ワイドバンドギャップにより電気自動車の充電を高速化

著者:  Brandon Becker  - 06-27-2021 

安全かつ効率的に、より高速な電気自動車(EV)の充電を可能にし、なおかつ迅速な選択をサポートするために、必要な電力レベルを供給する事は、簡単ではありません。シリコンベースのスイッチングデバイスのさらなる大幅な改善がますます困難になる中、オン・セミコンダクターなどの主要な半導体デバイスメーカーは、EVの急速充電に必要な性能を備えたソリューションを提供するために新しい材料を使用しています。窒化ガリウム(ガリウムナイトライド、gallium nitride、GaN)や炭化ケイ素(シリコンカーバイド、silicon carbide、SiC)などのいわゆるワイドバンドギャップ(WBG)材料は、EV充電に関連する電力設計に大きなメリットをもたらします。

 

EVと類似のハイブリッド電気自動車(HEV)は、特にEV充電ステーションがますます一般的になっている都市部において、多く見かけるようになりました。環境団体や政府からこれらの新しい車両を採用するようにとのかなりの圧力がありますが、多くの人は、これまでのところHEVは期待外れであると言っています。

 

EV 関連の一般的障害

距離の不安(燃料切れでドライバが立ち往生する懸念)は販売が遅い理由としてみなされていますが、より多くの充電ステーションが追加されているため(特に都市部での短距離移動や毎日のの場合)、この不安は減少しています。多くの場合、車両は自宅で一晩充電され、翌日の通勤や旅行のニーズに対応できます。充電ステーションの供給増加率は、中国などの一部の国によっては汚染により非常に具体的な目標が急速に進んでおり世界的に変化しています。

しかし、車両のバッテリの容量を超える旅行の場合、たとえ充電ステーションが利用可能であっても、別の問題があります。バッテリの充電プロセスが単に長すぎ、つまり300マイルの旅を1日で完了するのが難しい場合があります。この不便さは、EVの採用を遅らせているもう1つの要因です。

現在、利用可能な充電にはいくつかの段階があります。最も基本的なもの(レベル1)は、車両を通常のコンセントに接続して待機することです。最大3 kWのAC電力を供給できるので、フル充電には最大10時間かかることがあります。これは、夜間充電では十分ですが、それ以外はほとんど実行不可能です。レベル2は、三相電力から最大10 kWを供給するため家庭環境でも使用可能で、会議の出席、買い物、外食などの活動をしている間、充電するためにはるかに実行可能なフル充電時間を約3時間にまで短縮しています。

しかし、ACベースの充電には2つの主な欠点があります。まず、充電には数時間を必要とし旅行中は不便です。とりわけ、ガソリン車の燃料補給には数分しかかかりません。また、自動車のバッテリはオンボードAC / DCコンバータを充電するためにDC電源を必要とするため、車両に重量を追加し、効率を低下させ、それにより航続距離が短くすることが要求されます。

 

商用の充電ステーションは電力がより高く、主にDCを使用してバッテリに直接電力を供給し、AC/DCコンバータの重量と効率損失がなくなります。レベル3の充電ステーションは、最大75 kWの電力を供給でき、完全に消耗したバッテリを約30分で再充電することができます。ガソリン車に給油するほど便利ではありませんが、これは長い旅行中に許容できるレベルに達しています。

最も高い電力レベルはレベル4により供給され、約250 kWで、約6分程度で空のバッテリを補充するのに十分な充電ができます。 EVへの移行が進むにつれ、十分な数の充電ステーションが配備されれば、EVに対する「充電の利便性」への異論はなくなるでしょう。

 

オン・セミコンダクターがこれらの障害に対し、どのようなソリューションを提供しているか

オン・セミコンダクターが開発・導入をしているWBG材料に基づくデバイスは、この分野の設計エンジニアが必要とする性能と特性を提供できます。 SiCとGaNはどちらも、より低オン抵抗(RDS(ON))のため静的損失が低く、ゲート電荷(Qg)のレベルが低いため、スイッチング損失を低減します。その結果、WBGベースの電力設計はより高周波数で動作し、磁気構成要素のサイズとソリューションの全体的なサイズを低減できます。

WBGを使用すると、コンデンサとインダクタの値を約75%削減できます。これにより、受動部品と磁気部品のコストが大幅に削減され、スイッチングデバイスの高コストが相殺されます。その結果、高性能で高効率なWBGベースの電源設計が、同等のシリコンベースの設計よりも低コスト(および性能が大幅に向上)に到達しました。

 

オン・セミコンダクターは、Vienna整流ベースの充電ソリューションを構築するために必要なすべての部品を供給しています。例えば逆回復電流と温度に依存しないスイッチング特性1200V、30 A FFSH30120Aなど、1200VのSiCショットキーダイオードの幅広いポートフォリオを提供しています。さらに、NVHL080N120SC1NVHL020N120SC1など80ミリオームから20ミリオームに至る幅までのオン抵抗(RDS(ON))を持っている高機能なSiC MOSFETを幅広く提供しています。これらは、低ゲート電荷、低静電容量で、EMIを低減し、より高速の動作を可能にします。

SiCデバイスは、最適な性能を確保するために高機能なゲートドライバを必要とします。NCP51705は、SiC MOSFETに最大許容ゲート電圧を供給することにより、可能な限り低い伝導損失を確保します。

EV充電ステーション」の詳細、ならびに「EV充電ステーションにおけるワイドバンドギャップの活用」について、当社の資料とビデオをご参照ください。

 

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Tags:MOSFET, Industrial, Automotive, Power Supply, Networking and Telecommunications
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