電気自動車用急速充電器
はじめに
電気自動車（EV）は、車内のリチウムイオンバッテリーを充電するために直流（DC）を必要とする。充電速度が速くなれば、自動車の所有者は充電ステーションで過ごす時間を短縮し、職場や自宅、休暇のための長旅など、最終目的地までの時間を増やすことができる。電力設計者は、安全基準の範囲内で最速の充電速度を達成するために、実に優れた設計を開発してきた。
EV用の優れた急速充電システムを設計するには、まず冷却にかかる労力を最小限に抑え、高い電力密度を実現し、特に車載充電システムではシステム全体のサイズと重量を減らす必要がある。電力密度が高ければ、強制空冷も必要となる。WBGデバイスを使用すれば、設計アーキテクチャーにおいて高電力密度を達成するのに最適な窒化ガリウム（GaN）または炭化ケイ素（SiC）デバイスを使用することで、充電時間は確実に短縮される。
WBGの利点
SiCのようなWBGパワー・デバイスは、シリコン（Si）絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（IGBT）に比べて低損失で、非常に高いDCリンク電圧を遮断することができる。パワー・コンバータは高電圧で動作できるため、必要な電力転送のための電流量を減らすことができます。電流の低減は銅の使用量削減に直結し、ひいては電力密度を向上させます。図1.
図1：セントラル（またはストリング）インバータ、マイクロインバータ、パワーオプティマイザ。(提供：solartribune.com）
WBGの利点
まず、フロントエンドの力率改善（PFC）ステージと絶縁型DC/DCコンバーターを含む2ステージ設計による、従来のオンボード急速充電アーキテクチャーの設計を見てみよう。図2.
図2： 従来のEV車載充電器（画像は参考資料1より）
SiCやGaNのようなワイドバンドギャップ(WBG)デバイスを使用することで、EV充電器はSiよりも低損失で高効率に動作することができ、発熱が少なくなるため、熱管理の負担が軽減され、コストも削減される。ディスクリートSiC MOSFETは650V～700V、900V、1000V、1200V、1700Vで市販されており、GaNトランジスタは650Vまで動作する。WBG材料はより高い動作温度に耐え、熱抵抗が低いだけでなくリーク電流も低いため、これらのデバイスはSiよりも所与のフットプリントでより多くの電力を扱うことができる。
今日の電気自動車のバッテリー電圧は一般的に200Vから800V以上であるため、GaNはスイッチング過渡現象を考慮した安全な設計を実践するために500V未満を処理することが可能であり、SiCはそれ以上の電圧を容易に処理することができる。
スイッチング損失の低減による発熱の低下に加え、SiCデバイスはSiよりも熱伝導率が高い（Siが1.5W/cm-Kであるのに対し、SiCは4.9W/cm-K）。GaNはSiよりも熱伝導率が低いが、この急速充電アプリケーションでは、以下の段落で述べるように、GaNの優れたスイッチング損失性能がSiをはるかに上回る。
高速スイッチング能力は、スイッチング損失の低減につながります。スイッチング損失が低下することで、スイッチング・プロセス中に発生する熱が減少し、効率が向上する。発熱が少なくなれば、熱管理ソリューションの小型化、低コスト化につながります。また、より高い周波数で動作することで、インダクタやコンデンサのような、より小型でより安価な受動的エネルギー貯蔵部品の使用も可能になります。GaNは、スイッチング損失に関してSiCやSiよりもはるかに優れている。
しかし、スイッチング損失は全容を語るものではない。全損失にはスイッチング損失と伝導損失が含まれる。スイッチング損失は、デバイスがオフからオン、またはオンからオフの状態に「切り替わる」ときに発生する損失である。伝導損失は、デバイスが完全にオン状態のときに発生します。伝導損失の主な要因は、Rds(on)または（「オン」状態におけるドレインからソースまでの抵抗）です。一般に、SiC デバイスは、GaN デバイスよりも温度に対する Rds(on)が低く安定しています。これは、GaN と比較して SiC の伝導損失の低減につながります。
総合損失の測定
FOM（Figure of Merit）は、スイッチング損失と伝導損失の一般的な比較として使用され、（ゲート電荷 * オン抵抗）または（Qg * Rds(on)）で計算されます。ゲート電荷（Qg）はスイッチング損失の指標であり、Rds（on）は伝導損失を表す。この2つのパラメータの積を比較することで、総合的な性能の目安が得られます。
GaNデバイスは、主に非常に低いゲート電荷により、最高のSiスーパージャンクションMOSFETよりも13倍優れたFOMを持つ。
WBGの主要機能とSiの比較
SiCやGaNは、シリコンMOSFETやIGBTよりも高い周波数で動作する。WBGデバイスは、Siよりもスイッチ電力損失がはるかに少ない。WBGはスイッチング速度が速いため、大きくて重い磁気回路が縮小され、より軽量で小型の電力設計が可能になり、エネルギー効率も向上する。
SiCデバイスはGaNよりも高温に耐えるため、冷却の必要性を減らすことができるが、GaNは必要な出力電流を得るためにSiCよりも低いしきい値ゲート電圧を持つ。また、GaNは時間に対する電圧変化率（dv/dt）がSiCよりも高いため、オン期間とオフ期間の両方でスイッチングが速くなり、高速化が可能になる。
GaNを使用した高速オンボード充電器（OBC）
GaNは高い電力密度と非常に高速なスイッチング能力を持ち、600V以下の車載用急速充電器ではSiやSiCを凌ぐパワー・デバイスとして選ばれている。スイッチング損失の低減と高効率化により、GaNは放熱が少ないため、小型で安価なヒートシンクが必要となる。
これらの特徴は、車載充電器の小型化、軽量化につながり、自動車の重量とサイズを低く維持するのに有利である。GaNは200℃以上のジャンクション温度で100万時間のMTTF信頼性ベンチマークをサポートできる。
Siと比較したGaN：サイズ、効率、重量はOBCにとって重要である。
- 4 x 小さめ（1/4サイズ）
- 4 x ライター（1/4の重さ）
- 4×効率（効率損失の1/4）
充電器の電圧が600Vから1kV+の範囲に近づくにつれ、SiCデバイスが優位に立ち始めるだろう。その理由は、耐圧が高く、頑丈で、スイッチング速度が速く、電力能力が高いからだ。シリコンはここでも敗北する。
SiCを用いた高速オフボード充電器
通常、ラインからの高電圧を下げるために変圧器が必要である。しかし、SiCデバイス（600V以上の高電圧で、ケーブルサイズを小さくし、熱を少なくすることができる）を使用すれば、電圧を降圧する必要がなく、ラインからすぐに電気を使用することができる。オフボード・チャージャーは、208、240、380、480、または575Vの三相AC回路によって供給される。SiCは、外部ACを93％以上の効率でDC電力に変換する、これらの高電圧、高速オフボード・チャージャーで輝く。
150kWの直流充電器なら、わずか15分で200kmの充電が可能だ。ここでも、充電器からEVまでのケーブルが小型・軽量化され、SiCが外部ACから高電圧DCへの変換を処理できるため、オフボード急速充電器としてSiCが勝利する。
より高い充電電力設計
設計者は、入力側で直列に、出力側で並列に接続された10個の230VAC/7.2kW充電モジュールを使用することにより、例えば2.4kVAC/50kWのような、より高い充電電力を達成することができます。GaN HEMTデバイスを使用したこのアーキテクチャは、高電力密度、高効率、高出力を同時に実現します。急速充電のためのゼロ電圧スイッチングを実装する必要がある。図3.
この設計アーキテクチャの詳細については、参考文献1を参照されたい。
まとめると、GaNとSiCが電気自動車の急速充電設計アーキテクチャの主要なパワー素子の選択肢であることがわかる。
適切なPCボード・レイアウトとゲート・ドライブ・パラメータ設計により、GaNとSiCパワー・デバイスはEV充電器の機能に革命をもたらし、EV高速充電の実現に貢献する。
図 3：GaN HEMTデバイスを使用する入力-直列-出力-並列（ISOP）超高速マトリックス・コンバータ充電器設計アーキテクチャは、かさばるDCリンク・コンデンサを必要とせず、高効率である（画像は参考資料1より）
参考文献
- H.Naik, "4H-SiC Lateral MOSFETs on (0001), (000-1) and (11-20) oriented SiC substrates" 修士論文, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, 2009.(IEEE Xploreの有料ファイアウォールの内側にある可能性があります。）
- 電力用途向けワイドバンドギャップ半導体の比較、B. Ozpineci、L.M. Tolbert、S.K. Islam、M. Chinthavali、オークリッジ研究所
