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交通分野でカーボンニュートラルを実現するには、自動車の動力システムの電化・電動化が唯一の方法である。世界初の自動車用半導体技術企業として、インフィニオンは「ゼロエミッションは達成される」という見方を強く信じており、この目標の早期実現を推進することに全力で取り組んでいます。

ここで「電動化」とは、従来の内燃機関の各種モードと電気モーターを共存させるハイブリッド電源システムを指し、「電動化」とは従来の内燃機関を完全に排除した電気駆動電源システムを指します。自動車の「電動化」「電動化」の過程において、さまざまな国や地域、さまざまな自動車メーカーが選んだ道は似ていますが、すべての道は同じゴールにつながっています。 これには、48V などのマイクロハイブリッド システムと、フルハイブリッドおよびプラグイン ハイブリッド システムの両方が含まれます。 これには、エネルギーキャリアとしてリチウムイオン電池を使用する純粋な電気自動車と、エネルギー源として水素を使用する燃料電池自動車の両方が含まれます。

周知のとおり、システムは認識、計算、実行、通信、電源の 5 つの部分に抽象化できます。本稿では、電力供給と実行という 2 つのトピックについて、5 つのパートに分けて個人的な見解と考えをいくつか述べます。。

一、車両電源システムの電源電圧トラック

現在、乗用車に搭載されている電源システムは、12V、48V、高圧（400V/800V）です。従来の内燃機関乗用車では常に12V電源が使用されており、対応する半導体製品も市場の大きな部分を占めています。 一部の国際的権威機関の予測情報によると、内燃機関のみで駆動する自動車は2030年頃に市場から撤退するとされています。 しかし、12V システムの成熟した部品サプライチェーンの規模の利点と、このシステムのアプリケーションに適した半導体製品の比較的低コストの利点を考慮すると、12V 電源レールは長期間存在するはずです。 その際、DC-DC は従来の 12V オルタネーターを完全に置き換え、12V システムにおけるバッテリー充電と負荷電源の電源となり、負荷遮断など 12V 電源システムの特性にいくつかの変化をもたらします。
対応する電源規格に応じて調整される場合があります。安全な電圧クラスとしての 48V は、絶縁グレードの要件やその他の要因が低いため、ハイブリッド電源システムにおいて一定の費用対効果の高い利点があります。 48V システムのサプライチェーンの改善により、大規模生産のコストが削減されます。同時に、さまざまな高電圧車両の一部の部品を標準化することにより、サプライヤーや車両メーカーは部品管理コストを削減できます。 このようにして、48V 電源レールは、マイクロハイブリッド システムを搭載した車両だけでなく、高電圧システムを搭載した新エネルギー車両にも導入される可能性があるため、一部の中出力負荷 (たとえば、1kW から 10kW の間) 48V電源システムでの動作が可能なため、高電圧(400V/800V)を48Vに変換するDC-DCコンバーターの用途に最適です。

48 つのレール (HV、12V、XNUMXV) が同じ車両内に共存するため、車両全体のアーキテクチャ、機能安全性、コストを考慮して、電源ネットワーク トポロジが集中型電圧変換を使用するか分散型電圧変換を使用するかは、車両の設計によって異なります。車両工場全体、DC-DC の電力レベルと機能安全レベルにも異なる要件があります。

   

第二に、「実行」について

上で述べたように、電源電圧の 3 つのレールが共存すると、異なる電圧レールの下でのアクチュエータに対する異なる要件、つまり、半導体パワー デバイスに対する異なる要件が生じます。 電圧レールが異なれば、半導体パワーデバイスには異なる耐電圧レベルが必要になります。 アプリケーションが異なれば、パワーデバイスには異なる駆動電流と異なるスイッチング周波数が必要になります。

48V 電圧トラックは、1kW ～ 10kW の電力レベルのアプリケーションを集中させます。 中でもDC-DCとモーターインバータが大部分を占めており、耐電圧と電力レベルを考慮すると、シリコンベースのMOSFETとGaNが主戦場となっています。 ただし、現時点ではGaNが自動車エレクトロニクスに応用されるまでには時間がかかると思われます。

次の図は、参考のために、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウムのパワーデバイスの対応する応用分野をいくつか示しています。

高圧線に使用されるパワーデバイスとして、今最も注目されているのが炭化ケイ素（SiC）です。 炭化ケイ素パワーデバイスには、低スイッチング損失、高耐電圧、高い動作温度、高い放熱能力という利点があるため、システムはより高い電圧とより高い周波数で動作できるため、受動部品の体積が削減され、電力損失が削減されます。システムの電力密度を向上させます。 しかしその一方で、炭化ケイ素で作られた現在のデバイスには、シリコンで作られたデバイスと比較していくつかの欠点があります。 総合的な結果に基づいて、シリコンと炭化ケイ素パワーデバイスは、それぞれの分野でそれぞれの強みを最大限に発揮しながら、将来かなり長く共存していくと考えられます。

インフィニオンの分析および試験情報によると、炭化ケイ素デバイスを使用した電源システムは、同じ電力レベルのシリコンデバイスを使用した電源システムと比較して、モーター駆動時の電力損失の低減と、モーターのエネルギー回収時の電力損失の削減。

次の図は、モーターにシリコンベースの IGBT とシリコンカーバイド MOSFET を使用した場合の、回転速度とトルクが異なるときのパワーデバイスの消費電力の違いに関する一連の実験データの比較です。 モーター回転数が2667rpm、出力トルクが553.3Nmのとき、シリコンベースIGBTの消費電力はシリコンカーバイドMOSFETより約13%少ないことがわかります。

このことから、次の図に示すように、インバータの駆動におけるシリコンベースの IGBT とシリコンカーバイド MSOFET の適用シナリオを大まかに把握できます。

シリコンベースの IBGT とシリコンカーバイド MOSFET が共有する「ハイブリッド」方式を採用することで、それぞれの利点を最大限に発揮し、お互いの長所を学ぶことができます。 シリコンベースの IGBT で駆動するモーターは、高電流下で MOSFET よりも電力損失が少ないという利点を十分に発揮し、主に高トルク出力を提供し、車両全体の加速性能を反映します。 しかし、シリコンカーバイド MOSFET で駆動されるモーターは巡航状態でより多く作動するため、エネルギー利用効率が向上します。 両方の目的を達成し、魚と熊の足の両方を持つように。

これにより、バッテリー容量を減らしながら車両の航続距離を維持できるため、バッテリーコストが削減され、炭化ケイ素パワーデバイスの導入によるコスト増加をある程度補うことができます。 同時に、バッテリー容量の削減とインバーターの電力密度の増加により、車両の重量が軽減され、車両全体のエネルギー利用効率が向上します。

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