EVからソーラーパネル、HVACまで、SiCデバイスはシステムのサイズと重量を縮小しながら、電力密度、効率、信頼性を強化しています。
テスラがモデル3のトラクションインバーター（バッテリーから出る直流をモーター駆動に必要な交流に変換するデバイス）にシリコンカーバイド（SiC）MOSFETを組み込んでからほぼ5年が経ち、このワイドバンドギャップ（WBG）技術は電気自動車設計における電力動態を変える上で大きな進歩を遂げました。
Exawattの調査では、2030年までに乗用EVの70% がSiC MOSFETを使用するようになると予測されています。次に、このWBG半導体材料は、風力タービンから産業用モーター、太陽光パネルに至るまで、再生可能エネルギーの設計を変革すると期待されています。
車両の電動化に加えて、トラクションインバーターなどのさまざまなデバイスが、風力発電所、太陽光発電、電力網の電動化においてエネルギーの流れを常に変換、管理、調整しています。
インフィニオンのSiCデバイスは、ドイツのミュンヘンで路面電車のモーター騒音を低減する1年間のパイロット プロジェクトの中心でした。
しかし、なぜSiCコンポーネントはEVや太陽光発電インバーターなどの再生可能エネルギー設計に適しているのでしょうか?車両の電動化や再生可能エネルギー システムに使用される電力アプリケーションでは、効率、信頼性、電力密度が設計エンジニアにとって常に課題となっています。しかし、シリコンベースのコンポーネントは、効率の向上とシステムコストの削減においてほとんど限界に達しています。
一方、牽引動力装置、産業用モーター駆動装置、エネルギー インフラストラクチャ ソリューションなどの設計では、効率を高め、システムのサイズと重量を削減し、信頼性を高めるために、高電圧スイッチング テクノロジが必要です。そのためには、システム レベルで効率を改善し、電力密度を高め、電磁干渉を減らし、システムのサイズと重量を縮小する新しいタイプの電源コンポーネントが必要です。SiCパワー半導体の登場です。
EVの場合、SiCコンポーネントは、トラクション インバーター、オンボード チャージャー (OBC)、DC/DCコンバーター、e-climateコンプレッサーの設計を実現する重要な要素となっています。次のセクションでは、SiC半導体がどのように効率を向上させ、EVドライブトレインと充電器のサイズを縮小するかについて詳しく説明します。
SiCがEVの主力である理由
EVが航続距離を延ばすために、搭載バッテリーの容量を増やすことを目指すのは当然のことです。さらに、EVでは充電時間の短縮の要求に応えるため、より高電圧の800 Vバッテリーが使用されています。したがって、当然のことながら、自動車の設計者は、低損失で高電圧に耐えることができるパワーデバイスを緊急に必要としています。
SiCコンポーネントは、高い熱伝導性を備えながら、1,200 V以上の高電圧に対応できます。さらに、高周波を堅牢に処理できるため、電力システム内の受動部品が小型化されます。このように、SiCパワーデバイスは効率を高め、車両の重量とコストを削減するのに役立ちます。
車両を動かすために電源（バッテリー）から車軸にエネルギーを送るドライブトレインのほか、最も注目すべき隣接市場はEVのオンボード充電です。ここで、コンバーター デバイスはトラクション インバーターに似ていますが、その逆の動作を行います。つまり、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。
カリフォルニアの自動車メーカーであるLucidは、同社初の高級セダンEVであるLucid Airを設計していた際、DC/DCコンバータと双方向OBCを統合したメインのオンボード充電ユニットにSiC MOSFETを採用し、高いスイッチング周波数で動作できる高度な力率補正回路を実現しました。
RohmのSiC MOSFETは、DC/DCコンバータと双方向OBCを統合したメインのオンボード充電ユニットであるLucid AirのWunderboxに電力を供給しました。
Rohmの SCT3040K および SCT3080K SiC MOSFETを組み込むことで、Lucidは設計サイズを縮小し、高い充電効率による電力損失を削減することができました。ロームは、主駆動インバータなどの自動車パワートレインシステム向けにSiC MOSFETを最適化しました。
また、中国では宇通グループが電気バスを発売しており、ここでは、電気バス用の高効率パワートレイン システムは、Wolfspeedの1,200 V SiC MOSFET を組み込んだStarPowerモジュールに基づいています。
EVを超えて：再生可能エネルギー
SiCはEVのドライブトレインとOBCの機能を再形成する一方で、暖房、換気、空調 (HVAC) システムから電力網、産業用モーターに至るまで、電化アプリケーションに役立つ可能性を実証しています。つまり、SiCの話はEVよりもずっと大きいのです。
一例を挙げると、太陽光発電の設置容量は世界中で急増しており、約600基の中規模石炭火力発電所が置き換えられています。太陽光発電システムでは多くのインバーターが使用されるため、太陽光パネルを設置する際には重量とサイズが重要な考慮事項となります。インバーターのサイズを縮小することで、太陽光パネルの設置と保守に必要な労働力を大幅に削減できる可能性があります。
ワシントン州アーリントンに拠点を置く代替エネルギー製品の製造会社Midnite Solarは、ソーラー充電コントローラ、デュアルMPPT充電コントローラ、バッテリーベースの充電器/インバータ、120/240 Vインバータ/充電器にRohmのSiC MOSFETを採用しています。Midnite Solarは、双方向に動作する必要があるインバーターを充電器として動作させようとした際、当初はIGBTペアを別のダイオードと組み合わせて試しました。しかし、それはうまくいかず、最終的にSiCが設計パズルを解決しました。
そして、デルタ・エナジー・システムズはウルフスピードの SiC MOSFET 太陽光発電インバーターにこの技術を採用し、インバーターの重量を軽減しながら電力密度とエネルギー効率を高めました。
