トラクションインバータのアプリケーションとソリューションの分析

牽引インバータの主な設計考慮事項は、変換効率とピークパワーの2つです。DCからACへの変換効率が高いほど、同じバッテリーでの航続距離は長くなります。効率が高いほど、システムはより多くの電力を提供しつつ、熱を抑えることができます。牽引インバータのピークパワーは、特に瞬時のトルクと加速能力における車両の全体的な性能を決定します。効率（航続距離）とピークパワー（性能）が最終的に車両の用途と使用ケースを定義します。   牽引インバータは、すべてのEVアプリケーションにおいてSiCの最大の需要を生み出し、この需要は800Vバッテリーパックへの応用が移行するにつれてさらに増加すると予想されます。SiC技術の利点は、IGBTベースのシステムと比較してさらに顕著になります。   電力アプリケーションでは、電力密度が重要ですが、信頼性も同様に重要であり、場合によってはそれ以上に重要です。エンジニアはしばしば性能の制限に対処できますが、予期しないダウンタイムや修理につながる実際の故障は受け入れにくく、これらはビジネスに大きな予期しない影響を及ぼす可能性があります。

トラクションインバータ用関連技術と設計アーキテクチャ

BEVは、高電圧バッテリーパックに蓄えられたエネルギーに完全に依存しており、最も効率的なトラクションインバーターとモーターエンジニアリングが必要です。市場にはほとんど同じアーキテクチャは存在せず、異なるトラクションインバーターの要件を持っています。主な違いは、モーターがホイールに直接またはデファレンシャルを介して結びつく方法にあります。   ダイレクトドライブは、高い効率、低メンテナンス、簡単な実装を実現できますが、低速要件のため通常はより大きなスペースを必要とします。デファレンシャルドライブの実装は、高回転数の操作とデファレンシャルの固定ギア比により、パワー密度を高めますが、機械的ギアはメンテナンスが必要であり、伝達損失が発生します。   トラクションインバーターの効率と堅牢性を向上させることで、車両の全体的な効率を向上させることができます。しかし、インバーターはMOSFETの6パックだけではなく、システムレベルの故障を防ぐための保護および監視補助回路も含まれています。インバーター内での高速かつ信頼性の高いスイッチング、故障の可能性を減らすための信号監視は、ゲートドライバの選択に追加の影響を与えます。さらに、BEVとHEVは、電力調整、バッテリーマネジメント、車両の前進を担当するさまざまな隣接するパワーエレクトロニクスシステムで構成されています。   トラクションインバーターで最も重要なモジュールは、IGBTベースおよびSiC MOSFETベースのインテグレーテッドパワーモジュールなどの高電力スイッチで構成されるパワーステージです。パワーステージは、パワーマネジメントIC、マイクロコントローラ（MCU）、またはその組み合わせによって制御されます。スイッチは、動作中のパワーステージの温度、電圧、および電流を感知することで監視および保護されます。   スイッチ制御は、初期のPWM信号を生成するMCUを通じて行われます。アイソレーテッドゲートドライバは生成されたPWM信号を増幅し、高電力スイッチのオンオフに十分な電荷を供給します。MCUは、電圧、電流、およびモーター位置などの受信したフィードバック信号に基づいてインバータの変調を制御および修正しなければなりません。

MOSFETは牽引インバータのパワーステージで最も重要なコンポーネントです

牽引インバータの電力段にあるMOSFETは、モーターに流れる電流を制御して動力を発生させるため、最も重要なコンポーネントです。インバータの3つの脚が直流バッテリー電圧を三相交流電圧と電流に変換してモーターを駆動します。電力段は、操作中の温度、電圧、および電流を感知して監視および保護されます。   onsemiは、EliteSiC™デバイスを用いた高性能電力段を構築する3つのアプローチを提供しています。最初の方法は、ピンフィットヒートシンクを備えた単一の6パックモジュール（SSDC39）を使用する最も統合されたソリューションです。2番目の方法は、3つのハーフブリッジモジュール（AHPM15）を使用して、設計の柔軟性を高めながら性能を維持します。3番目の方法は、パッケージレスの裸ダイ形式の6x M3e MOSFETを使用して、カスタムモジュール設計を作成します。   牽引インバータ用の6パックEliteSiC電力モジュール - SSDC39 - は、業界標準のパッケージソリューションで性能の向上、効率の向上、パワー密度の向上を提供します。NVXR17S90M2SPBモジュールは、900V 1.7mΩ SiC MOSFETを6パック構成のSSDC39パッケージに統合しています。組み立ての容易さと信頼性の向上のために、次世代のプレスフィットピンが電力モジュールの信号端子に統合されています。直接冷却のために、ゲル充填パッケージは、AQG324自動車規格を満たすよう基板に最適化されたピンフィンヒートシンクを統合しています。   牽引インバータ用のハーフブリッジEliteSiC電力モジュール - AHPM15 - は、1200V 1.7mΩ SiC MOSFETをハーフブリッジ構成で統合したNVVR26A120M1WSS電力モジュールを特徴としています。このモジュールは低寄生インダクタンス（7.1nH）とRDS(ON)を備えており、ハイブリッドおよびバッテリー電気自動車の牽引インバータアプリケーションに理想的です。AHPM15モジュールファミリは、直線または90°のパワータブを含む2つのパワータブバリアントで提供されます。信頼性と熱性能を向上させるために、ダイアタッチメントには焼結技術が使用され、モジュールはAQG324規格に準拠しています。   NCS025M3E120NF06Xは、新しいEliteSiC™ 1200V M3e MOSFET技術に基づいており、onsemiのパッケージレスの裸ダイ形式の高性能第3世代1200V SiC MOSFETです。この5x5 mm裸ダイは、あらゆるカスタムモジュール設計に実装可能です。onsemiの最新世代のSiC MOSFET技術に基づくM3e製品ファミリは、VGS = 18V、ID = 135A、TJ = 25℃、11.0mΩで、クラス内で最も低いオン抵抗（典型）を提供し、自動車用牽引インバータに理想的な選択肢です。   さらに、onsemiは、新しい1200V SiC M3e技術に基づくEV牽引用のEliteSiC B2SおよびB6S電力モジュールを導入しました。B2Sモジュールは焼結可能なハーフブリッジであり、B6Sは統合ヒートシンクを備えた大型6パックモジュールです。B2Sは高性能および牽引インバータ効率の限界を押し広げ、160から400 kWまでの設計のスケーラビリティを提供します。M3e MOSFETのユニットセルピッチは、M1ファミリに比べて60%以上削減されています。SiCプレーナMOSFETは、低故障率で兆を超える時間のフィールド経験を蓄積しており、100%欠陥スクリーニング、加速電気試験、およびゲート酸化ストレス検証によってSiCの弱点に対処します。SiCダイとヒートシンクは焼結技術を介して取り付けられています。

IGBT技術はEV技術の基礎となるままです

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は、EV技術の基盤として効率、信頼性、持続可能性の向上を促進しています。EVの電力管理システムのバックボーンとして、IGBTは大容量の電気負荷を安定して処理することができ、長期にわたり一貫した性能を保証します。この信頼性は、急加速から回生ブレーキまで、電力需要が大きく変動するEVにとって極めて重要です。   IGBTは費用対効果に優れた選択肢として、EVパワートレインで長年にわたり採用されてきました。しかし、SiC MOSFETは効率性や熱性能において利点があり、次世代EVに向けた魅力的な選択肢として注目を集めています。   onsemiはIGBT製品ポートフォリオの改善と拡張を続けており、自動車用途向けに軽負荷時の電力損失を低減し、システム全体の効率を向上させる新しいIGBT技術として、ナローメサフィールドストップ（FS4およびFS7）を導入しています。   onsemiのIGBT 6パックパワーモジュール = NVH660S75L4SPFB には、6つのFS4 750VナローメサIGBTが6パック構成で統合されています。このモジュールは、高い電流密度を提供するとともに、堅牢な短絡保護と高い耐圧を備えています。低寄生インダクタンスSSDC33パッケージを採用し、直接冷却とフラットベースのヒートシンクを備えています。   他のIGBTハーフブリッジパワーモジュール - NVG600A75L4DSC2 - には、2つのFS4 750V IGBTがハーフブリッジ構成で統合されています。このモジュールは、チップレベルの温度および電流センサーを統合し、デュアルサイド冷却パッケージAHPM15によって熱性能が向上します。   さらに、onsemiは、VE-Trac IGBTパワーモジュールファミリーに基づくEV/HEVトラクションインバータ用途（最大150 kW）のための2つの評価用ハードウェアキット（リファレンスデザイン）を提供しています。これらの評価キット（EVK）は、インバータ開発の初期段階でVE-Trac Directパワーモジュールの性能を評価することができます。6パックとハーフブリッジパワーモジュールに基づく2つのEVKバリアントがあり、主要なスイッチングパラメータを測定するためのダブルパルステスタやモーター制御用の三相インバータとして使用できます。

完全仕様のEliteSiCおよびIGBTパワーモジュールと評価ボード

IGBTおよびSiCモジュールのスイッチング特性は、電圧、電流、温度、ゲート構成、寄生素子などの多くの外部パラメータによって影響を受けます。DCリンクループインダクタンスとゲートループインダクタンスは、IGBTおよびSiCパワーモジュールのスイッチング特性に影響を与えます。ダブルパルステストセットアップは、900V EliteSiC 1.7 mΩクラスNVXR17S90M2SPBと750V VE−Trac IGBT NVH950S75L4SPBの両方の超低寄生インダクタンス（8 nH）SSDC33パッケージを含む2つのモジュールのスイッチング特性を測定するために使用されます。onsemiのトラクションインバータ向けのディスクリートソリューションはEliteSiC™ MOSFETであり、650V〜1200Vをサポートし、RDS(ON)、QG、RSPなどの限界を絶えず押し広げています。   onsemiはまた、ディスクリートパッケージでのSiC、Si MOSFET、およびIGBTの比較測定用に設計されたディスクリートダブルパルステスター（DPT）評価ボード - EVBUM2897 - を提供しています。テスターの主な用途は、スイッチング性能のテストと異なるデバイスタイプやパッケージの比較です。   さらに、onsemiはホットプレートおよびダブルパルスジェネレータ拡張ボード - EVBUM2901 - を提供しており、ディスクリートDPTボード用にHOT温度テスト条件と可変10パルスPWM生成を提供します。EVBUM2901は、DPTボードとともに、1200Vの破壊耐圧内のすべてのonsemiディスクリートパッケージ（SiC、Si）のHOT温度テストをサポートするためのドータカードの使用をサポートします。   onsemiのNFVA25012NP2Tは、ハイブリッドおよび電気自動車用の高性能インバータ出力ステージを備えた高電圧補助モーター向けの1200V、50Aインテリジェントパワーモジュール（IPM）です。このモジュールは、最適化されたゲートドライブ、制御、および保護機能を備えた1200V、50Aの三相IGBTインバータを統合しています。HVAC電動コンプレッサ、高電圧オイルポンプとウォーターポンプ、高電圧スーパーチャージャー、さまざまなファンなどの補助アプリケーションに推奨されます。   onsemiの高電流単一チャネルゲートドライバー、NCV57001およびNCV57100は、トラクションインバータなどの高出力アプリケーションにおいて高いシステム効率と信頼性を実現するよう設計されています。Miller台地で、NCV57100は最大±7Aを供給でき、NCV57001は+4/-6Aを供給できます。これらのドライバーは、内部のガルバニック絶縁、補完入力、オープンドレインフォールトと準備出力、アクティブMillerクランプ、正確なUVLO、DESAT保護、DESATソフトターンオフを特徴としています。   さらに、NCV51752（NCV51152）ドライバーを備えた評価ボードがあり、内部統合された負バイアスコントロールを備えており、システムがドライバーに外部負バイアスレールを提供する必要がなくなります。評価ボードには、onsemiがサポートするすべてのディスクリートSiC MOSFETパッケージをテストするための複数のPCBレイアウトバリアントがあります。

結論

トラクションインバーターは、電気自動車 (EV) およびハイブリッド電気自動車 (HEV) のパワートレインの中核部品であり、高電圧のDC電力をAC電力に変換してモーターを駆動する役割を担っています。この性能は、車両の効率、出力、および航続距離に直接影響を及ぼします。将来に向けて、自動車メーカーおよびサプライチェーンメーカーは、次世代EVのニーズを満たすために、より高いパワー密度、低損失、優れた熱管理性能を確保するように、トラクションインバーターの設計を継続的に最適化し、軽量化と信頼性も考慮しなければなりません。onsemiは、EVの性能をさらに向上させ、インテリジェントな交通および持続可能なエネルギー開発を促進し、世界の自動車業界がゼロカーボンの未来に向かうのを助ける、完全に仕様化されたトラクションインバーターソリューションを提供しています。