One Step Forward Towards Zero-Emission

「私たちは自動車メーカーとして、2035年またはそれ以前に主要市場におけるゼロ・エミッションの新車販売100％を達成することを目指し、この目標の達成に沿った事業戦略を遂行して、お客様の需要創出に貢献します」

 図1. 第26回国連気候変動枠組条約締約国会議（COP26）は英国が主催

COP26宣言は、先日の国連気候変動会議UK2021の成果です。オンセミ（onsemi）は先日、2040年までにネットゼロエミッションを達成することを公約に掲げました。これは単なるスローガンではなく、この目標を達成するための積極的な戦略を実行しています。新しい車両電動化技術の実現は、この約束を達成し、維持するための方法の一つです。

電気自動車（EV）の場合、コストの中心はバッテリセル／パックにあります。EV用のリチウムイオン電池の価格は、この3年間ですでに40％低下しています（過去10年間では90％近く低下）。リチウムイオン電池の価格下落は2025年まで続くでしょう。

電動化をさらに加速させるためには、ユーティリティからバッテリ、バッテリからモータへの電力変換の効率化が持続可能性の鍵となります。そのために新しい半導体技術が必要であり、シリコンカーバイド（Silicon Carbide、SiC）は自動車の高効率化を実現するための重要な技術になりつつあります。

SiCは、いわゆるワイドバンドギャップ（Wideband Gap、WBG）デバイスの一つです。バンドギャップとは、固体中の電子が存在できないエネルギー領域のことで、固体の電気伝導度を決定する重要な要素です。一般に、バンドギャップが大きい物質は絶縁体、小さい物質は半導体で、導体は価電子帯と伝導帯が重なっているため、バンドギャップが非常に小さいか、全く存在しません。これらのデバイスは、標準的なシリコンと比較して、エネルギーバンドが大きくなっています。

表1. バンドギャップのエネルギーチャート

現在、ほとんどの電気自動車は、IGBTやシリコンMOSFETなど、従来のシリコンデバイス技術を使用しています。EV技術ソリューションの設計者は、オンボードチャージャや高電圧DC-DCアプリケーション、トラクションアプリケーションにWBGデバイスをすでに限定的に導入しています（多くのプログラムがまもなく生産開始されます）。WBGはパワーエレクトロニクスの未来です。これらの新技術は、適切なパッケージ技術とともに、高効率、高信頼性、およびコスト最適化されたソリューションを可能にします。

これらの材料の特性は、構造にあります。主な原動力は、より高い動作温度、エネルギー損失の低減、パワー密度の増加、スイッチング周波数の増加、およびブロッキング電圧の増加に対する要求です。

シリコンと比較した場合のシリコンカーバイドの優位性：

• 絶縁破壊電界強度が10倍以上
• 3倍高いエネルギーバンドギャップ
• 3倍以上の熱伝導率

図2. 多次元的な材料特性の比較

SiC MOSFETは、IGBTと比較して、インバータレベルまたは車両レベルで、システム全体のコスト、性能、品質の向上を可能にします。以下は、トラクションインバータ・アプリケーションにおいて、IGBTに対するSiC MOSFETの重要な設計上の利点です。

• バンドギャップが広いため、単位面積当たりの電力密度が高く、特に高電圧（1200V耐圧など）で動作可能
• ニーボルテージがないため、低負荷時の効率が高い
• ユニポーラ動作により、高い定格温度と低いスイッチング損失が可能

電気自動車の負荷プロファイルは、パワースイッチに独自の要求をもたらします。WLPTからNEDCまでのすべての走行プロファイルを見ると、標準的な電気自動車がフルパワーで走行するのは、全ライフタイムの約5%であることがわかります。そのため、IGBTに比べSiC MOSFETの必要性が高まっています。SiC MOSFETはIGBTに比べ、ニーボルテージがないため、効率が大幅に向上し、車両レベルでのバッテリーパックの節約につながる可能性があります。

表2：駆動プロファイルの例

B2 SiC パワーモジュール（NVR26A120M1WST）は、ハイブリッド車（HEV）および電気自動車（EV）のトラクションインバータ・アプリケーション向けパワーモジュールVE-Trac^TMファミリのひとつで、オンセミのすべてのSiC MOSFET技術をハーフブリッジ構成で統合したモジュールプラットフォームです。ダイアタッチは、焼結技術の使用により、効率、電力密度、信頼性を高めています。このモジュールは、パワーモジュールの車載規格AQG 324に適合しています。B2 SiCモジュールは、ダイアタッチと銅クリップの焼結技術、トランスファモールド・プロセスを組み合わせ、堅牢なパッケージを実現しています。このSiCチップセットは、オンセミのM1 SiCテクノロジーを採用して、高電流密度、堅牢な短絡保護、高ブロック電圧、高動作温度を実現し、EVトラクションアプリケーションにおいてクラス最高レベルの性能を提供します。

当社のB2 SiC パワーモジュールNVVR26A120M1WSTと車両電動化ソリューションの詳細については、各リンク先をご覧ください。