EV充電器アプリケーション用のPFCで使用されるSiCデバイス

~ Infineon Technologies、Ming Zhou 氏、Andrea Piccioni 氏

この記事では、DC 電気自動車 (EV) 充電器の技術トレンドを分析します。炭化ケイ素（SiC）デバイスの現状とその利点、およびインフィニオンにおけるSiC技術開発について紹介します。一方向充電器用の三相ウィーン整流器ソリューション、二レベル三相アクティブフロントエンドトポロジ、双方向充電器用のフル SiC デバイスソリューションが紹介されており、これらは DC EV 充電器アプリケーションで広く使用されています。。結論として、インフィニオン製品に基づいて効率とコストの観点から PFC ソリューションを比較し、単方向および双方向充電器アプリケーション向けの PFC 部品の設計ガイドを示します。

二酸化炭素排出削減を求める政府への圧力が続く中、電気自動車への注目はますます高まっています。しかし、消費者はどの車両を選択するかを決定する際に、インフラの不足や充電時間の長さなどの要因を考慮する必要があります。

現在の車載充電器の定格電力は通常最大 11 kW で、完全なバッテリー状態まで充電するには 8 ～ 10 時間かかるため、AC 充電パイルは自宅や職場での EV の充電に適しています。ただし、休暇などの長期旅行の場合、消費者は休憩中のより速い充電を期待します。

AC から DC への変換、および絶縁 DC から DC への変換を備えた直流 (DC) EV 充電器は、AC 充電パイルよりも高い電力定格を備えています。個別のデバイスを使用する DC EV 充電器サブユニットの定格電力は現在 11 kW ～ 22 kW ですが、近い将来には 30 ～ 50 kW の範囲に増加する予定です。

複数の DC EV 充電器サブユニットを並列に接続すると、DC 充電パイルの電力定格を 120 kW から最大 360 kW まで高めることができます。この種の DC 充電パイルを使用すると、消費者は 30 分以内にバッテリー容量の 80 パーセントまでバッテリーを再充電できます。急速充電の利点とEVの急速な発展により、DC EV充電器市場は近年、驚異的な成長を遂げています。その一方で、この市場は信頼性、効率、電力密度の点で技術的な課題に直面しています。次世代のパワー半導体 SiC デバイスは、これらの課題や開発目標を達成するのに有益です。このペーパーでは、DC EV 充電器アプリケーション用の PFC で使用される SiC デバイスを紹介します。

ワイドバンドギャップ材料およびデバイスは、近年急速に開発されています。スイッチング損失が低い SiC デバイスにより、顧客はスイッチング周波数を高めることができます。したがって、SiC 製品は、DC EV 充電器、太陽光インバータ、無停電電源装置 (UPS)、およびスイッチモード電源 (SMPS) アプリケーションで広く使用されています。

インフィニオンは、図1に示すトレンチ構造を使用した炭化ケイ素に関する20年以上の現場経験があり、オン状態およびオフ状態の条件でゲート酸化膜を侵害することなく性能を向上させます。トレンチ構造のゲート酸化膜の信頼性を実証するために、インフィニオンはゲート酸化膜の信頼性評価を実施しました。その結果、図 2 に示す結果が得られました。上記の利点に加えて、インフィニオン CoolSiC™ MOSFET は、より高いしきい値電圧、短絡特性も備えています。回路能力が高く、dV/dtを幅広く制御可能。インフィニオンは、長期動作時のSiC MOSFETのゲート閾値電圧（VGS(th)）のドリフトの分野における専門知識を持っています。これは、アプリケーションにおけるユーザーへの主な影響として、関連するオン状態抵抗 (Rds(on)) の増加を制限するための設計ガイドラインを提供します。これらの利点により、Infineon CoolSiC MOSFET は使いやすくなっています [1][2][3][4][5][6]。

単方向 DC EV 充電器は通常、図 3 に示すように、Vienna PFC トポロジと、LLC 共振コンバータとフルブリッジ整流器トポロジを備えた DC-DC 部品を使用します。もう 1 つの一般的な DC-DC トポロジ、位相シフトフルブリッジ ( PSFB) は、トポロジーと制御方法が異なります。 DC EV充電器のPFC部分には、D1～D6用の1200V SiまたはSiCダイオード、SW1～SW6用のCoolMOS™ MOSFETおよびTRENCHSTOP™ IGBT5などのインフィニオン製品を使用できます。 LLC DC-DC の一次側には CFD シリーズ CoolMOS MOSFET を使用でき、二次側には 650 V Rapid Si ダイオードまたは 650 V Infineon CoolSiC ダイオードを使用できます。出力 DC 電圧範囲が通常 200 ～ 1000 VDC と広いため、リレーはフルブリッジ整流器を直列または並列に接続するために使用されます。