能にする重要な技術です。SiCデバイスは、シリコン (Si) デバイスに比べていくつかの利点があります。

10倍高い破壊電界により、シリコンよりも小さなダイ面積で高いブロッキング電圧を実現できます。(SiCは現在、最大1700 VのMOSFETブロッキングをサポートしていますが、シリコン スーパー ジャンクションMOSFETは一般に900 V未満に制限されています。)

Siよりもオン状態の抵抗が低く、オフ状態のリーク電流が低いため、効率が向上します。逆回復電流が非常に低いかゼロであり、Siよりも3 ～ 5倍高いシステム周波数でスイッチングできるため、コンデンサと磁気部品のサイズと重量が削減されます。熱伝導率が3倍高く、チップの高温にも耐えられるため、冷却の必要性が減ります。

図2: 新しい800 Vアーキテクチャに必要な650 Vから1,200 Vへの移行により、SiとSiCのパフォーマンス ギャップがさらに拡大すると同時に、コストの差は減少します。（出典：Yole Développement）

これらの特性により、1,200 V SiCデバイスは、Si絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) に比べてコスト/パフォーマンスの点で大幅に有利な立場
(図2) となり、800 ～ 900 VのEV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、および電力密度を実現します。Yole Développementが、オフボード充電器のSiCが現在の約1,000万ドルから2025年には約2億2,500万ドルに成長すると予想しているのも不思議ではありません。

パワーのために積み重ね

オンボードおよびオフボードのEV急速充電器はどちらも、AC/DC変換用のアクティブ フロント エンド (AFE) とDC/DCコンバーターの2つの主要ブロックで構成されています。AFEはグリッドから単相または三相電力を取得し、DC中間電圧に出力します。その後、DC/DCブロックによって、EVバッテリーの急速充電に必要な電圧に変換されます。

OBCでは通常、3～11kWのモジュールを1つ使用しますが、オフボード充電器では15kW～30kWのモジュールを積み重ねて、現在は150kWに達し、最近では350kWという目標に達しています。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ブロックでこれを実現できるようになります (図3)。

図3: SiCにより、高電圧、高電力、よりシンプルな充電器の設計が可能になります。(出典: Yole Développement、パワーSiC材料、デバイスおよびアプリケーション2020)

鍵となる要素

Wolfspeedは、EV市場のこれらのトレンドをサポートする重要なコンポーネント、つまり1,200 V MOSFETとショットキー ダイオードの幅広いポートフォリオを提供しています。同社の1,200 Vブロッキング電圧の第3世代 (C3M) MOSFETラインナップには、電流定格が7.2 A ～ 115 A、オン抵抗 (RDS(ON)) が350 mΩ ～ 16 mΩ、最大接合温度が150°Cまたは175°Cのモデルが含まれています。これらのデバイスは、標準のTO-247-3のほか、ケルビン ソース ピン接続を備えた最適化/強化されたTO-247-4およびTO263-7パッケージで提供され、これらの超高速SiCデバイスのパフォーマンスを最適化するのに役立ちます。

新しいデザインの参考資料

Wolfspeedは、設計の手間を軽減し、市場投入までの時間を短縮するリファレンス デザインも提供しています。最新のEV充電器のトレンドに対応するため、同社はOBC用またはDC急速充電器のパワーブロックとして使用できる、AFEと柔軟なDC/DCコンバーターで構成される22kWソリューションを開発しました（図4）。

図4: 22kW双方向充電器の仕様

2つのリファレンス ボードの組み合わせは、双方向の単相および三相動作をサポートし、OBCの固定バッテリー電圧のニーズと、旧型のEVと800 V EVの両方に対応する必要があるDC急速充電器の可変200～800 Vのニーズを満たすことができる点でユニークです。AFEおよびDC/DC設計の柔軟性により、ESS、UPS、その他の産業用電力変換システムなど、EV以外のアプリケーションをターゲットとするエンジニアに新たな機会が生まれます。

1,200V SiCはパフォーマンスを向上し、設計を簡素化します

45 kHzで動作するCRD-22AD12N AFE (図5、右) には、シンプルな6スイッチ トポロジが使用されます。スイッチははるかに高い周波数をサポートしますが、誘導性コア損失とスイッチ効率の間でトレードオフを考慮する必要があります。このトポロジは、同様の6つのIGBT回路を直接置き換えます。この回路はシンプルで安価ですが、効率が低く、スイッチング損失が高く、IGBTテール電流のために周波数が20 kHz未満と大幅に低くなります。

図5: 1,200 V SiC MOSFETでは、3つの追加サイドMOSFETとより複雑な制御を必要とする一般的な双方向TタイプSiソリューションと比較して、わずか6つのスイッチで双方向設計が可能になります。

高いスイッチング周波数の利点を実現するために、650VシリコンまたはSiCデバイスを追加するときにTタイプAFEトポロジを実装できますが、部品数の増加、制御の複雑化、システム コストの増加など、大きなトレードオフが伴うことに注意してください。

図6: CRD-22AD12Nは98.5% を超える効率を実現します。

CRD-22AD12Nは、TO-247-4パッケージの1,200 V、32 mΩ のC3M0032120K SiC MOSFETと、200 kW/m3の比較的低い電力損失密度 (Pv) と68% の優れたDCバイアス、および最大300 kHzの高周波範囲の優れた組み合わせを提供する粉末コアKAM材料ベースのPFCチョークを使用します。

C3M MOSFETと柔軟な制御方式により、ボードはSiのパフォーマンスを上回り、次の機能を提供します。

• •  4.6kW/Lの高出力密度
• •  充電および放電モードで98.5%を超える高効率
• •  双方向操作
• •  三相ACと単相AC入力の両方からのDCリンクをサポート
• •  旧式および将来のEVアーキテクチャとの互換性のために200～800VDCのバッテリー電圧範囲をサポート

単相アプリケーションでは、AFE評価ボードは6.6 kWを出力します。三相アプリケーションでは、22 kWを出力します。

充電器のDC/DCセクションが必要な性能レベルを達成するには、図に示すカスケードコンバータのような650VのSiまたはSiCデバイスを使用した複雑なマルチレベルトポロジを使用する必要があります。 図7。Si 650-Vデバイス ソリューションは、80 ～ 120 kHzのスイッチング周波数範囲を提供しますが、より多くのスイッチとドライバの数、より高いシステム コスト、複雑な電流共有制御が必要になり、伝導損失も大きくなります。

図7: カスケード コンバータ (左) のスイッチング周波数範囲は80～120 kHzで、より多くのスイッチとゲート ドライバが必要です。1,200 V SiCトポロジ (右) はよりシンプルで、より少ない部品で140 kHzから250 kHzに切り替えます。

代わりにC3M0032120K部品を使用することで、Wolfspeedはより優れたパフォーマンスと、より小型で軽量な磁気部品の実現に貢献する140～250 kHzのスイッチング周波数範囲を実現できました。

CRD-22DD12N DC/DCボードは、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装する柔軟な制御方式を備えたフルブリッジCLLC共振コンバータです。このトポロジーにより、ゼロ電圧ターンオン、低電流ターンオフが可能になり、スイッチング損失が低減し、EMIが低減します。これらすべては、部品点数の削減とシステムコストの削減とともに実現されます。

図8: CRD-22DD12NはAFE効率レベルと一致します。

380～900 VのDCバス入力電圧範囲と200～800 VのDC出力電圧範囲に対応しており、単相AFEと三相AFEの両方に統合できます。

AFEと同様に、このボードは8 kW/Lの高電力密度と、充電モードおよび放電モードで98.5% を超える高効率を提供します。

SiCの利点を集約

AFEボードとDC/DCボードを組み合わせると、Siベースの実装に比べて大きな利点が得られます (図9)。

図9: CRD-22AD12N AFEとCRD-22DD12N DC/DCを組み合わせると、システム コストが15% 以上削減され、システム効率が2パーセント ポイント向上し、電力密度が50% 向上します。

結論

EVバッテリー電圧が800 Vに近づくにつれ、1,200 VのSiCスイッチは、15分充電を実現することを目指す新しいEVアーキテクチャを実現するだけでなく、双方向充電器を備えたV2Gアプリケーションに新たな機会をもたらします。

Wolfspeedがエンジニア向けにCRD-22DD12N DC/DCリファレンス ボードを使用してCRD-22AD12N AFEを設計した結果、SiCデバイスを使用すると、全体的なシステム コストの削減、重量とサイズの削減、システム効率の向上、熱設計とコスト負担の軽減、および電源システム設計の簡素化による市場投入までの時間の短縮が可能になり、Siデバイス コストに対するプレミアムを十分に補えることがわかりました。