次世代新エネルギーモータコントローラ開発 - SiCインバータ
電気自動車駆動制御装置において、インバータはエネルギーＡＣ ／ ＤＣ変換のための重要な構成要素であり、モータの駆動中または制動中のエネルギー回収のために使用される。 エネルギー転送効率、電力密度、および価格の観点から、市場ではコントローラへの要求が高まっています。 パワーモジュールは、高い伝送効率と高い電力密度を達成するためのインバータの重要なコンポーネントです。 現在、ほとんどの電気自動車駆動インバータは、従来のSi（シリコン）デバイスIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）パワーモジュールをベースにしています。 この設計は、低いスイッチング周波数と大きな損失という不利な点を有し、それは電気自動車運転者の電力密度の改善を制限する。
ＳｉＣ（炭化ケイ素）は、Ｓｉデバイスに対して３つの利点を有する。 損失が少ない。 より高い熱伝導率。 これらの特性は、SiCデバイスが高電圧、高スイッチング周波数、高電力密度の用途に使用できることを意味します。 SiCモジュールの電力製造レベルの向上に伴い、SiCは電気自動車の運転者にとってより適した半導体デバイスになるでしょう。 ＳｉＣデバイスの使用は、高出力密度の電気自動車ドライバーを達成するための有効な手段である。 現在、SiCパワーモジュールを電動インバータに適用するための研究がますます多く行われている。 トヨタ自動車はハイブリッド車にSiCパワーモジュールを採用している。
Ｓｉデバイスと比較して、ＳｉＣデバイスの使用は大きな利点を有する。
高効率と改善された走行距離
SiIGBTのターンオン電圧降下はダイオード特性を示すので、たとえオン電流が小さくても、IGBTは大きな初期ターンオン電圧降下を持ちます。 ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴのターンオン電圧降下は抵抗特性を示す：そのターンオン電圧降下はターンオン電流に比例する。 ＳｉＩＧＢＴとＳｉＣＭＯＳＦＥＴの２つの異なるオン電圧特性は、電流が非常に大きい場合にのみＳｉＣＭＯＳＦＥＴの伝導損失がＳｉＩＧＢＴの伝導損失よりも高く、ほとんどの電流間隔においてＳｉＣＭＯＳＦＥＴの伝導損失がＳｉＩＧＢＴのそれよりも優れていることを決定する。 全車両作業条件において、それらの大部分は小さい現在の作業条件であり、そして大きなトルク作業条件は全道路スペクトルの小さな割合を占める。 SiCチップ技術の発展により、SiCMOSFETのオン抵抗は、将来的にはSiIGBTよりも良くなるでしょう。
したがって、ＳｉＣ素子を使用した後、インバータの変換効率を大幅に向上させることができ、同じ電池パックに対して、ＳｉＣ素子を使用することで車両全体の燃費を効果的に向上させることができる。
小型および高電力密度
ＳｉＣデバイスの損失が少ないため、ＳｉＣデバイスは、Ｓｉデバイスよりも小さいチップ面積で同じ出力電力を達成することができる。 同時に、SiCデバイスは高周波で動作することができ、パワーデバイス周辺の受動部品のサイズを縮小するのに役立ちます。 United Electronicsによって開発されたSiCインバータは、同じ電力レベルで承認されたSiインバータの半分以上の体積です。
システムノイズを最適化するための高いスイッチング周波数
現在、Siインバータの一般的なスイッチング周波数は5〜10 kHzで、システムは5〜20 kHzのスイッチングノイズを発生します。これは、人間の耳に聞こえる周波数範囲に不快感を与えるのは簡単です。 SiCデバイスでは、スイッチング周波数を40 kHzに上げることで、システムが発生するスイッチングノイズ周波数が人間の耳に聞こえる周波数範囲を超える可能性があります。 同時に、スイッチング周波数は、電流制御高調波を減少させるのを助けるために増加され、それによって電磁ノイズを減少させそして車両の運転経験を改善する。
しかし、SiCデバイスの現在の使用もまた大きな課題を提示しています。
SiCデバイスはもっと高価です
現在のＳｉＣチッププロセスは、Ｓｉほど成熟していないので、主に４インチウェハでは、材料利用率は高くなく、Ｓｉチップウェハは８インチまたは１２インチまで開発されてきた。 他方、市場におけるＳｉＣチップの需要はまだ増加しておらず、他方で、ＳｉＣチップのコストは比較的高い。
SiCデバイス実装技術開発が遅れている
現在、世界の多くの主流のパワーデバイスサプライヤは、SiCチップを研究開発してきましたが、それとは対照的に、SiCデバイスのパッケージング技術の開発は遅れています。 Ｓｉチップと比較して、ＳｉＣチップはより高い耐熱性を有し、その動作温度は２００度を超えることがある。 しかし、SiCモジュールで使用されているシーリング技術は依然としてSiモジュールを使用して設計されており、その信頼性と寿命は200度を満たすことはできません。 仕事の要件 ＳｉＣチップの使用条件は限られている。
ドライブ保護技術
Ｓｉチップと比較して、ＳｉＣチップの短絡耐性は大幅に低下する。 したがって、動作中のＳｉＣデバイスの短絡故障を防止するために、駆動回路は、より短い応答時間を有する必要があり、これは、ＳｉＣデバイス駆動回路の保護技術のために提案されている。 大きな挑戦です。
熱設計
単一のＳｉＣチップの面積は小さいので、高出力を達成するためには、より多くのチップを並列に使用することが必要である。 チップ間の熱バランスを確保し、チップのホットスポット温度を監視するために、モジュール内のチップの合理的なレイアウト設計を行う方法は大きな課題です。
高速スイッチングによるEMIおよび絶縁の問題
Ｓｉデバイスと比較して、ＳｉＣデバイスのスイッチング速度は著しく改善され、スイッチングプロセスにおけるｄｉ ／ ｄｔおよびｄｖ ／ ｄｔは改善されるが、これはデバイスのスイッチング損失を低減するのに役立つが、他方でそれはそれである。深刻なEMI問題が発生するため、EMIを抑制するために制御回路とフィルタ回路を適切に設計する方法も重要な問題です。 同時に、高いdv / dtはモータ巻線の絶縁に悪影響を及ぼし、それはエナメル線や絶縁リングなどの絶縁部品の経年劣化を加速させる可能性があるため、モータの絶縁設計に新たな課題をもたらします。
総括する
現在のＳｉＣデバイスプロセスはＳｉほど成熟していないが、ＳｉＣパッケージの開発は比較的遅れており、デバイスの価格はＳｉのそれより数倍高い。 しかしながら、デバイス技術の成熟と市場でのＳｉＣデバイスに対する需要の増大に伴い、これらの不利益は徐々に解消され、そしてＳｉＣデバイスは本質的に高耐圧、高スイッチング周波数、低損失などである。 利点はまたそれが将来の非常に競争的な材料としてますます広く使用されることができることを決定します。
