世界中の多くの政府が電気自動車（EV）技術を積極的に推進している一方で、消費者の間では必ずしも熱狂的な支持を得ているわけではない。EVの普及を妨げる主な要因は、航続距離とコストの2点である。
EV設計において、航続距離を向上させる最も効果的な方法はバッテリー電圧を上げることであり、現在ほとんどのEVバッテリーは400V以下で動作している。これを800Vに高めることで、同じ電流でより多くの馬力を得られ、また特定の出力レベルにおけるシステム効率も向上する。
EVコスト削減の鍵となる手法は、パワーエレクトロニクスの効率性、特に電力密度（電力効率と全体サイズの比率）を向上させることである。 パワーエレクトロニクスの機能は、バッテリーから供給される高電圧直流（DC）を、車両内で必要とされる様々な形態に変換することである。これには、車輪を駆動するトラクションモーターに必要な三相交流（AC）や、車載充電器やその他のシステムに必要な様々なDC/DC変換が含まれる。
Designers SiC silicon carbide on the problem
What limits the use of higher battery voltages and prevents further improvements in system power density? A big part of the problem is that most power electronics utilize silicon semiconductor power switches. Silicon – which is used for integrated circuits in nearly every single piece of electronics gear we now have – simply doesn’t work well at high voltages and high temperatures. And these are exactly the conditions present in EV power electronics.
Fortunately, there’s alternative semiconductor material to silicon for these kinds of applications called silicon carbide (SiC). It has a set of electronic characteristics that make it ideally suited for use at the high voltages, temperatures and powers found in EV power electronics. The main properties and benefits of SiC for EV power electronics are summarized in the table.
不動産 |
説明 |
メリット |
 高温運転 |
SiC power devices have much higher operating temperatures and greater allowable junction temperatures than conventional silicon-based switches. SiC also has substantially better thermal conductivity than silicon. |
これにより冷却部品や大型の放熱材が不要となります。これにより車両のサイズ、重量、コストが削減されます。 |
 高電流容量 |
SiCパワーデバイスは、シリコンパワー部品に比べて最大5倍の高い電流密度を流すことができる。 |
これにより、チップ内での高電力密度化が可能となり、システムに必要な部品総数も減少します。これにより、トラクションインバーターのサイズ、コスト、複雑さが低減されます。 |
 高いスイッチング周波数 |
SiCベースのパワーデバイスは、高温・高電圧・高電力の動作条件下において、シリコン回路よりもはるかに高速にスイッチングが可能である。 |
高速スイッチングにより、コンデンサやインダクタなどの駆動用インバータに使用される受動部品のサイズとコストが削減される。 |
 高電圧容量 |
SiCスイッチは、シリコン製スイッチに比べて最大10倍の高電圧に耐えることができる。
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これにより、高電圧システムで必要な直列スイッチの数が最小限に抑えられ、結果としてシステムコストとサイズが低減されます。また、EV業界が800Vシステムへ移行することを支援し、車両の航続距離延長と充電時間の短縮を実現します。 |
Meeting the global demand for SiC
自動車メーカーはすでにSiCパワースイッチの利点を十分に認識している。もちろん、マイクロエレクトロニクスメーカーは、この発展する需要に応えるため、生産能力の拡大に取り組んでいる。
しかし、今後EV産業が目指す生産量とコスト目標に適合する高品質なSiCデバイスの製造は容易ではない。実際、数十年にわたる研究開発を経てもなお、高品質で大型かつ欠陥のないSiCウエハーの製造技術を習得したサプライヤーは、世界でもごくわずかしか存在しない。
さらに、自動車メーカーは理想的に、SiCベースのパワーコンポーネントを垂直統合されたベンダーから調達したいと考えています。つまり、ウェハー材料の成長から完成品パッケージデバイスの製造までを一貫して行う企業です。 材料基板とエピタキシー工程の所有権と管理権を保有する部品メーカーは、自動車メーカーやティアサプライヤーに対し、製品が確実に供給され、一貫した品質が維持されるという確信を与える。また、問題が発生した場合でも、サプライチェーン内のベンダー間で責任のなすり合いが生じることを防ぐ。
Coherent is one of the few companies worldwide with a complete, vertically integrated SiC manufacturing capability. We produce SiC wafers and epitaxy, all the way through power devices and modules. Furthermore, the unmatched quality with which we can produce SiC material makes Coherent virtually the only supplier positioned to successfully transition from the current standard wafer diameter of 150 mm up to 200 mm. The benefit of larger wafers is that it can significantly reduce the cost of devices.
Consumer acceptance of EVs requires that they deliver the same level of convenience and economy as traditional, gas-powered cars. This will require lowering initial purchase price and operating costs, plus increasing driving range and decreasing charging time. Vehicle power electronics based on the unique properties of SiC will play an important role in achieving every one of these goals. And efforts at Coherent to bring down the cost of SiC devices have us well on the road to success with this technology.
