400 V電気自動車における窒化ガリウムの役割が拡大

世界の自動車産業は、内燃機関から電動ドライブトレインへ移行する電動化に向けて、構造的な転換期を迎えています。

量産市場での普及を加速するには、プラグイン電気自動車 (EV) が、より長い航続距離、より短い充電時間、そして製造総コストの低減を実現する必要があります。これらの要件は、高効率なパワー エレクトロニクス、特に車載充電器 (OBC) とトラクション インバーターに対して、厳しい性能要求を課します。

400 Vバッテリー アーキテクチャでは、従来のシリコン (Si) 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) および絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) は、半導体材料としての理論限界に近づいています。

炭化ケイ素 (SiC) はパワートレイン システムの初期世代におけるベースラインとして確立されてきましたが、自動車市場全体でワイドバンドギャップGaN技術が成熟するにつれ、SiCデバイスはその優位性をますます問われています。

パワー エレクトロニクス用途におけるGaN-on-SiliconとGaN-on-Silicon Carbideの比較について、詳しくはこちらをご覧ください。

本概要では、窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ (HEMT) を400 V EVパワートレインに統合することの技術的および経済的価値を分析します。第1章では、GaN双方向スイッチ (BDS) を用いたシングル ステージの双方向OBCトポロジーについて詳述します。

このアーキテクチャでは、従来の電源に見られる損失の大きいDC-DC変換段を排除し、部品点数を最小化するとともに電力密度を最大化します。第2章では、単方向のGaNベース トラクション インバーターを評価し、高周波スイッチングによってモーターの高調波損失が低減され、より小型 軽量でコスト効率の高いシステム フィルターが可能になることを詳述します。

400 V EVアーキテクチャにおけるパワー エレクトロニクスのボトルネック

電気自動車の性能は、基本的に電力変換効率によって制約されます。

標準的な400 V EVパワートレインでは、パワー エレクトロニクスが主に次の2つの役割を担います。

  • AC-DC変換: 車載充電器 (OBC) は、系統AC電力をDC電力に変換して高電圧バッテリー パックを充電します。
  • DC-AC変換: トラクション インバーターは、バッテリーのDCエネルギーを多相AC信号に変換して電気モーターを駆動します。
車のシルエット内に電気自動車のパワートレインのブロック図を示します。車載充電器 (AC/DC PFC整流段の後に絶縁型DC/DCコンバーターが続く) がバッテリーに接続され、バッテリーからDC/ACインバーターを介してモーターを駆動します。

車のシルエット内に電気自動車のパワートレインのブロック図を示します。車載充電器 (AC/DC PFC整流段の後に絶縁型DC/DCコンバーターが続く) がバッテリーに接続され、バッテリーからDC/ACインバーターを介してモーターを駆動します。

400 V車載充電器 (OBC) におけるGaN: シングル ステージ トポロジー

従来の双方向OBCは、2段構成のアーキテクチャを採用しています。

  1. アクティブ フロント エンド (AFE) : 系統ACを中間DCリンク バス (通常400 V～450 V) に整流する力率補正 (PFC) 段 (通常はトーテムポール構成) です。
  2. 絶縁型DC-DCコンバーター: 共振段 (通常はデュアル アクティブ ブリッジ (DAB) またはLLCコンバーター) により、ガルバニック絶縁とバッテリー パックへの正確な電圧整合を実現します。

従来型および現行世代の車載用オンボード チャージャー (OBC) の70% 以上が、2段トポロジーを採用しています。第1段はAC/DC力率補正 (PFC) 回路 (通常はブリッジレス トーテムポール構成) で、入力電流を系統電圧の正弦波に一致するように整形します。第2段は、デュアル アクティブ ブリッジ (DAB) やLLC共振コンバーターなどの絶縁型DC/DCコンバーターで、ガルバニック絶縁を提供し、バッテリーの充電状態に合わせて出力電圧を調整します。

この2段方式では、PFC段とDC/DC段の間に、バルク型電解コンデンサーまたはフィルム コンデンサーの「DCリンク」コンデンサーが必要となります。DCリンク コンデンサーはエネルギー バッファとして機能し、単相AC系統からの2倍の商用周波数 (100 Hz / 120 Hz) の脈動電力を吸収しながら、下流のDC/DC段に安定したDC入力を供給します。これらのコンデンサーは大きな体積を占めて重量を増加させ、電力密度を制限します。また、高温環境での長期使用により電解液が乾燥しやすく、主要な故障要因となります。

この2段方式では、部品点数が多く、複数のゲートドライバと2つの制御ループに加え、かさばる中間DCリンクのバルク コンデンサーが必要となります。このバルク コンデンサーは多くの場合、電解コンデンサーまたは大型フィルム部品であり、熱劣化や機械的摩耗を起こしやすい傾向があります。

GaNが高周波LLC共振変換をどのように可能にするか、詳しくはこちらをご覧ください。

シングルステージ マトリックス コンバーターの主な課題は、入力側の双方向AC電圧を管理することです。標準的なディスクリート パワー半導体は、一方向の電圧しか遮断できません。AC波形を扱うには、電圧を遮断し、電流を両方向に導通できる双方向スイッチ (BDS) が必要です。

従来のディスクリート部品を使用する場合、2つのトランジスタを背中合わせに接続する必要があります (共通ソース構成または共通ドレイン構成) 。

Ndiscrete = 2 x Nswitches

この構成では、電流が2つの独立したトランジスタ チャネルを通過する必要があるため、合計RDS(on) が2倍となり、導通損失が増加します。

Pcond = IRMS2 x (2 x RDS(on))

さらに、この構成では、部品点数、ゲート駆動回路、およびプリント基板 (PCB) の占有面積が2倍になります。

GaN技術により、独自の代替手段であるモノリシック双方向スイッチ (BDS) が実現します。

GaNは、シリコン基板上のAlGaN/GaNヘテロ構造に基づく横型デバイス構造であるため、インフィニオンは、単一のドリフト領域を共有する2つの独立したゲートを備えた単一デバイスを開発しました。

このモノリシック構成により、いくつかの性能上の利点が得られます。

  1. ドリフト領域共有による導通: 電流は単一の連続した2DEGチャネルを流れます。モノリシックBDSの総オン抵抗は、バックツーバック構成で抵抗が2倍になるのではなく、標準的なディスクリートGaN HEMT 1個のオン抵抗に匹敵します。伝導損失は約50% 低減します。
  2. 真の4象限動作: このモノリシック デバイスは、隣接するチャネルに対するゲート1およびゲート2のバイアス状態に応じて、正または負の電圧を遮断できます。また、順方向および逆方向のいずれにも同等の効率で電流を流します。
  3. ゲート ドライブの複雑さを大幅に低減: フルブリッジの各レッグで、4つのディスクリートFETに独立した絶縁ドライバ信号を配線する代わりに、モノリシック デバイスによりレイアウト最適化が容易になります。これにより寄生ループ インダクタンス (Lg、Ls) が最小化され、高速dv/dtスイッチング時の電圧リンギングが低減されます。

このモノリシック設計を支えるHEMT構造と2DEGチャネルについて、さらに詳しくご覧ください。

標準トランジスタとモノリシックBDSの比較図。上: ドレイン (D) 端子とゲート (G) 端子を備えた2つの標準トランジスタをバックツーバックに積層した構成。4つの特性 (電圧遮断は一方向のみ、電流は両方向に導通、1つのゲートで2つの動作モード、単段コンバーターにはバックツーバックの2デバイスが必要) を示します。矢印は下のセクションを指しています。下: 2つのゲート (G1、G2) 、2つの端子 (S1、S2) 、および基板 (Sub) を備えた単一のモノリシックGaN双方向スイッチ (BDS) シンボル。4つの特性 (対称構造の横型デバイスとしてのGaNは単一ダイ上にモノリシックBDSを構築する最適な方法、両方向の電圧遮断、両方向の制御された電流導通、4つの動作モードを持つ2つのゲート) を示します。
モノリシックGaN双方向スイッチ (BDS) の回路記号。2つのソース/ドレイン端子 (S1、S2) 、2つの独立したゲート (G1、G2) 、および基板端子 (Sub) を備えた単一デバイスを示します。

モノリシックGaN双方向スイッチ (BDS) の回路記号。2つのソース/ドレイン端子 (S1、S2) 、2つの独立したゲート (G1、G2) 、および基板端子 (Sub) を備えた単一デバイスを示します。

 

標準トランジスタとモノリシックBDSの比較図。

上: ドレイン (D) 端子とゲート (G) 端子を備えた2つの標準トランジスタをバックツーバックに積層した構成。4つの特性 (電圧遮断は一方向のみ、電流は両方向に導通、1つのゲートで2つの動作モード、単段コンバーターにはバックツーバックの2デバイスが必要) を示します。矢印は下のセクションを指しています。

下: 2つのゲート (G1、G2) 、2つの端子 (S1、S2) 、および基板 (Sub) を備えた単一のモノリシックGaN双方向スイッチ (BDS) シンボル。4つの特性 (対称構造の横型デバイスとしてのGaNは単一ダイ上にモノリシックBDSを構築する最適な方法、両方向の電圧遮断、両方向の制御された電流導通、4つの動作モードを持つ2つのゲート) を示します。

モノリシックGaN BDSをシングルステージAC/DCマトリックス トポロジーに適用することで、OBC設計は電力密度、効率、コストを大幅に改善できます。

  • DCリンク バッファの排除: シングルステージ トポロジーでは、固定の中間DC電圧バスを介さずに、エネルギーをACからDCへ直接変換します。リップル処理のために小型の高周波フィルタリング コンデンサは依然として必要ですが、大型の電解またはフィルムのDCリンク コンデンサは不要になります。これにより、OBCの体積と重量が大幅に削減されます。
  • 部品点数の削減: 4～8個の個別の単方向スイッチを、ほぼ半分の数のモノリシックGaN BDSパッケージに置き換えることで、部品点数を削減し、ゲートドライバのバイアス電源を簡素化し、必要なプリント基板 (PCB) 面積を縮小できます。
  • 電力密度と効率の向上: より高い周波数で動作することで、磁気部品 (トランスおよびEMIフィルター) のサイズを小型化できます。ゼロ逆回復 (Qrr) と低ゲート電荷 (Qg) を組み合わせることで、400 V EVバッテリー充電コンバーターにおける単段GaN OBCは、ソフトスイッチング動作とGaNデバイスの低スイッチング損失により、98%超のピーク効率を達成し、充電範囲全体で97%以上の効率を維持します。

この構成の利点を定量化するために、3相ACグリッドで動作し、公称400 Vのバッテリー パックを充電する11 kWの双方向OBCを例に考えます。

シングルステージ マトリックス コンバーターの主な課題は、入力側の双方向AC電圧を管理することです。標準的なディスクリート パワー半導体は、一方向の電圧しか遮断できません。AC波形を扱うには、電圧を遮断し、電流を両方向に導通できる双方向スイッチ (BDS) が必要です。

従来のディスクリート部品を使用する場合、2つのトランジスタを背中合わせに接続する必要があります (共通ソース構成または共通ドレイン構成) 。

Ndiscrete = 2 x Nswitches

この構成では、電流が2つの独立したトランジスタ チャネルを通過する必要があるため、合計RDS(on) が2倍となり、導通損失が増加します。

Pcond = IRMS2 x (2 x RDS(on))

さらに、この構成では、部品点数、ゲート駆動回路、およびプリント基板 (PCB) の占有面積が2倍になります。

GaN技術により、独自の代替手段であるモノリシック双方向スイッチ (BDS) が実現します。

GaNは、シリコン基板上のAlGaN/GaNヘテロ構造に基づく横型デバイス構造であるため、インフィニオンは、単一のドリフト領域を共有する2つの独立したゲートを備えた単一デバイスを開発しました。

このモノリシック構成により、いくつかの性能上の利点が得られます。

  1. ドリフト領域共有による導通: 電流は単一の連続した2DEGチャネルを流れます。モノリシックBDSの総オン抵抗は、バックツーバック構成で抵抗が2倍になるのではなく、標準的なディスクリートGaN HEMT 1個のオン抵抗に匹敵します。伝導損失は約50% 低減します。
  2. 真の4象限動作: このモノリシック デバイスは、隣接するチャネルに対するゲート1およびゲート2のバイアス状態に応じて、正または負の電圧を遮断できます。また、順方向および逆方向のいずれにも同等の効率で電流を流します。
  3. ゲート ドライブの複雑さを大幅に低減: フルブリッジの各レッグで、4つのディスクリートFETに独立した絶縁ドライバ信号を配線する代わりに、モノリシック デバイスによりレイアウト最適化が容易になります。これにより寄生ループ インダクタンス (Lg、Ls) が最小化され、高速dv/dtスイッチング時の電圧リンギングが低減されます。

このモノリシック設計を支えるHEMT構造と2DEGチャネルについて、さらに詳しくご覧ください。

標準トランジスタとモノリシックBDSの比較図。上: ドレイン (D) 端子とゲート (G) 端子を備えた2つの標準トランジスタをバックツーバックに積層した構成。4つの特性 (電圧遮断は一方向のみ、電流は両方向に導通、1つのゲートで2つの動作モード、単段コンバーターにはバックツーバックの2デバイスが必要) を示します。矢印は下のセクションを指しています。下: 2つのゲート (G1、G2) 、2つの端子 (S1、S2) 、および基板 (Sub) を備えた単一のモノリシックGaN双方向スイッチ (BDS) シンボル。4つの特性 (対称構造の横型デバイスとしてのGaNは単一ダイ上にモノリシックBDSを構築する最適な方法、両方向の電圧遮断、両方向の制御された電流導通、4つの動作モードを持つ2つのゲート) を示します。
モノリシックGaN双方向スイッチ (BDS) の回路記号。2つのソース/ドレイン端子 (S1、S2) 、2つの独立したゲート (G1、G2) 、および基板端子 (Sub) を備えた単一デバイスを示します。

モノリシックGaN双方向スイッチ (BDS) の回路記号。2つのソース/ドレイン端子 (S1、S2) 、2つの独立したゲート (G1、G2) 、および基板端子 (Sub) を備えた単一デバイスを示します。

 

標準トランジスタとモノリシックBDSの比較図。

上: ドレイン (D) 端子とゲート (G) 端子を備えた2つの標準トランジスタをバックツーバックに積層した構成。4つの特性 (電圧遮断は一方向のみ、電流は両方向に導通、1つのゲートで2つの動作モード、単段コンバーターにはバックツーバックの2デバイスが必要) を示します。矢印は下のセクションを指しています。

下: 2つのゲート (G1、G2) 、2つの端子 (S1、S2) 、および基板 (Sub) を備えた単一のモノリシックGaN双方向スイッチ (BDS) シンボル。4つの特性 (対称構造の横型デバイスとしてのGaNは単一ダイ上にモノリシックBDSを構築する最適な方法、両方向の電圧遮断、両方向の制御された電流導通、4つの動作モードを持つ2つのゲート) を示します。

モノリシックGaN BDSをシングルステージAC/DCマトリックス トポロジーに適用することで、OBC設計は電力密度、効率、コストを大幅に改善できます。

  • DCリンク バッファの排除: シングルステージ トポロジーでは、固定の中間DC電圧バスを介さずに、エネルギーをACからDCへ直接変換します。リップル処理のために小型の高周波フィルタリング コンデンサは依然として必要ですが、大型の電解またはフィルムのDCリンク コンデンサは不要になります。これにより、OBCの体積と重量が大幅に削減されます。
  • 部品点数の削減: 4～8個の個別の単方向スイッチを、ほぼ半分の数のモノリシックGaN BDSパッケージに置き換えることで、部品点数を削減し、ゲートドライバのバイアス電源を簡素化し、必要なプリント基板 (PCB) 面積を縮小できます。
  • 電力密度と効率の向上: より高い周波数で動作することで、磁気部品 (トランスおよびEMIフィルター) のサイズを小型化できます。ゼロ逆回復 (Qrr) と低ゲート電荷 (Qg) を組み合わせることで、400 V EVバッテリー充電コンバーターにおける単段GaN OBCは、ソフトスイッチング動作とGaNデバイスの低スイッチング損失により、98%超のピーク効率を達成し、充電範囲全体で97%以上の効率を維持します。

この構成の利点を定量化するために、3相ACグリッドで動作し、公称400 Vのバッテリー パックを充電する11 kWの双方向OBCを例に考えます。

400 Vトラクション インバーター用単方向GaNパワーデバイス

OBCは、Vehicle-to-Grid (V2G) およびVehicle-to-Home (V2H) アプリケーションをサポートするために双方向の電力供給を必要としますが、主要なトラクション インバーターは依然として主に単方向です。これは、直流バッテリー電力を3相AC信号に変換して推進モーターを駆動することに重点を置いています。GaNを用いることで、EVは航続距離を延ばす、またはバッテリーのサイズとコストを削減できます。

回生ブレーキ時には、電力は逆方向 (ACからDC) に流れます。ただし、この動作は、同期整流ルーチンを用いた標準的な3相ブリッジ構成で直接処理されます。複雑なマトリックス スイッチや双方向遮断機能は不要です。したがって、標準的な単方向ディスクリートGaN FET (HEMT) またはマルチチップGaNパワーモジュールが、この用途に適しています。

GaN FETのスイッチング動作と、シリコンより優れた性能を発揮する理由について詳しくご覧ください。

トラクション インバーターの設計における主な課題は、電流処理能力です。400 V DCバスで動作する一般的な150 kWトラクション インバーターでは、350 ARMSを超える連続相電流が必要で、最大加速電流は500 A～600 Aに達します。

最新の車載用GaN設計は、以下によってこれらの課題に対処しています。

  • RSP イノベーション: 高度な設計と製造により、非常に低い公称オン抵抗 (RDS(on) ≤ 10 mΩ) を備えたシングルダイ デバイスを実現します。
  • 基板非依存プロセス: GaN-on-Silicon IDMプロセスを活用することで、低コストで高い製造歩留まりを実現できます。
  • 低インダクタンス SMT パッケージ: 表面実装技術 (SMT) パッケージは、ソースおよびドレインの浮遊インダクタンスをピコヘンリーレベル (< 0.5 nH) まで最小限に抑えます。
  • 直接銅めっき (DPC) & 焼結: ワイヤー ボンドを上面銅クリップと銀焼結ダイ アタッチメントに置き換えることで、熱抵抗 (θJC ≤ 0.15 ℃/W) を低減できます。これにより、ディスクリート パッケージあたり100 Aを超える安定した連続電流定格が可能になります。

高出力トラクションなどの要求の厳しい電力用途向けには、単一の低インダクタンス電力モジュール内で複数のGaNダイを並列化した電力モジュールも、別の実装例です。この手法では、GaNの高速スイッチングの利点を維持しながら電流を分散できます。

従来型のインバーターでは、シリコンIGBTは一般に8 kHz～15 kHzでスイッチングします。この低周波数により、基本正弦波励起周波数 (ffund) に対して大きな高周波高調波を含む、階段状で歪んだ電流波形が生じます。

これらの電流高調波 (3次、5次、7次、11次など) は、有用な機械的トルクを生み出しません。その代わりに、固定子コアおよび回転子構造内に寄生磁場を生じさせ、追加損失につながります。

  1. コア損失 (ヒステリシス損失および渦電流損失) : 周波数および高調波磁束密度に対して指数関数的に増加します。
  2. 回転子の高周波銅損: 表皮効果と近接効果により、高調波電流がローター バーまたは永久磁石保持スリーブの外面に集中し、局所的な発熱を引き起こします。

Peddy ∝ f2 x B2

Si IGBTをGaN HEMTに置き換えることで、スイッチング損失に大きな影響を与えることなく、インバーターのスイッチング周波数を40 kHz～100 kHzまで高めることができます。この高周波動作には、いくつかの利点があります。

  • 電流リップルが低減され、純正弦波により近い滑らかな波形になります。
  • 全高調波歪み (THD) が大幅に低下します。
  • 高周波に起因するモーターのコア損失およびローター損失が最大40～60% 低減され、パワートレイン全体の効率が向上します。

この効率改善は、実走行での航続距離に直接影響します。標準的な市街地および高速道路の走行サイクル全体で平均インバーター効率が1.5%～2.5% 向上するだけでも、OEMは同じ定格航続距離を維持したまま、バッテリーの物理容量を1.5～2.5 kWh削減できます。これにより、量産規模で大幅なコスト削減が得られます。

トラクション インバーターの設計における主な課題は、電流処理能力です。400 V DCバスで動作する一般的な150 kWトラクション インバーターでは、350 ARMSを超える連続相電流が必要で、最大加速電流は500 A～600 Aに達します。

最新の車載用GaN設計は、以下によってこれらの課題に対処しています。

  • RSP イノベーション: 高度な設計と製造により、非常に低い公称オン抵抗 (RDS(on) ≤ 10 mΩ) を備えたシングルダイ デバイスを実現します。
  • 基板非依存プロセス: GaN-on-Silicon IDMプロセスを活用することで、低コストで高い製造歩留まりを実現できます。
  • 低インダクタンス SMT パッケージ: 表面実装技術 (SMT) パッケージは、ソースおよびドレインの浮遊インダクタンスをピコヘンリーレベル (< 0.5 nH) まで最小限に抑えます。
  • 直接銅めっき (DPC) & 焼結: ワイヤー ボンドを上面銅クリップと銀焼結ダイ アタッチメントに置き換えることで、熱抵抗 (θJC ≤ 0.15 ℃/W) を低減できます。これにより、ディスクリート パッケージあたり100 Aを超える安定した連続電流定格が可能になります。

高出力トラクションなどの要求の厳しい電力用途向けには、単一の低インダクタンス電力モジュール内で複数のGaNダイを並列化した電力モジュールも、別の実装例です。この手法では、GaNの高速スイッチングの利点を維持しながら電流を分散できます。

従来型のインバーターでは、シリコンIGBTは一般に8 kHz～15 kHzでスイッチングします。この低周波数により、基本正弦波励起周波数 (ffund) に対して大きな高周波高調波を含む、階段状で歪んだ電流波形が生じます。

これらの電流高調波 (3次、5次、7次、11次など) は、有用な機械的トルクを生み出しません。その代わりに、固定子コアおよび回転子構造内に寄生磁場を生じさせ、追加損失につながります。

  1. コア損失 (ヒステリシス損失および渦電流損失) : 周波数および高調波磁束密度に対して指数関数的に増加します。
  2. 回転子の高周波銅損: 表皮効果と近接効果により、高調波電流がローター バーまたは永久磁石保持スリーブの外面に集中し、局所的な発熱を引き起こします。

Peddy ∝ f2 x B2

Si IGBTをGaN HEMTに置き換えることで、スイッチング損失に大きな影響を与えることなく、インバーターのスイッチング周波数を40 kHz～100 kHzまで高めることができます。この高周波動作には、いくつかの利点があります。

  • 電流リップルが低減され、純正弦波により近い滑らかな波形になります。
  • 全高調波歪み (THD) が大幅に低下します。
  • 高周波に起因するモーターのコア損失およびローター損失が最大40～60% 低減され、パワートレイン全体の効率が向上します。

この効率改善は、実走行での航続距離に直接影響します。標準的な市街地および高速道路の走行サイクル全体で平均インバーター効率が1.5%～2.5% 向上するだけでも、OEMは同じ定格航続距離を維持したまま、バッテリーの物理容量を1.5～2.5 kWh削減できます。これにより、量産規模で大幅なコスト削減が得られます。

GaNトポロジーとデバイス選定の要点

窒化ガリウムはもはや新興技術ではなく、持続可能なeモビリティの未来を支える重要な触媒です。自動車業界がさらなる高効率化、車両の軽量化、より分散型のエネルギーグリッドへと向かう中、インフィニオンのGaNパワー半導体は、最先端で市場をリードするEV電力システムの設計に必要な、信頼性の高い車載認定ソリューションを自動車設計者およびエンジニアに提供します。

車載充電器では、モノリシック双方向スイッチ (BDS) を用いたシングルステージ マトリックス トポロジーにより、従来の2段構成が不要になります。これにより中間DCリンクが不要になり、部品点数を削減し、導通損失を低減して、高電力密度を実現します。

トラクション インバーターでは、GaNパワー トランジスタとそのアーキテクチャにより、高スイッチング周波数が可能になり、モーター高調波損失を低減して、全体的な熱性能を向上させます。この機能により、dv/dtによる劣化を軽減しつつ、モーターの絶縁およびベアリングを保護する、小型の一体型正弦波出力フィルターを実現できます。

軽量化、省スペース化、車両の総製造コスト低減などのシステムレベルの利点により、GaNコンポーネントは次世代の電動モビリティにおける重要技術として位置付けられます。

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GaNトポロジーとデバイス選定に関するよくある質問

GaN BDSとは何ですか？

GaN BDS (窒化ガリウム双方向スイッチ) は、両方向で電圧を遮断でき、かつ電流を両方向に導通できる高度なGaNパワー スイッチです。

単一のモノリシック チップ上に2つのスイッチング チャネルを統合しています。

双方向性により、電力は電力網から車両へ (G2V) 、および車両から電力網、家庭、または負荷へ (V2G、V2H、V2L) 流すことができます。

OBC (オンボードチャージャー) は、電力網からのAC電力を高電圧DC電力に変換し、EVの駆動用バッテリーを安全に充電します。

従来のOBCトポロジーは、一般的に複雑な「2段」構成を採用しています。これは、AC/DC力率改善 (PFC) 段の後段にDC/DC共振コンバーターを配置し、その間を大型でかさばるDCリンク コンデンサーで分離するものです。

GaN BDSにより、革新的な「シングルステージ」双方向トポロジーが可能になります。PFC段とDC/DC段を分ける代わりに、ACを補正されたACまたはDCに直接変換できるため、複数の大型中間部品を削減できます。

GaN BDSを利用した多くの単段トポロジーでは、かさばって高価な電解DCリンク コンデンサーを完全に排除するか、大幅に削減できます。

EVのトラクション インバーター (GaNトランジスタで構成される場合、窒化ガリウム トラクション インバーターと呼ばれることが多い) は、パワートレインの重要なコンポーネントです。

高電圧バッテリーからの直流 (DC) を交流 (AC) に変換し、電気推進モーターを駆動します。

GaNトランジスタは、従来のシリコン トランジスタと比較して、スイッチング損失が大幅に低く、エネルギー効率が高く、スイッチング速度が速いという特長があります。

これは、自動車メーカーが求める航続距離の延長に直接応えるものです。

GaNトラクション インバーターは、ピーク効率が最大98% に達します。これは、一般的な走行サイクルにおいて、従来のシリコンIGBTソリューションと比較して電力損失を約40% 低減できることを意味します。

GaNの高効率により、加速時および減速時のエネルギー損失が低減されます。この最適化により、同じバッテリー容量のままEVの航続距離を最大5% 延長できます。

GaNにより、電力密度を33%～50% 向上できます。トランジスタのスイッチングが高速なため、内部コンデンサー、バスバー、筐体のサイズを大幅に縮小でき、より軽量でコンパクトなシステムを実現できます。

スイッチング周波数が高いほど、より滑らかで正弦波に近い電流波形が得られます。

これにより、モーター巻線の全高調波歪み (THD) が大幅に低減され、モーターの鉄損が減少し、回転子の動作温度が低下します。

はい。EVのモーターに必要な数百kWの出力を得るために、複数のGaNダイを並列駆動します。