超高速EV充電器の開発動向とソリューション

急成長する電気自動車 (EV) 市場は、EV充電器を含むさまざまな業界の発展を促進しています。EVの需要拡大や低炭素目標を達成するためには、効率的なEV充電システム設計を通じて、より強固な充電インフラを確立することが重要です。本記事では、超高速EV充電器の開発動向と、onsemiが提供する関連ソリューションを紹介します。

充電速度は、消費者がEVを購入する際の決定に影響を与える重要な要因の1つです。充電ステーション内でACをDCに変換することで、DC EV充電器は充電速度を大幅に速め、現在主流となっています。政府や自動車メーカーからの強力な支援により、急速に拡大しているEV市場は、堅牢なDC充電インフラを必要としています。

主流のEV充電ソリューションは、より高い充電電圧を採用しています。柔らかい電圧制限のあるAC充電と比較して、DC急速充電は最大1500 VDCで動作可能であり、より高い充電出力、小さな電流、発熱の低減、および損失の減少を実現します。これにより、400Vおよび800VのEVバッテリーに対応するための最大電圧の増加や、超急速充電のために350 kWを超える出力の向上が可能になります。シリコンカーバイド (SiC) 技術は、その高効率性と高電圧や高温に対応する能力により、これらの目標を達成するための理想的な選択肢です。

SiC技術は、DC EV充電器においてR_DS(ON)を低減し、電力変換効率を97%以上に向上させ、シリコンベースのソリューションと比較して運用コストを削減することで、革命を起こしています。これにより、電力コンバータの体積と設置面積が小さくなり、冷却要件が低減され、システムが静音化し（EMIの影響が軽減される）、より効率的になります。SiCディスクリートデバイスは主に最大50 kWの充電ユニットで使用され、一方で、コストメリットのためモジュールデバイスは50 kW以上（場合によっては25 kW以上）のユニットで好まれます。 

超高速EV充電器はオンボードチャージャー（OBC）をバイパスし、350 kWからメガワットまでの電力を直接EVバッテリーに供給します。現在の定格が200 Aから500 Aの範囲内で、充電時間を大幅に短縮します。これらのシステムは、 パワーインテグレーテッドモジュール（PIM）などのさまざまな電力変換コンポーネントを採用しており、複数の電力デバイスを1つのパッケージに統合することで、組み立てを簡略化し、熱管理を最適化します。さらに、広帯域ギャップのSiCデバイスが効率を向上させ、高温および高電圧での動作を可能にします。

例えば、onsemiのDC EV充電器ソリューションは、SiCディスクリートMOSFET、IGBT、パワーモジュール、絶縁ゲートドライバなどの重要部品を含む電力変換と電力管理技術を利用しており、その他の関連製品も組み込まれています。

onsemiは、顧客の製品開発を加速させるために複数の評価ボードとリファレンスデザインを提供しています。例えば、EVBUM2878G-EVBは1200V M3S 4-PACK F2 EliteSiC MOSFETモジュール評価ボードです。このボードは、NXH011F120M3F2PTHGやNXH007F120M3F2PTHGのようなフルブリッジモジュール向けのダブルパルススイッチングテストやオープンループ電力テストを可能にします。

もう一つの例はEVBUM2880G-EVBです。これは1200V M3S 2-PACK F1 EliteSiC MOSFETモジュール評価ボードです。このボードは、NXH008P120M3F1PTG、NXH010P120M3F1PTG、NXH015P120M3F1PTG、NXH030P120M3F1PTGを含むハーフブリッジモジュール向けのダブルパルススイッチングテストおよびオープンループ電力テストに使用されます。

EVBUM2883G-EVBは、1200V M3S T-NPC F2 EliteSiCモジュール評価ボードです。このボードは、TNPC（ニュートラルポイントクランプ、T型）モジュール、例えばNXH008T120M3F2PTHGやNXH011T120M3F2PTHGの二重パルススイッチングテストおよびオープンループ電力テストに使用されます。これらすべての評価ボードは、外部コントローラーに接続してPWM入力の提供やフォルト信号の処理を行うことができます。

onsemiは、SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK評価キットも提供しています。この評価キットは、SiCパワーインテグレーテッドモジュールに基づく25 kW高速DC EV充電器リファレンスデザインキットです。このオールSiCソリューションには、PFCおよびDC-DCステージが含まれ、複数の1200V、10 mΩハーフブリッジSiCモジュールが採用されています。入力電圧は400VAC（EU）/ 480VAC（US）、出力電圧は200VDC - 1000VDC、最大出力電力は25 kW、効率は96%以上で、三相PFC（力率補正）およびDAB（デュアルアクティブブリッジ）を備え、400V/800Vバッテリーの双方向電力変換を可能にします。

onsemiは、家庭用および商業用アプリケーションにおけるさまざまな電力量と充電時間に対応する、DC EV充電市場の多様なユースケースをカバーするDC EV充電ソリューションを提供しています。22 kW未満のDC Wallboxシステムから350 kWを超える超高速EV充電システムまで、onsemiのEliteSiC MOSFETおよびField Stop 7 IGBTは、より高い効率と電力密度を実現し、絶縁ゲートドライバは安全性と信頼性を向上させます。

onsemiの超高速EV充電器（≥ 350 kW）向けパワーモジュールソリューションは、最大500 Aの高電流充電をサポートし、350 kWから1 MWの電力レベルを提供します。onsemiのEliteSiC M3S T-NPCおよび4-pack F2 Power Integrated Modules (PIMs)の完全なラインアップは、優れた熱性能、高い電力密度、高効率、そして信頼性の向上など、重要な利点を提供します。これらのモジュールは、50 kWのモジュラー構造ブロックとして構成されており、積み重ねることで350 kWを超える電力レベルを実現できます。

NXH008T120M3F2PTHGは、8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET T-NPCを採用したF2 TタイプのNPC PIMです。熱インターフェース材料（TIM）が事前に塗布されたオプションと塗布されていないオプションがあり、15V - 18Vのゲート駆動をサポートし、HPS DBC基板を使用しています。はんだ付けピンとプレスフィットピンの選択が可能で、スイッチング性能を最適化するためにM3S技術を採用しており、負のゲート電圧を使用して容易に駆動できます。

NXH007F120M3F2PTHGは、7 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFETを搭載したF2 4パックフルブリッジPIMです。TIMが事前適用されたオプションおよび非適用のオプションを提供し、15V - 18Vゲート駆動をサポートし、HPS DBC基板を使用し、プレスフィットピンを備えています。最適化されたスイッチング性能のためにM3S技術を採用し、負のゲート電圧でも簡単に駆動できます。

商業用EV充電器のパワーモジュールおよびディスクリートソリューション（25 - 150 kW）のために、onsemiは双方向機能を備えた25 kW DC EV充電器評価キットを開発しました。このキットは単一キャビネットにスタックすることで、400 Vおよび800 V標準EVバッテリー電圧の両方をサポートすることができます。一般的な二段階のEV充電回路を採用しており、三相ハーフブリッジ段と第二DAB段で構成されています。このシステムは、シンプルな構造、高い動作効率、そして容易な制御が特徴です。位相シフト変調を使用して、高負荷の下でZVS（ゼロ電圧スイッチング）を実現しつつ、200 Vから1000 Vの広い充電電圧範囲で効率を最大化します。

onsemiのフルSiCハーフブリッジPIMは、DC EV充電器設計に最適で、取り付けが容易なパッケージと、優れた熱抵抗および寄生インダクタンスを備えた仕様を提供し、システムの動作効率と電力密度の向上を可能にします。

onsemiのEliteSiC PIMには、NXH008P120M3F1PTG、NXH010P120M3F1PTG、NXH015P120M3F1PTGのような製品があり、1200VのデュアルパックハーフブリッジをSiC M3Sを組み込んだF1パッケージで備えています。これらは優れたFOM [ = R_DS(ON) * E_OSS ] を提供し、M3S技術による最適化されたスイッチング性能を持ち、15Vから18Vのゲート駆動をサポートします。また、負のゲート電圧で容易に駆動でき、あらかじめ適用されたTIM有りまたは無しのオプションを提供し、プレスフィットピンが特徴です。

さらに、onsemiは、高温動作に最適化されたM3Sテクノロジーを採用したEliteSiCディスクリート1200 V SiC MOSFETを提供しています。これらは高周波動作に適した寄生容量の改善、R_DS(ON) が13～65 mΩ (@ V_GS= 18 V)、超低ゲート電荷 (Q_G(TOT) が55～254 nC)、低容量 (C_OSS が57～262 pF) による高速スイッチングを備え、ケルビンソース付き4ピンパッケージで利用可能です。

onsemiは、BPAKの価値提案を備えたTop Cool SMDパッケージも提供しており、優れた熱性能、高い電力密度、そしてより良い熱抵抗を実現します。上部からの放熱によりPCBの温度を下げ、PCBの利用効率を向上させ、MOSFETの下に熱ビアが必要なくなることでコストを削減します。また、PCBの信頼性を向上させ、アルミニウムの密閉ハウジング設計によりPCB上の埃を防ぎます。

onsemi は、新しい革新的で高度に最適化された 1200 V FS7 IGBT を導入しました。このデバイスは、スイッチング損失と伝導損失を大幅に削減し、優れたスイッチング性能を提供するよう設計されています。これらのデバイスは低スイッチング損失を特長とし、高いスイッチング周波数を可能にします。これにより磁気部品のサイズが縮小され、電力密度が向上するとともにシステムコストが低下します。FS7 IGBT は、効率的で費用対効果の高い電力ソリューションを必要とするアプリケーションに最適な選択肢です。

例えば、FGY4L160T120SWDは、1200V Field Stop VII（FS7）ディスクリートIGBTであり、最大接合温度 TJ = 175°C、TO-247-plus-4Lパッケージに同梱されたGen7ダイオード、並列動作を容易にする正の温度係数、高い電流能力、滑らかで最適化されたスイッチング、低スイッチング損失、そしてRoHS準拠の特徴を備えています。

高電力または高電圧アプリケーションにおけるパフォーマンスを最適化するには、適切なゲートドライバの選択が重要です。主な考慮事項には、絶縁能力、ゲート駆動電圧範囲、絶縁容量と電力損失、共通モード過渡耐性 (CMTI)、および電流駆動能力が含まれます。これらの要素を考慮することで、SiC/Si MOSFETやIGBTの性能、効率、安全性を向上させるゲートドライバを選択することができます。

こちらはonsemiの主要なゲートドライバの一部です。NCP51563は二チャンネルの絶縁型ゲートドライバで、4.5 A / 9 Aのソース/シンクピーク電流、36 nsの標準伝搬遅延（最大伝搬遅延差5 ns）、ANBを介したシングルまたはデュアル入力モード、5 kVのガルバニ絶縁、CMTI ≥ 200 kV/µs、8 mmのクリープ距離を持つSOIC-16WB パッケージングをサポートします。

NCD57100は、7 Aのソース/シンクピーク電流、アクティブミラークランプ、UVLOおよびDESAT保護、負のVEEを含む広いバイアス電圧範囲、3.3 Vから5 Vの入力供給電圧、5 kVのガルバニック絶縁、CMTI ≥ 150 kV/µs、および8 mmのクリープ距離を持つSOIC-16WBパッケージをサポートする単一チャネルの絶縁ゲートドライバです。

NCD57090は、6.5 Aのソース/シンクピーク電流をサポートする単一チャンネルの絶縁ゲートドライバで、分割出力、アクティブミラークランプ、または負バイアスバージョンが利用可能であり、3.3 V、5 V、15 Vロジック入力、5 kVのガルバニック絶縁、CMTI ≥ 100 kV/µs、8 mmのクリープ距離を持つSOIC-8WBパッケージを特長としています。

コンバータは、ワイドバンドギャップ部品を使用したブリッジから構成されており、ローサイドMOSFETにおけるセルフターンオンのリスクに直面しています。主な要因には、ミラー容量、ゲート抵抗、高いdv/dtがあります。一つの解決策は、負のゲート電圧を持つゲートドライバを使用することです。onsemiのゲートドライバは、内部負バイアスを統合しており、例えばNCP51752は負バイアス制御を統合した絶縁型単一チャンネルゲートドライバです。4.5 Aのピーク出力・9 Aのピーク吸収電流、統合負バイアス制御（-2/-3/-4/-5 V）、36 nsの伝搬遅延と最大5 nsの遅延マッチング、3 Vから20 Vの入力電源電圧、200 V/nsのdv/dt耐性、1分間の絶縁耐圧3.75 kV_RMS （UL1577規格準拠）、およびMOSFET用の6 Vおよび8 VまたはSiC用の12 Vおよび17 VのUVLOオプションを提供しています。

onsemiはまた、NCS2007xシリーズのオペアンプのような、さまざまな信号処理および制御製品を提供しています。このシリーズは、レールツーレールの出力動作、3 MHzの帯域幅を提供し、シングル、デュアル、およびクアッド構成で利用可能です。これらのアンプはコンパクトパッケージで提供され、2.7 Vから36 Vまでの広い電源電圧範囲をサポートしており、さまざまな用途に最適です。高精度な電流モニタリングには、低い電源電圧とゼロドリフトアーキテクチャからの低オフセットにより、シャント抵抗を介した電流検出を可能にするNCS21xが推奨されます。この場合の最大電圧降下はフルスケールでわずか10 mVです。

25 kW DC EV充電器の補助電源設計のために、NCV890100は低電圧コンポーネントに電力を供給するよう設計された固定周波数のモノリシック降圧スイッチングレギュレータです。これは低ノイズとコンパクトな形状を必要とするシステムに最適です。NCV890100は、4.5 Vから18 Vの入力電圧範囲を3.3 Vまで低い出力電圧に変換します。これは一定のスイッチング周波数で動作し、AM帯域を超えるため、高価なフィルタやEMI対策を不要にします。NCP3064は外部コンポーネントを最小限に抑えた昇圧および降圧アプリケーション用に設計された別のDC-DCレギュレータです。どちらのデバイスも統合されたサーマルシャットダウンプロテクション(TSD)を備えています。

超高速EV充電器の開発は、EV市場の増大する需要に対応するため、より高い出力、効率、そして高度なインテリジェンスを目指して進化しています。半導体技術、パワーモジュール設計、熱管理における継続的なブレークスルーにより、将来的な充電器は充電時間の短縮とエネルギー管理の向上を実現し、ユーザー体験およびシステムの安定性を向上させます。政策支援および業界協力によって推進され、超高速充電技術はその採用を加速させ、電動輸送の真のグリーン変革に寄与するでしょう。本記事で言及されているonsemiの高速充電ソリューションは、関連産業用途に参入する上で最高の選択肢の一つとなるでしょう。