EV用トラクションインバータの効率を向上させるSiC MOSFETの設計方法

エンジニアは、最新の電気自動車（EV）において、性能と航続距離の間のトレードオフという問題に直面します。より速い加速、より高い走行速度では、より頻繁で時間のかかる充電が必要になります。あるいは、航続距離が長くなる代わりに、速度が緩やかになることもあります。航続距離を伸ばしつつ、運転者に高性能を提供するためには、バッテリのエネルギーをできるだけ多く駆動輪に伝達できるようにドライブトレインを設計する必要があります。それと同様に重要なのが、ドライブトレインを車両の制約の範囲内に収まるように小型化することです。この2つの要件を満たすためには、高効率と高エネルギー密度の両方を備えた部品が必要です。

EVのドライブトレインで重要な部品は、バッテリのDC電圧を車両の電気モータに必要なACに変換する三相電圧源インバータ（またはトラクションインバータ）です。性能と航続距離のトレードオフを減らすためには、効率的なトラクションインバータを構築することが重要であり、効率を向上させるためには、ワイドバンドギャップ（WBG）のSiC（シリコンカーバイド）半導体デバイスを適切に使用することが重要です。

この記事では、EV用トラクションインバータの役割について説明します。さらに、SiCパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（SiCパワーMOSFET）を採用することで、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）よりも高効率なEV駆動系を実現できることを説明します。最後に、SiC MOSFETを使用したトラクションインバータの例と、ユニットの効率を最大化するための設計上のヒントを紹介します。

トラクションインバータとは?

EVのトラクションインバータは、車両の高電圧（HV）バッテリから供給されるDC電流を、電気モータが必要とするAC電流に変換し、車両の移動に必要なトルクを発生させます。トラクションインバータの電気的性能は、車両の加速や走行距離に大きく影響します。

現代のトラクションインバータは、400V、あるいは最近では800V設計のHVバッテリシステムで駆動されます。トラクションインバータの電流が300A以上の場合、800Vのバッテリシステムで駆動する機器は、200kW以上の電力を供給することができます。電力の増加と同時に、インバータのサイズが小さくなり、電力密度が大幅に向上します。

400Vのバッテリシステムを搭載したEVには600～750V、800Vの車両には900～1200V定格のパワー半導体デバイスを搭載したトラクションインバータが必要です。また、トラクションインバータに使用されるパワーコンポーネントは、ピークAC電流の500A以上を30秒間、最大AC電流の1600Aを1ミリ秒間処理できることが必要です。さらに、このデバイスに使用されるスイッチングトランジスタやゲートドライバは、トラクションインバータの高い効率を維持しながら、これらの大きな負荷に対応できるものでなければなりません（表1）。

表1：2021年におけるトラクションインバータの標準的な要件。エネルギー密度は、2009年と比較して250%増加しています。（画像提供：スティーブン・キーピング氏）

トラクションインバータは通常、モータの各相に1つずつ、計3つのハーフブリッジ素子（ハイサイドとローサイドのスイッチ）で構成されており、ゲートドライバが各トランジスタのローサイドスイッチを制御します。アセンブリ全体は、車両の他のシステムに電源を供給する低電圧（LV）回路からガルバニック絶縁されていなければなりません（図1）。

図1：EVには、高電圧（HV）のDCバッテリ電力を車両の電動モータが必要とするAC電力に変換するための三相電圧源インバータ（トラクションインバータ）が必要です。トラクションインバータを含むHVシステムは、車両の通常の12Vシステムから分離されています。（画像提供：ON Semiconductor）

図1の例では、スイッチにIGBTを使用しています。これらは高電圧に対応し、高速でスイッチングでき、効率が良く、比較的安価であることから、トラクションインバータの選択肢として人気があります。しかし、SiCパワーMOSFETのコストが下がり、より多く市販されるようになってからは、IGBTと比較して顕著な利点があるため、SiCパワーMOSFETが注目されるようになりました。

高効率ゲートドライバ用SiC-MOSFETの利点

SiCパワーMOSFETが従来のシリコン（Si）MOSFETやIGBTと比べて優れた性能を発揮するのは、WBG半導体基板を使用しているからです。Si MOSFETのバンドギャップエネルギーは1.12電子ボルト（eV）であるのに対し、SiC MOSFETは3.26eVです。つまり、WBGトランジスタは、Siデバイスよりもはるかに高い降伏電圧に耐えることができ、その結果、絶縁破壊電界電圧もSiの約10倍になります。絶縁破壊電界電圧が高いため、所与の電圧でデバイスの厚さを薄くすることができ、オン抵抗（R_DS(ON)）を下げることができるため、スイッチング損失を減らし、通電性能を高めることが可能になります。

また、SiCはSiの約3倍の熱伝導率を持っているのも大きな利点です。熱伝導率が高いほど、所与の消費電力に対する接合部温度（_Tj）の上昇が小さくなります。また、SiC MOSFETは、Siよりも高い最大接合部温度（T_{j（max））}に耐えることができます。Si MOSFETの標準的なT_j（max） 値は150˚Cです。SiCデバイスは最大600°CのT_j（max）に耐えることができますが、市販のデバイスは通常、175～200˚Cの定格となっています。表2は、Siと4H-SiC（MOSFETの製造に一般的に使用されるSiCの結晶形態）の特性を比較したものです。

表2：SiCのMOSFETは、絶縁破壊電界、熱伝導率、最大接合部温度の点で、大電流・高電圧のスイッチング用途でSiよりも優れた選択肢となります。（画像提供：ON Semiconductor）

高降伏電圧、低R_DS（ON）、高熱伝導率、高T_j（max）により、SiC MOSFETは同サイズのSi MOSFETよりもはるかに高い電流と電圧を扱うことができます。

また、IGBTは高電圧・高電流に対応しており、SiC MOSFETに比べて低コストであることから、トラクションインバータの設計に採用されています。IGBTの欠点は、特に開発者がエネルギー密度を最大限に高めようとする場合、「テーリング電流」と比較的遅いターンオフによる最大動作周波数の制限です。一方、SiC MOSFETは、Si MOSFETと同等の高周波スイッチングが可能でありながら、IGBTのような電圧・電流処理能力を持っています。

SiC MOSFETの幅広い利用

これまで、SiC MOSFETは比較的価格が高いため、高級EVのトラクションインバータなどにしか使われていませんでしたが、価格が下がったことで、より幅広く選択肢が増えました。

ON Semiconductorからは、この新世代のSiCパワーMOSFETとして、NTBG020N090SC1とNTBG020N120SC1という2種類の製品が発売されています。両者の大きな違いは、前者が最大ドレインソース間降伏電圧（V_（BR）DSS）900V、ゲートソース間電圧（V_GS）0V、連続ドレイン電流（I_D）1mAであるのに対し、後者は最大V_（BR）DSSが1200V（同条件下）であることです。両デバイスの最大T_jは175˚Cです。いずれもシングルNチャンネルMOSFETで、D2PAK-7Lパッケージを採用しています（図2）。

図2：NTBG020N090SC1とNTBG020N120SC1のNチャンネルSiCパワーMOSFETは、どちらもD2PAK-7Lパッケージで、主な違いはV_（BR）DSSの値がそれぞれ900Vと1200Vであることです。（画像提供：スティーブン・キーピング氏、ON Semiconductorの資料を使用）

NTBG020N090SC1は、R_DS（ON）が20mΩでV_GSが15V（I_D = 60A、T_j = 25°C）、R_DS(ON)が16mΩでV_GSが18V（I_D = 60A、T_j = 25°C）です。最大連続ドレインソース間ダイオード順電流（I_SD）は148A（V_GS = -5V、T_j = 25°C）、最大パルスドレインソース間ダイオード順電流（I_SDM）は448A（V_GS = -5V、T_j = 25°C）です。NTBG020N120SC1のR_DS（ON）は、V_GSが20Vで28mΩ（I_D = 60A、T_j = 25°C）です。最大I_SDは46A（V_GS = -5V、T_j = 25°C）、最大I_SDMは392A（V_GS = -5V、T_j = 25°C）です。

SiC MOSFETを使用した設計

このような利点があるにもかかわらず、トラクションインバータの設計にSiC MOSFETを取り入れようとする設計者は、重大な問題に気をつけなければなりません。このトランジスタには、厄介なゲート駆動要件があるのです。これらの課題のいくつかは、Si MOSFETと比較した場合に、SiC MOSFETは相互コンダクタンスが低く、ゲートの内部抵抗が高く、ゲートターンオンの閾値が2V未満になることがあるという事実から生じています。そのため、適切なスイッチングを行うためには、オフ状態のときにゲートをグランドより引き下げる必要があります（通常は-5V）。

しかし、低いR_DS（ON）を確保するためには、大きなV_GS（最大20V）を印加しなければならないという、ゲート駆動の重要な課題が生じます。SiC MOSFETを低すぎるV_GSで動作させると、電力損失による熱ストレスや、さらには故障の原因となります（図3）。

図3：NTBG020N090SC1 SiC MOSFETでは、高いR_DS（ON）による熱ストレスを避けるために、高いV_GSが必要となります。（画像提供：ON Semiconductor）

さらに、SiC MOSFETは低利得デバイスであるため、ゲート駆動回路を設計する際、設計者は他のいくつかの重要な動特性への影響を考慮する必要があります。これらの特性には、ゲート電荷のミラープラトーや、過電流保護の必要性などがあります。

このような設計上の制約から、専用ゲートドライバには以下のような特性が求められます。

• SiC MOSFETの性能を最大限に生かすために、V_GSを-5～20Vで駆動できること。この要件を満たす適切なオーバーヘッドを提供するために、ゲート駆動回路は、V_DD = 25VとV_EE = -10Vに耐える必要があります。
• V_GSは、数ナノ秒程度の高速の立ち上がりおよび立ち下がりエッジであること。
• ゲート駆動は、MOSFETのミラープラトー領域全体に、数アンペア程度の高いピークゲート電流を流せること。
• シンク電流の定格は、SiC MOSFETの入力静電容量を放電するのに必要な電流を超えること。高性能のハーフブリッジ電源トポロジでは、最小ピークシンク電流の定格を10A程度にすることを検討する必要があります。
• 高速スイッチングのための低寄生インダクタンス。
• SiC MOSFETに限りなく近づけ、エネルギー密度を高めることができる小型のドライバパッケージ。
• 信頼性の高い長期的な動作を実現するための検出、故障報告、保護が可能な脱飽和（DESAT）機能。
• スイッチング開始前にV_GS > 16Vの要件に適合するV_DDの不足電圧ロックアウト（UVLO）レベル。
• 負電圧レールが許容範囲内にあることを確認するためのV_EE UVLO監視機能。

ON Semiconductorは、トラクションインバータ設計におけるこれらの要件を満たすように設計されたゲートドライバを発表しました。NCP51705MNTXG SiC MOSFETゲートドライバは、同社のSiC MOSFETだけでなく、幅広いメーカーのSiC MOSFETに対応できる高レベルの統合を実現しています。このデバイスは、汎用ゲートドライバに共通する多くの基本機能を備えていますが、最小限の外付け部品で信頼性の高いSiC MOSFETゲート駆動回路を設計するために必要な専門的な機能も備えています。

たとえば、NCP51705MNTXGにはDESAT機能が搭載されており、わずか2つの外付け部品で実装することができます。DESATは、IGBTやMOSFETに対する過電流保護の一種で、V_DSが最大I_Dで上昇するような故障を監視するためのものです。これは効率に影響を与え、最悪の場合、MOSFETを損傷させる可能性があります。図4は、NCP51750MNTXGがR1とD1を介したDESATピンでMOSFET（Q1）のV_DSを監視する様子を示しています。

図4：NCP51705MNTXGのDESAT機能は、最大I_Dの期間中にV_DSの異常な動作を測定し、過電流保護を実行します。（画像提供：ON Semiconductor）

NCP51705MNTXGゲートドライバは、プログラム可能なUVLOも備えています。これは、SiC MOSFETを駆動する際に重要な機能です。なぜなら、スイッチングコンポーネントの出力は、V_DDが既知の閾値を超えるまで無効にする必要があるからです。ドライバが低V_DDでMOSFETをスイッチングすると、デバイスが損傷する可能性があります。NCP51705MNTXGのプログラム可能なUVLOは、負荷を保護するだけでなく、印加されたV_DDがターンオン閾値を超えているかをコントローラに確認します。UVLOのターンオン閾値は、UVSETとSGNDの間にある1つの抵抗で設定します（図5）。

図5：NCP51705MNTXG SiC MOSFETのUVLOターンオン閾値は、UVSET抵抗R_UVSETによって設定され、望ましいUVLOターンオン電圧V_ONに応じて選択されます。（画像提供：ON Semiconductor）

トラクションインバータのデジタルアイソレーション

トラクションインバータの設計を完成させるには、車両の電子機器のLV側が、インバータを通過する高い電圧と電流から絶縁されていることを確認する必要があります（上の図2）。しかし、HVゲートドライバを制御するマイクロプロセッサがLV側にあるため、絶縁を行う場合は、マイクロプロセッサからゲートドライバへのデジタル信号の通過を許容する必要があります。ON Semiconductorは、この機能のためのコンポーネントとして、高速、デュアルチャンネル、双方向のセラミックデジタルアイソレータであるNCID9211R2も提供しています。

NCID9211R2は、ガルバニック絶縁された全二重のデジタルアイソレータで、グランドループや危険な電圧を伝導することなく、デジタル信号をシステム間で通過させることができます。最大動作絶縁2000V_ピーク、100kV/ミリ秒のコモンモード除去機能、50Mビット/秒のデータスループットを備えています。

図6に示すように、オフチップのセラミックコンデンサが絶縁バリアを形成しています。

図6：デジタルアイソレータNCID9211R2のシングルチャンネルを示すブロック図。オフチップコンデンサは絶縁バリアを形成します。（画像提供：ON Semiconductor）

デジタル信号は、ON-OFFキーイング（OOK）変調を用いて絶縁バリアを越えて伝送されます。送信側では、V_IN入力の論理状態を高周波のキャリヤ信号で変調します。得られた信号は増幅され、絶縁バリアに伝達されます。受信側ではバリア信号を検出し、エンベロープ検出技術を用いて復調します（図7）。出力信号は、出力イネーブル制御ENがHighのとき、V_Oの出力論理状態を決定します。送信機の電源がオフの時、またはV_IN入力が切断された時、V_OはデフォルトでハイインピーダンスのLOW状態になります。

図7：NCID9211デジタルアイソレータは、OOK変調を用いることで、絶縁バリアを越えてデジタル情報を伝送します。（画像提供：ON Semiconductor）

まとめ

SiCパワーMOSFETは、EV用の高効率・高出力密度のトラクションインバータに適した選択肢ですが、その電気的特性から、ゲートドライバやデバイス保護に関する設計上の課題があります。さらに、トラクションインバータの設計では、車両の繊細な低電圧電子機器との高度な絶縁性を確保することも課題となっています。

このように、ON Semiconductorでは、技術開発を容易にするために、トラクションインバータの要件を満たし、現代のEVの長距離走行と高性能のバランスをとれるよう、さまざまなSiC MOSFET、専用ゲートドライバ、デジタルアイソレータを提供しています。