電気自動車（EV）用炭化ケイ素インバータの利点

シリコン・カーバイド・インバータ技術は、パワー半導体の進歩として注目されている。従来のシリコン・デバイスに比べ、電力損失が最大10分の1に低減され、熱性能が改善されるなど、いくつかの利点を誇っている。

マクラーレン・アプライドは、電気自動車のトラクション・インバータに見られる800ボルトの高電圧システムに対応するために特別に設計された高電圧CoolSiC金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を採用している。

電力密度

電力密度とは、インバータが単位体積当たりに発電できる電力量のことで、エネルギー効率を最大化するために高い電圧と周波数で動作する必要がある電気自動車アプリケーションでは重要な考慮事項である。この目的を達成するために、メーカーは出力電力を増加させながら全体のサイズを小さくする必要があります。炭化ケイ素インバーターは、従来のインバーターよりもかなり小型化できる非常に高い電力密度を実現することに優れています。

過大なインダクタンスは、電圧リンギングやEMIエミッションの上昇といった問題を引き起こすだけでなく、電流センサーからの低電圧信号を妨害する可能性があるため、電力密度を高めるためには寄生インダクタンスを制限する必要があります。インダクタンスを効果的に制限するために、設計者はこれらのソリューションを設計する際に、パワーモジュールの仕様、バス接続技術、DCリンクコンデンサ、および熱スタックアップを注意深く考慮する必要があります。

炭化ケイ素の広いバンドギャップは、トランジスタが一般的なシリコン半導体よりも高い電圧と温度に耐えることを可能にし、電力損失を減らしながら効率を高める高い動作周波数を可能にする。さらに、炭化ケイ素材料は熱伝導性が高く、シリコンの3倍、ダイヤモンドに次いで2番目に優れている。

NRELは、ワイドバンドギャップ・パワーモジュールの熱管理に関する研究により、SiCインバーター用の強制空冷を開発した。

効率性

電気自動車（EV）用のパワーエレクトロニクスは、効率（ひいては航続距離や充電時間）に大きな役割を果たす。特にインバーターは、バッテリーに蓄えられた直流エネルギーを、走行に必要な交流エネルギーに変換する重要な役割を担っている。炭化ケイ素（SiC）技術は、こうした高電圧の要求を容易に解決できる可能性があり、すでにEV用インバーターに採用されつつある。

SiC半導体デバイスは、従来の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）を凌駕した。SiC半導体は、優れた熱伝導性を誇りながら、より高温で動作し、より高いブレークダウン・フィールドを誇ります。

SiCはバンドギャップが広いため、シリコン（Si）よりもはるかに高い電圧と温度に耐えることができ、故障モードが少なく信頼性が向上する。

炭化ケイ素インバータの効果を最大化するためには、その長所を考慮した設計プロセスが必要である。これには、慎重なPCBレイアウト、効率的な電源配線、熱管理技術の効果的な利用が含まれる。さらに、最終製品が性能、効率、信頼性の目標を満たすことを保証するために、機能試験、電気性能特性解析、効率測定など、厳格な試験と品質保証技術を採用しなければなりません。

信頼性

炭化ケイ素（SiC）は非常に硬い化合物半導体材料です。さらに、耐熱性に優れ、耐圧が高いため、インバーターなどの高電圧用途に最適です。

炭化ケイ素インバーターは、製造技術の進歩により信頼性が向上しました。これには、新しいPCBレイアウトや熱管理戦略が含まれる。これらの設計により、ノイズの低減、効率の向上、大電流への対応が容易になり、過熱することなく大電流に対応できるようになりました。また、熱特性測定機能を向上させることで、メーカーが問題を迅速に特定できるようになり、さらに、安全規格や電磁適合性規制を確実に満たすことができるようになりました。

SiC MOSFETは、従来のSiトランジスタと比較して、任意の面積に対する抵抗が低いため、伝導電力損失を低減し、効率を向上させることができます。さらに、SiC MOSFETは、従来のSiトランジスタよりも高い温度と電圧レベルで動作することができるため、長距離走行により大きな電力範囲を必要とする電気自動車のトラクション・インバータに最適です。

EVインバーターは、電気自動車の電気システムにおける重要なコンポーネントであり、バッテリーからの直流電流をモーター用の交流電流に変換し、回生ブレーキ用の直流電流に戻します。そのため、EVドライブトレインに不可欠なコンポーネントであり、信頼性が求められる。ドライブ・システム・デザインは最近、堅牢な性能を提供しながら開発時間を短縮するオープン・プラットフォームを特徴とするモジュール式インバータ設計を開発しました。

重量

炭化ケイ素インバーターは、従来のインバーターよりも大幅に軽量化することができます。その軽量化により、設置や運用が容易になり、省エネルギーとシステム・コストの削減が可能になる！

炭化ケイ素インバータには、電力密度や効率の向上など、軽量化以外にも多くの利点があります。スイッチング周波数が高いため、エンジニアは回路トポロジーを簡素化し、部品点数を減らすことができ、組み立てコストを削減できる。

炭化ケイ素の優れた耐熱性により、エンジニアはインバータのスイッチング周波数を上げることができ、熱ストレスの低減、共振周波数からのシフト、リップル電流の低減など、損失の低減につながります。ロームの第3世代炭化ケイ素MOSFETは、外付けのプッシュプルバッファを必要とすることなく、これらの利点を享受することを可能にします。

炭化ケイ素は、一般的なシリコン半導体よりも高い温度、電圧、周波数で動作可能な、極めてワイドバンドギャップの材料である。さらに、非常に硬いため、かつて炭化ホウ素が発見されるまでは、地球上で最も硬い合成物質でした。炭化ケイ素は、防護服の設計や、研磨/サンドペーパー用研磨剤としての使用、さまざまな工業用途など、多くの用途がある。