モータードライブ
標準的なモータ駆動回路は従来、モータとは別の筐体に設置されていましたが、これは重量を増加させ、モータ駆動アーキテクチャの全体的なサイズを大きくします。さらに、ドライブ回路からモータへのインターフェース・ケーブルは回路にインダクタンスを追加し、高周波ドライブからモータへの過渡電圧オーバーシュートを引き起こす可能性があります。これはまた、非効率な電力密度設計につながる可能性があります。
今日のパワーマネージメントの世界では、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）のようなワイドバンドギャップ・パワートランジスタにより、設計者はスイッチング周波数を上げることでパワーエレクトロニクスを小型化することができる。また、SiCやGaNははるかに効率が高く、放熱が少ないため、より小さなヒートシンクが必要になります。この小型化により、駆動コンポーネントをモーター本体に統合することができ、より軽量でコンパクトなシステムが実現します。
このアーキテクチャーの改善は、重量と効率が最も望まれる電気自動車のドライブトレインのトラクションモーターにおいて特に重要である。(図1）。
図1：SiC MOSFETを使用した電気自動車(EV)ドライブトレインは、自動車業界の厳しい品質要件を満たしながら、高効率、高速スイッチング、冷却動作を提供する統合型モジュラー・モータ・ドライブ(IMMD)で作成することができます(画像提供: Wolfspeed社)
WGPパワーエレメントの利点
WBGデバイスの主な利点は、全損失の低さ、高速スイッチング能力、高温動作能力にある。SiCとGaNが、パワー・アーキテクチャのWBGデバイスの主役になるだろう。WBGデバイスの電圧範囲を考えると、GaNパワー・トランジスタの定格電圧は650Vまでで、SiCは650Vから始まり、モジュールでは10kVまで拡張される。
航空宇宙、車両牽引システムなどのモータードライブ設計は、WBGとIMMDの恩恵を受ける。サイズと重量の削減に加えて、WBGデバイスの高価なコストは、個別のキャビネット・エンクロージャーと関連するコネクターやケーブルが不要になることで相殺できます。さらに、接続ケーブルがないため、モーター巻線絶縁の漏れ電流が減少し、モーターの寿命が延び、電磁干渉（EMI）が改善されます。最後に、設置、製造、メンテナンスのコストが削減されます。
WBGデバイスの電圧範囲を考えると、GaNパワー・トランジスタの定格電圧は650Vまでで、SiCは650Vから始まり、モジュールでは10kVまで及ぶ。
SiC/Siハイブリッド
図2：トラクションインバータ用SiC-ショットキーバリアダイオード（SiC-SBD）高出力・低損失・高信頼性パワーモジュールの回路図（画像提供：三菱電機）
図3：SiCとSiの高速スイッチング（画像提供：三菱電機）
逆回復
シリコン・フリーホイールPiNダイオードをSiCショットキー・バリア・ダイオード（SBD）に置き換えることで、ダイオードの逆回復電流とIGBTスイッチング損失を大幅に低減することができる。
SiCショットキーバリアダイオードは、超高速スイッチング動作のためのゼロ逆回復電荷（Qrr）を特徴としています。SiC SBDの超低Qrrは、一般的なハードスイッチIGBTベースのアプリケーションにおけるスイッチング損失の低減につながります。これはIGBTのケース温度を下げ、システム効率を向上させ、シリコンIGBTの小型化を可能にします。図4
図4：各温度における650V（左図）と1200V（右図）のSiCショットキー・ダイオードとシリコン・バイポーラ・ダイオードの逆回復電荷（Qrr）。斜線部分は、シリコン・バイポーラ・ダイオードの少数キャリアの再結合によるエネルギーの浪費を表している。(画像提供：CREE社）
モータードライブにおけるWBGデバイスの用途
WBG デバイスは、モーター・ドライブを含む多くのアプリケーションに大きな利点をもたらします。図5は、低インダクタンス、高速、高温モーターのアプリケーション、重要な要件、およびSiソリューションの限界を示したものです。
図5：モータードライブにおけるWBGの様々な用途（画像は下記参考資料1より）
つまり、WBGデバイスは、高スイッチング周波数と高帯域幅を必要とする高出力、低インダクタンス・モーターを効率的に実現できることがわかる。また、電気自動車も忘れてはならない。電気自動車は、車輪の需要、燃焼エンジン、蓄電装置間のエネルギーの流れを管理するために、高度なパワーエレクトロニクスを使用している。バッテリー充電器もまた、SiCデバイスが魔法をかけるのに最適なアプリケーションである。設計エンジニアの豊饒な頭脳による産業界のニーズから、さらに多くのアプリケーションが登場するだろう。
参考文献
- AC 電気ドライブにおけるワイドバンドギャップデバイス：IEEE TRANSACTIONS ON TRANSPORTATION ELECTRIFICATION, VOL. 5, NO.5, NO.1, MARCH 2019
