パワーエレクトロニクスの革新的な開発は、自動車および省エネアプリケーションのパフォーマンスだけでなく、システム効率を向上させるための将来の主要技術に属しています。 シリコンは、何十年もの間、電子スイッチの主要な材料です。 高度な製造プロセスと高度な電子デバイス設計により、シリコン電子デバイスの性能はほぼ理論上の限界まで最適化されています。 したがって、システムの性能を向上させるには、シリコンを超えた物理的および化学的特性を示す新しい材料を探索する必要があります。 炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンドなどの多くのワイドバンドギャップ半導体は、新しい性能レベルへの道を開く可能性のある優れた特性を示します。
ELETimesの特派員SheebaChauhanが、製品ラインの責任者であるStefanObersriebnigとの独占インタビューを行いました。 電圧 インフィニオンのパワーと センサー システム部門、およびRECOMPowerのイノベーションマネージャーであるSteveRoberts。 この相互作用は、主にパワーエレクトロニクスについてカバーしています 半導体 そして、いくつかの主要なテクノロジーが先にあります。
GaNをベースにした新しいスマートパワーへの取り組み テクノロジー
インフィニオンの製品ライン責任者であるStefanObsersriebnig氏は、GaNは、ノーマルオフHEMTなどの高電圧電源コンポーネントとゲートドライバ、レベルシフト、電流および電圧検出回路などの低電圧周辺機器をXNUMXつに統合する技術的可能性を提供すると述べました。同じ製造プロセスで死ぬ。 これにより、高度に統合され、単一のパッケージ内に必要なすべての回路を提供するデバイスを作成して、最高の電力密度と「デジタル入力、電源出力」動作による使いやすさを実現できます。
RECOMPowerのイノベーションマネージャーであるSteveRobertsが回答しましたが、Smart Powerは、特に農村地域で、エネルギー貧困を回避するために既存のリソースを巧みに管理する方法を参照できます。 この用語は、グリッドの中断や過負荷を回避するために大都市や大規模な工場で配電を管理することを表すためにも使用されます。 いずれにせよ、限られたエネルギー資源のバランスをとるには、効率的に電力をシフトする必要があります。 GaN技術は、99％に近い効率で電源を製造できるため、この概念にとって非常に重要です。
SiCおよびGaNテクノロジーは、明日のパワーエレクトロニクスの革新と効率を推進します
Stefan Obsersriebnigは、SiCとGaNはワイドバンドギャップ半導体であり、デバイス内のより高い電界を可能にし、電圧をブロックするためのより高いドーピングでより薄い層を可能にする、と回答しました。 これにより、特定のオン抵抗に必要な面積が減少し、寄生容量が減少します。 その結果、SiC、特にGaNは、対応するSiよりもはるかに高いスイッチング周波数で動作できます。 これにより、パワーエレクトロニクスシステムの受動部品が小さくなり、電力密度が高くなります。 さらに、SiCおよびGaNでは、少数キャリアが伝導相に関与しないため、これらのデバイスをハードスイッチすることもできます。 これは、新しい制御方式が可能になることを意味します。たとえば、負荷および/または入力および出力電圧範囲でハードスイッチングとソフトスイッチングを組み合わせて使用します。 これにより、パワーエレクトロニクスシステムの設計者に新しい自由度が提供され、各動作点に最適な変調方式を選択することで効率が向上します。
したがって、GaN HEMTをオン（強化）するには、ゲートに小さな電圧を印加して空乏領域を「キャンセル」し、ソースとドレイン間の接続のブロックを解除する必要があります。 これは非常に高速で行われるため、100kHzからMHz領域までのスイッチング速度を簡単に実現できます。
軍事または宇宙用途の場合、垂直Si / SiC構造に対する横方向GaNの固有のRadHard耐性能力も主要なプルファクターです。
SiCトランジスタは従来のSi-に似ていますMOSFET、ただし、シリコン基板ではなく炭化ケイ素を使用してください。 SiCははるかに高いブレークダウン電圧を持っているため、個々の層を薄くすることができ、スイッチング容量が減少し、電流処理能力が向上します。 したがって、SiC-モスフェット 同等の Si よりも高速かつ高い電力密度でスイッチを切り替えます。MOSFET トランジスタ.
ワイドバンドギャップ半導体はパワーエレクトロニクスの未来をどの程度形作っていますか？
Stefan Obsersriebnigは、ワイドバンドギャップ半導体により、既存のSiシステムの性能障壁を打ち破ることができると回答しました。 効率と電力密度が新しいレベルに押し上げられ、新しいアプリケーションも可能になります。 変換プロセスで無駄になるエネルギーが少ないだけでなく、より少ないスペースでより高い電力レベルを処理できるため、これらは私たちの生活の電化と脱炭素化に重要な役割を果たします。 結論として、パワーエレクトロニクスの未来は、ワイドバンドギャップ半導体によって大きく形作られます。なぜなら、それらは、高度なトポロジー、変調および制御スキーム、統合概念、フィルタリング方法などに新しい研究ベクトルを開くからです。
半導体 インフィニオンのソリューションは、損失を低減した安定した効率的な流れをサポートし、パワーチェーン全体の効率を最大化し、そのすべてが最高の信頼性と持続可能性の向上を実現する高品質基準に準拠しています。
産業用および自動車用アプリケーション向けの最新の電源ソリューション
Stefan Obsersriebnig 氏は、産業分野では、インフィニオンは最近、次のような新しい世代のシリコンを市場に投入していると答えました。 IGBTEASY 7B などの新しいパッケージ プラットフォームが追加され、パワー PCB 組み込みベースプレートレス モジュールの範囲が拡大されました。 さらに、トップサイド冷却のトレンドを形作るために、QDPAK のようなパワー パッケージが発売されました。 当社の Si 製品に次いで、ワイドバンドギャップが大幅に拡大しています。 一例として、シリコンと炭化ケイ素チップのスマートな組み合わせが発売され、ANPC トポロジなどで最適な簡易ベッドのパフォーマンス ソリューションを顧客に提供します。 さらに、インフィニオンは、幅広い CoolSiC 7 V ディスクリート デバイスを発売しました。 さらに、魅力的な CoolGaN 3 V 製品ポートフォリオは、特に究極の電力密度と組み合わせた優れた効率を要求するアプリケーションや顧客に対応します。
自動車アプリケーションにおけるWBGもインフィニオンの焦点です。 今年の仮想 PCIM トレードショーで、インフィニオンはフルブリッジの新しい HybridPACK Drive CoolSiC も発表しました。 モジュール 電気自動車のトラクション インバータ用に最適化された 1200 V の阻止電圧を備えています。 このパワーモジュールは、高電力密度および高性能アプリケーション向けの車載用 CoolSiC トレンチ MOSFET テクノロジーに基づいています。 これにより、特に 800 V バッテリ システムと大容量バッテリを搭載した車両において、インバータの効率が向上し、航続距離が長くなり、バッテリ コストが削減されます。 さらに、当社のパワー半導体ソリューションとスマート制御 IC は、システムコストの削減、電力密度の向上、アプリケーション効率の向上、およびモジュラーシステムのマルチターゲット最適化を可能にし、お客様の好みのトポロジーをサポートします。 半導体、特にインフィニオンが製造する半導体は、特に電動車両において、エネルギーサプライチェーンのあらゆる段階でエネルギー効率を構築する上で重要な役割を果たします。
電力損失を最小限に抑え、電力節約を最大化することで、ハイブリッド車と電気自動車の全体的なパフォーマンスを向上させます。 IGBTやSJMOSFETなどのSiベースを含む当社の幅広い主要技術は、現在のSiCと将来のGaNに基づくWBGソリューションが顧客側での高性能最適化を可能にするコストパフォーマンスセグメントに対応しています。
スティーブ・ロバーツ氏は、長期的には、GaN技術によってAC電源の寸法も大幅に削減されると述べました。 40W /in²の電力密度がすでに開発されており、従来のSiベースの技術のXNUMX倍またはXNUMX倍の電力密度です。 これは、産業および医療のお客様が、最小限の発熱ではるかに小さなエンクロージャーに収まる新世代のAC / DC電源を期待できることを意味します。 GaNは、低EMI、高効率の共振、またはアクティブクランプフライバックトポロジに特に適しているため、多くのかさばる電源は、洗練された新しい設計に置き換えられます。これは、将来の製品が、かさばる電源。
たとえば、RECOMの次世代GaN対応AC / DC製品は、業界標準の60 "x 3"ではなく1.6 "x4"のフットプリントで2％削減された40W AC / DC電源を提供します。同じ電力出力のサイズで。
産業および自動車システムをよりスマートで環境に優しいものにする最新の革新的なSiCおよびGaNパワーソリューション
Stefan Obsersriebnigは、生活をより簡単に、より安全に、より環境に配慮したものにすることがインフィニオンの使命であると回答しました。 当社の製品は、より持続可能な未来をサポートするために開発されています。 優れたダイアタッチと熱サイクル安定性を提供する新しいSMDベースのディスクリート製品を追加しました。 新しいAlNベースのモジュールがSiCで発売されました。 650Vデバイスは、CoolMOS製品を補完します。 世界初の1200VSiCIPMも発売されました。 自動車の世界は前例のないペースで進化しています。
インフィニオンでは、自動車産業向けのパワーエレクトロニクスシステムに高品質の半導体を供給する40年の成功と実証済みの専門知識を振り返ります。 インフィニオンは、自動車をより環境に優しいものにすることを基本的な信念の80つとしているため、電動車両への移行をより迅速かつ効率的にするためのテクノロジーに継続的に投資しています。 インフィニオンWBGベースのソリューションは、より高い電力密度、より少ない冷却労力、およびより少ない受動部品の数のおかげで、システムサイズを最大XNUMX％削減することができます。 お客様は、電力密度と電力変換効率を向上させることができます。 両方の最適化の方向性が重要です。特に、効率が高くなると走行距離が広がり、出力密度が設計を簡素化し、大容量のバッテリーを同じボディに取り付けることができる電動車両セグメントでは重要です。
xEVメインインバーターおよび充電用電子機器（OBC + HV DC-DCコンバーター）用のSiCベースのパワーエレクトロニクスが加速しています。 これは、今日のプレミアムカーセグメンテーションと明日のボリュームクラスの自動車に特に当てはまります。 インフィニオンは、グリーンパワーエレクトロニクスを実現するために、750Vおよび1200VSiCベースのソリューションというSiC製品の幅広い製品ポートフォリオに投資しています。 自動車セクターでは、さらにMOSFETベースの製品とハイブリッドソリューションによってポートフォリオが拡張されました。 GaNは、将来さらに高い電力密度を可能にするSiCの後継となる可能性があるため、インフィニオンは自動車分野向けのGaNベースのソリューションも開発します。
スティーブ・ロバーツは、SiCトランジスタとGaNトランジスタの両方がIGBTよりも速く、クリーンに切り替わり、全体的に優れた熱性能を備えていると驚異的に答えました（SiCはその化学的性質により、炭化ケイ素はシリコンよりも約3.5倍優れた熱伝導率を持ち、GaNは非常に低い損失と効率的なSMDにより優れていますパッケージング）が、多くのアプリケーションでは、スーパージャンクションMOSFETとIGBTは、はるかに低い価格で許容可能な性能を提供します。 そのため、価格に敏感な多くの産業用アプリケーションでは、シリコンベースのテクノロジーが新しい化学物質よりも優れています。 今のところ、少なくとも。
さらに、WBGトランジスタはまだ開発の初期段階にあるため、より成熟したIGBTテクノロジは、若いライバルよりも高いスイッチング電圧と電流を提供します。
ただし、WBGのパフォーマンス上の利点が重要となるいくつかの重要なアプリケーションがあります。電気自動車（EV）は、シリコンベースのテクノロジーで現在利用可能なものよりも高い効率（高いスイッチング周波数）と優れた熱性能（低いスイッチング損失）を必要とします。
プラグインEVの全体的な効率は現在約60％です（主電源から車両の運動エネルギーへの変換）。 WBGは、全体的な効率が72％に向上するように、電力制御とバッテリー充電効率を改善する可能性を提供します。 これは、既存のバッテリー技術を変更することなく、20％を超える有効範囲の拡大を表しています。 大量のEVアプリケーションのこの見通しは、SiCおよびGaN技術にとって非常に魅力的です。
ただし、WBGのパフォーマンス上の利点が重要となるいくつかの重要なアプリケーションがあります。電気自動車（EV）は、シリコンベースのテクノロジーで現在利用可能なものよりも高い効率（高いスイッチング周波数）と優れた熱性能（低いスイッチング損失）を必要とします。
寄稿者：
シーバチャウハン
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シーバチャウハンhttps://www.eletimes.com/author/sheeba水素燃料は未来ですか？
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