シリコン (Si) ベースのパワー エレクトロニクスは、その技術的成熟度と比較的アクセスしやすいことから、長い間パワー エレクトロニクス業界を支配してきました。しかし、シリコンカーバイド (SiC) 基板は、最近の業界動向とよく一致する大きな固有の利点により、最近注目を集めています。このワイドバンドギャップ (WBG) 半導体は、Siの同等品よりもはるかに大きなエネルギー密度を処理できるだけでなく、高い電力変換効率と大きな熱伝導率も提供します。これは、高度な電力節約と急速充電を必要とするバッテリーベースのアプリケーションでは特に重要な要素です。
この記事は、オンボード充電器 (OBC) システムの設計上の考慮事項と、OBCにおけるSiに対するSiCの利点について、双方向充電器に焦点を当てて説明する2部構成のシリーズの一部です。OBCにSiではなくSiCを実装することの実際的な利点は、コスト削減分析とシステムの利点の内訳とともに、SiおよびSiC OBCのリファレンス設計の比較で詳しく説明されています。
なぜSiCなのか?
SiCはすでに、電源、太陽光発電変換、その他の再生可能エネルギー源の電力変換、産業用モーター駆動用インバーターなど、さまざまなパワーエレクトロニクス アプリケーションに浸透しています。このWBG半導体は、臨界電界（2.2×10 6 V/cm）、電子速度、融点（300° C）、熱伝導率4.9 W/cmKです。トランジスタレベルでは、これによりオン抵抗（R (DS)オン) により伝導損失を低減し、高電流アプリケーションが可能になります。Siベースの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) に比べてデバイスの静電容量が低いため、フィルタや受動部品が小型化され、熱管理システムが全体的に簡素化され、高スイッチング周波数でのスイッチング損失が低減します。
Wolfspeedは、ベース ウェーハの開発から、設置されたSiC機器の設計とサポートまで、SiCシステムの設計と開発を専門としています。表1 SiCの利点と、WolfspeedのSiCに関する専門知識を活用した場合の複合的な利点について詳しく説明します。
表1
これらの望ましい特性により、低電力から高電力の電気自動車 (EV) アプリケーションでSiCベースのAC/DCおよびDC/DCコンバータの使用が急増しました。これは、電動自転車、ハイブリッドEV (HEV)、プラグイン ハイブリッドEV (PHEV)、通勤用車や商用トラックを含むさまざまなバッテリーEV (BEV) などのEVで使用されるOBCに特に当てはまります。これは、EVバッテリーをより速く充電するために使用される3.3 kWを超える高出力OBCシステムに特に当てはまります。これを行うことによる利点としては、充電プロセスが簡素化され、内燃機関（ICE）に慣れている消費者にとってこの技術がより受け入れられやすくなる（航続距離不安の悪影響を軽減する）ことなどが挙げられます。
これらの理由から、充電時間と充電後の有効走行距離は、自動車メーカーにとって重要なパラメータであり、これら2つの要素はバッテリーのサイズと定格充電電力に依存します。これらの充電電力は、3.3kWおよび6.6kWの低電力単相システムから、11kWおよび22kWの高電力システムまで多岐にわたります。図1 3.3 kW、6.6 kW、11 kW、22 kW OBCの一般的な車両タイプ、バッテリー サイズ、0% から100% の充電時間、競合技術を示します。
図1: 6.6kWおよび22kWのOBCを含む車両タイプ、バッテリーサイズ、0%から100%の充電時間、競合技術の比較
車両の種類は、通勤用BEVから、eトラックなどのより大型で高性能なBEVまで多岐にわたります。画像に示すように、充電電力が3倍以上であっても、大容量の車両では0% から100% までの充電時間が長くなる可能性があります。これにより、OBCは高出力システムにとって特に効率的になります。つまり、無駄な電力が少なくなり、充電が速くなります。
OBCの効率性以外にも、コスト、重量、サイズなどのパラメータが重要であり、スペースの予算が限られている場合でも、小型で軽量のOBCであれば車両に簡単に実装できます。さらに、消費者とOEMの両方にとってのOBCコストは、メーカーの設備投資/収益と消費者のアクセスしやすさに直接影響します。競争力を維持するために、OBCはEVがICEベースの車両の価格帯を満たすよう支援する必要があります。
22kW双方向OBC設計: SiとSiCのサンプル設計
双方向電力フローの利点
以前の単方向OBC設計の記事で述べたように、双方向充電器はダイオード損失がないため、本質的に単方向設計よりも高い効率を実現できます。単方向DC/DCブロックにはVienna PFCダイオードが使用され、単方向LLC共振コンバータはダイオード ブリッジを使用して出力整流を実現します。図2 単相双方向OBCの典型的なスケルトンを示します。フルブリッジ整流器は、整流ダイオードの順方向電圧降下によって生じる損失を排除するために、低損失のSiC MOSFETに置き換えられています。これにより、消費電力が削減され、熱管理の要件が簡素化されます。
アジア太平洋 (APAC) 地域はEVの双方向充電イニシアチブをリードしていますが、より高いシステム効率と、車両から家庭への (V2H) 発電、車両からグリッドへの (V2G) 機会、車両から車両への (V2V) 充電ユースケース (別のEVのジャンプスタートなど) などのV2-otherアプリケーションの可能性のために、双方向OBCを採用する傾向が一般的にあります。
図2: 単相双方向OBCの典型的なスケルトン
22 kW双方向OBC: SiとSiC
前述の図1に示すように、Siスーパージャンクション技術を採用したSiベースの双方向OBCとSiベースのIGBTが、SiC双方向OBCの主な競合製品です。ただし、このセクションでは、SiCが関連するすべての側面 (コスト、サイズ、重量、電力密度、効率) においてこれらのテクノロジーを上回っていることを説明します。まず、 図3 を見てみましょう。この図には、SiベースとSiCベースの22 kW双方向OBCの参照回路図が示されており、パワー デバイスとゲート ドライバーの数を並べて比較しています。
図3: (A) Siベースと (B) SiCベースの22 kW双方向OBCの概略図
表2 に、最初のAC/DCトーテムポールPFCステージと2番目のDC/DC双方向CLLC共振ステージのそれぞれの仕様を示します。画像と表の両方から、Si設計からSiC設計に移行すると、パワー デバイスとゲート ドライバーがどちらも30% 以上減少し、スイッチング周波数が2倍以上になるという追加の利点があることがすぐにわかります。これにより、電力変換システムのコンポーネントのサイズ、重量、コストが全体的に削減され、より高い効率で動作します。
表2
22kw双方向OBC: Si vs SiC
コスト削減は、 図4 で、SiシステムとSiCシステムのシステムコストの内訳とともにさらに詳しく示されています。SiシステムはSiCよりも約20% 多くなっています。これは主に、DC/DCブロック内のゲート ドライバーと磁気部品の量が比較的多いためです。したがって、個別のSiCベースのパワー デバイスは、個々のSiベースのダイオードやパワー トランジスタよりも比較的高価であると言えますが、システム内で使用すると、SiCデバイスの機能を活用することができるため、さまざまなパワー デバイス機能をサポートするために必要な回路コンポーネントのコストを削減できます。
コスト削減以外にも、SiCシステムは3 kW/Lの電力密度で97% のピークシステム効率を実現できます。一方、Si OBCはわずか2 kW/Lの電力密度で95% の効率を実現します。このシステム効率の向上により、消費者は年間平均40ドルのエネルギーを節約できる可能性があります。
図4: 22 kW双方向OBCのシステムコストの内訳 (SiC実装とSi実装)
表3 は、6.6 kWと22 kWの双方向OBCのSi実装とSiC実装のコスト、電力密度、運用コスト削減、およびCO2ベースのコスト削減を比較しています。OBCのパワー スペクトルが高くなるほど、節約効果はさらに顕著になります。6.6 kWおよび22 kWの双方向SiCベースOBCはどちらもBOMコストが低く、最終的にはOEMのシステム コストが削減されます。運用コストの削減とSiC駆動によるCO2削減を組み合わせることで、その削減効果は消費者に還元され、ICEベースのソリューションとの価格差が縮まるとともに、地球の排出量の削減にも貢献します。
表3: SiCシステムの利点
WolfspeedのSiCに関する専門知識
Wolfspeedは、SiCコンポーネントとシステムの設計と開発において30年以上の経験を有しており、設計者が次のOBCで非常に望ましいSiCベースのコンポーネントを採用する際の障壁を低くするのに役立ちます。Wolfspeedの幅広いSiCパワー デバイス、SiCシステム、専門知識を組み合わせることで、現場で確実に機能する堅牢な設計トポロジを迅速に開発できます。完全な双方向OBCは、個別のAC/DCおよびDC/DCステージとともに、Wolfspeed製品ポートフォリオですでに提供されています。これには、システム効率が97% の6.6 kW双方向OBCと、最大98.6% の効率を達成できる22 kW双方向OBC AC/DCおよびDC/DCコンバータ ブロックが含まれます (図5)。
図5: WolfspeedのSiCベースの6.6 kWおよび22 kW双方向OBC AC/DCおよびDC/DCブロック
Wolfspeedは、完全な製品ポートフォリオから、オンライン シミュレーション プラットフォームと業界の専門家による徹底的なエンジニアリングおよびアプリケーション サポートまで、SiCシステムの設計と開発のための包括的な基盤を提供します。これはSiCベースのOBCにも適用され、OEMはコストを削減しながら次の設計で非常に望ましい側面を活用し、BOMコストと効率設計による節約分を顧客に還元できます。