800V EVアーキテクチャへの移行を推進 - 次世代オンボードチャージング向けSiC

電気自動車(EV)の普及が進むのに伴い、性能、充電時間、航続距離に対する期待が高まっています。これらの要求を満たすには、ユーザーインタフェースだけでなく、パワートレインアーキテクチャの深部にまで及ぶ技術革新が必要です。この進化を推進する最も重要なトレンドの1つは、400Vから800V(さらには1200V)バッテリーシステムへの移行です。この移行により、充電の高速化、出力電力の増強、エネルギー使用効率の改善を実現できますが、設計における新たな課題も生じます。

自動車メーカーからの多様な電力/電圧レベル要求に対応可能な、効率的で信頼性が高く、拡張可能なオンボードチャージャー(OBC)の開発が求められています。

400Vから800Vバッテリーアーキテクチャへの移行

今日のEVの多くは、400Vバッテリーシステムを採用しています。これらのプラットフォームは、乗用車からプラグインハイブリッド車まで、多くのユースケースに適しています。性能、コスト、そして既存の充電インフラの間で、良好なバランスを図ります。しかし、車両の航続距離の延長と充電時間の短縮を目指すOEM各社は、800Vアーキテクチャの採用をより積極的に検討しています。

800Vバッテリーアーキテクチャは、バッテリーのサイズ、重量、エネルギー容量に影響を与えます。800Vシステムにより、より高速な充電や効率的な電力供給が可能になるため、熱管理要件が軽減され、より細いケーブルの使用が可能になります。これによって効率が向上し、システム全体の重量が減少し、パッケージング要件が緩和されます。800Vシステムでは、同じ電力レベルを供給するのに必要な電流も低減できるため、I²R損失を最小限に抑えることが可能です。結果的に、性能を向上させながら、システム全体の効率を高め、航続距離の延長を実現します。

400Vシステムは多くの車種にとって引き続き実用的な選択肢ですが、特に高性能EV、長距離商用車、そして超急速充電を必要とする車両を中心に、800Vへの需要が高まっています。

800Vへの移行は、すべてに適用できる万能なソリューションではありません。これは特定のアプリケーションのニーズに合わせた技術の進化と捉えるべきです。最適な電圧アーキテクチャは、ユースケース、性能目標、インフラとの適合性によって決まります。

主なEVアプリケーションと電圧要件

EVアプリケーションによって、求められる電力要件やアーキテクチャが異なります。例えば、エントリーレベルのシティカーは通常400V以下のシステム電圧で動作します。これらの車両では、高電力性能よりもコストとコンパクトさが要求されます。

ミッドレンジには、効率の良い400Vシステムを活用するプラグインハイブリッド車や標準的なBEVがあります。これらのモデルの多くは6.6kWから11kWのOBC(オン・ボード・チャージャー)を使用し、自宅の充電設備で充電することが一般的です。これらのシステムでは、たとえ400Vレベルであっても、電力密度を向上させ、スイッチング損失を低減するために、SiC MOSFETの採用がますます拡大しています。

ハイエンドの領域には、商用EV、高級乗用車、そしてフリートトラックがあります。これらの車両群は、急速充電能力と高いエネルギー処理能力を必要とするため、800Vアーキテクチャが理想的な選択肢と言えます。800VシステムはDC急速充電ステーションを介してさらに高い電力をサポートするため、これらの車両は高速で再充電でき、長距離をより効率的に走行できます。

図1:オンボードチャージングアプリケーションにとって、フリートトラックや商用電気自動車は成長著しい市場

半導体メーカーは、このように各電圧および電力クラスごとに求められるEVアプリケーションとソリューションを実現する幅広いポートフォリオを提供することで、これらすべてのユースケースをサポートすることができます。

移行の調整と推進

今日のEVで広く採用されている400Vシステムと、最先端の800Vプラットフォームの両方に対応するために、半導体メーカーからは幅広いSiCベースのパワーデバイスが提供されています。

例えば、オンセミの400Vアプリケーション向けのM3S 650V EliteSiC MOSFETファミリーは、高速スイッチング、低導通損失、優れた熱効率という魅力的な特長を兼ね備えています。これらのデバイスは、特にトーテムポール型力率補正(PFC)のようなハードスイッチングトポロジーや、LLCまたは位相シフトフルブリッジコンバータなどのソフトスイッチング設計に適しています。

また、オンセミは800Vプラットフォームとして、1200V M3S Elite SiC MOSFET、そしてAPM32シリーズの車載用パワーモジュールを提供しています。これらの1200V定格モジュールは、三相ブリッジモジュール、フルブリッジモジュール、デュアルハーフブリッジモジュールを統合しており、11kWから22kW定格のOBCで堅牢な動作が可能です。コンパクトなパッケージングと優れた熱性能により、信頼性とスペース効率が重要となる高電力システムでの使用に最適です。

このデュアルレベルアプローチにより、EVの設計者は性能を追及して最適化されたコンポーネントを使用しながら、多様な車両プラットフォームにわたって設計を柔軟に展開できます。

効率化は必須要件:SiCが重要な理由

SiCはワイドバンドギャップ材料であり、従来のシリコンに比べて、より高速なスイッチングや高い電圧および温度での動作といった大きな利点を提供します。

OBCにおいて、SiC技術による効率の向上は特に価値があります。より高いスイッチング周波数で動作できるため、さらに小型の受動部品を使用でき、システムのサイズとコストが削減されます。SiCの優れた熱性能によって熱管理も簡素化されますが、これはコンパクトなEVシステムにおける大きな課題です。

400Vでのギャップを埋める

オンセミのM3S 650V EliteSiC MOSFETは、400Vでの高速スイッチングアプリケーション向けに最適化されています。M3Sデバイスは、超低比オン抵抗(RSP)、広範な温度範囲での安定した性能、低減された逆回復電荷を実現しており、従来のシリコンMOSFETはもちろん旧世代のSiC設計をも上回る性能を発揮します。

M3S MOSFETは、TO-247-4LやD2PAK-7Lを含む複数のパッケージで提供されており、さまざまな設計上の制約に柔軟に対応することが可能です。ゲート電荷が小さく、静電容量が最適化されているため、設計者は性能に妥協することなく、400Vアプリケーションのニーズを満たす、コンパクトで高効率なOBCを構築できます。M3Sデバイスは、400Vプラットフォームと将来に備えた性能との間のギャップを埋めるのに役立ちます。

800Vプラットフォームを実現

オンセミのAPM32車載用パワーモジュールは、次世代の800Vシステム向けに要求の厳しいOBCアプリケーションに必要な高電圧・大電流の処理能力を提供します。これらのモジュールは、1200V定格のEliteSiC MOSFETを中心に構築され、商用車や高性能EVで一般的な11kW～22kWの電力レベルをサポートするように設計されています。

APM32モジュールは、フルブリッジおよびデュアルハーフブリッジトポロジーで構成され、OBC設計においてPFCステージとDC-DCステージの両方をサポートしています。これらのパッケージング技術は、優れた熱管理と機械的堅牢性を実現するように設計されており、過酷な車載環境下でも長期的な信頼性を確保します。

AQG-324規格およびAEC-Q101規格で認証されるAPM32モジュールは、高性能OBCのための信頼できる基礎となっており、800V車両アークテクチャを採用するための鍵となります。

SiCデバイス向けに最適化されたゲートドライバー

高速SiCデバイスにおいて、SiC MOSFETが提供する効率の利点を最大限に実現するには、それに見合う能力を備えたゲートドライバーが必要です。SiCアプリケーションに特化し、「負のゲートバイアス対応」、「高いコモンモード過渡耐性」、「短い伝播遅延」などの特長を有して設計された絶縁型ゲートドライバーのポートフォリオが、MOSFETの性能を最大限に引き出すことを可能にします。

その一例として、NCV51563は、ハーフブリッジまたはフルブリッジ構成のSiC MOSFETの駆動に最適なデュアルチャネル絶縁型ドライバーです。また、NCV51152とNCV51752は、スペースに制約があるアプリケーション向けに設計された、コンパクトなシングルチャネルドライバーで、後者は負のゲートバイアス制御機能を備えています。

これらのドライバーは、シュートスルーイベントに対する保護、電磁妨害(EMI)の低減、OBCシステム全体の信頼性向上に役立ちます。SiC技術の性能上の利点を最大限に引き出すには、適切なゲートドライバーの選定と統合が不可欠です。

スムーズで拡張可能な移行

800Vシステムへの移行によって、400Vプラットフォームが時代遅れになるわけではありません。そうではなく、技術革新と拡張性への明確な道筋をもって、適切なアーキテクチャを適切なユースケースに適合させることが重要なのです。

SiCソリューションの包括的なポートフォリオにより、EVメーカーは既存の400Vシステムでの性能と効率を向上させ、高電力アプリケーション向けに800Vアーキテクチャをシームレスに適応させて、コンパクトで信頼性が高く、効率的な、将来にも対応可能なOBCシステムを構築することができます。

このポートフォリオには、EliteSiCと組み合わせるGIゲートドライバー、車載用LDO、小信号ダイオードなどを揃えた包括的なソリューションが含まれています。ディスクリートMOSFETから完全に統合されたパワーモジュール、そして最適化されたゲートドライバーまで、オンセミは次世代EVを支えるビルディングブロックを提供します。