ゲートドライバーからEまで

2022 年は前例のない販売台数を記録し、電気自動車の需要は今後も増加すると予測されています。 ガソリン価格が天文学的なレベルに上昇する中、電気自動車は経済的で持続可能な代替手段を提供します。

これらの車両の需要が高まるにつれ、設計者は高電圧を迅速、安全、効率的に切り替えることができる電気コンポーネントを扱うことが求められています。 以下は、設計者が将来の EV 設計の厳しい安全性、効率性、性能要件を満たすのに役立つ、最近リリースされたコンポーネントとツールの概要です。

最近、テキサス・インスツルメンツは、IGBT および EV 用トラクション・インバータ用の UCC5880-Q1 SiC ゲート・ドライバを発表しました。 ゲート ドライバーは、トラクション インバーターの出力に接続されている高電圧モーター回路を、入力付近の低電圧電気部品から分離します。 絶縁がないと、モーター回路で使用される高電圧によって生じる電流スパイクにより、低電圧コンポーネントが重大な損傷を受ける可能性があります。

UCC5880 の主要な革新の 1 つは、双方向 SPI 通信インターフェイスでもあります。 これにより、システムは駆動強度 (したがって SiC スルーレート) を変更し、ゲートの一時的なオーバーシュートを管理することで全体の効率とスイッチング速度を最適化することができます。

TI は、UCC5880 を使用すると、設計者がゲート駆動強度を 20 A ～ 5 A の間でリアルタイムに変更できるため、システム効率が最大 2% 向上する可能性があると主張しています。 この効率により、EV はバッテリー充電でさらに 7 マイル走行できるようになり、EV ドライバーが週 3 回充電する場合には年間 1,000 マイル以上走行できるようになります。

マイクロチップ社は、異なる SiC ベースのアプローチで EV 設計の効率化を目指しています。 同社の E-Fuse デモンストレータ ボードは、SiC の高速スイッチング機能を使用して、その高電圧ソリッドステートの性質により、マイクロ秒単位 (機械的手法よりも約 100 ～ 500 倍高速) で障害電流を遮断します。 この素早い応答時間により、ピーク短絡電流が数十キロアンペアから数百アンペアに縮小され、ハード障害が軽減されます。 このデモンストレーターには、定格電流 30 A の 400 V ～ 800 V バッテリー システムに対応する 6 つのバリエーションがあります。

Microchip 社によると、設計者は E-Fuse Demonstrator のリセット機能を使用して、保守性を考慮した設計の制限を回避できます。 これらの機能により、車両のパッケージングが合理化され、BEV/HEV の電力システム分配が改善されます。 このデモンストレーターには、SiC ベースの補助用途の開発時間を短縮するためのローカル インターコネクト ネットワーク (LIN) 通信インターフェイスも組み込まれています。 このインターフェイスを導入すると、設計者はハードウェア コンポーネントを変更せずに診断ステータスにアクセスし、過電流トリップ特性を設定できます。

また、EV 効率に焦点を当てている Onsemi は、最大 1200 V までの処理を目的とした新しい SiC 製品ポートフォリオを備えています。これは、以前の製品ファミリーに比べて大幅な増加です。 この新しいポートフォリオには、800 V EV 車載充電器やエネルギー インフラストラクチャのユースケースで一般的な高速スイッチング速度用の EliteSiC MOSFET とモジュールが含まれています。 これらには、太陽光発電システムやエネルギー貯蔵システム、EV 充電が含まれます。

Onsemi は、新しいポートフォリオ、つまり「業界をリードする最低 RDS(on)」を備えたハーフブリッジ電源統合モジュールの新しい EliteSiC M3S デバイスによる産業アプリケーションにも注目しています。 このデバイスは「高度に集積化された」ものとして説明されており、並列スイッチ間の電流共有と熱分散のバランスを取るための直接接合銅設計が含まれており、これはDC-AC、AC-DC、およびDC-DCの高電力変換段で望ましい機能です。

1200 V EliteSiC MOSFET は車載認定を受けており、高電圧から低電圧への DC-DC コンバータおよび最大 22 kW の高出力オンボード充電器用に構築されています。

SiC (炭化ケイ素) にはいくつかの特性があるため、他の半導体化合物と比較して電気自動車用途に適しています。 これらには、その高い熱伝導率、降伏電圧、バンドギャップエネルギー、電子移動度が含まれます。 SiC は降伏電圧とバンドギャップ エネルギーが高いため、高電圧設計に適しています。また、電子移動度や熱伝導率が優れているため、より高速なスイッチング速度と熱伝達が可能になります。

これらの性能上の利点は、EV 内の高電圧システムの数を考慮すると重要です。高電圧 DC バッテリー、車輪を駆動する AC モーター、内外装用の DC 電気コンポーネント (インフォテインメント システムやヘッドライトなど) を考慮してください。 、熱冷却システム。 このようなシステムでは、DC-DC 降圧コンバータが、他の低電圧 DC コンポーネントのために高いメインバッテリ電圧を降圧します。 トラクション インバーターは、DC バッテリー電圧をモーター用の AC 電圧に変換します。 また、絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) を備えたトラクション インバータは、高速にスイッチングして DC を AC に変換できます。

最後に、DC バッテリ電圧は一般に非常に高い (>400 V) ため、システム内のすべての高電圧回路には保護が必要です。 このような保護がないと、短絡状態が発生すると、このシステムに重大な損傷が生じる可能性があります。

これらの厳しい制約を念頭に置くと、TI、Microchip、Onsemi などの半導体メーカーが、高電圧 MOSFET やテスト用のデモツールを開発しているかどうかにかかわらず、SiC をターゲットにする理由は不思議ではありません。