SIC+SI混合炭素融合インバーター・概念からシステムソリューションの実装へのパノラマ分析

SIC+SI混合炭素融合インバーター・概念からシステムソリューションの実装へのパノラマ分析

はじめに：電気自動車技術の急速な進歩により、電力装置の革新と最適化は、業界の進歩の重要な要因となっています。 SIC（シリコン炭化物）およびSI（シリコン）多変数ハイブリッドインバーターテクノロジーは、非常に将来を見据えた革新的な成果として、電気自動車部門で徐々に顕著になっています。

I：市場にはどのようなインバーターが必要ですか？

1. Chinaの電気自動車開発動向と電力半導体の需要

中国の電気自動車市場は爆発的な成長の段階に入り、新しいエネルギーへの世界的な移行において極めて重要なドライバーとして浮上しています。以下のチャートに示すように、2013年から2024年までの10年間で、売上高は、政策支援、消費者環境意識の高まり、技術の進歩によって推進され、数千から1287万台に急増しました。乗用車は、EVの市場シェアが着実に上昇し続けており、電気自動車は2024年までに新自動車販売の40.9％を占めています。市場は、政策主導のイニシアチブから需要主導の成長に変化し、消費者の受け入れは前例のないレベルに達しています。

市場セグメントでは、PHEVとReevは過去2年間で84.69％の成長率を達成しました。彼らの「柔軟な充電」機能 - 都市の通勤のための純粋な電気モードを使用して、範囲の不安を軽減するために長距離旅行に燃料駆動の充電を採用しながらコストを削減しながら、多様なユーザーシナリオを採用しています。電圧プラットフォームに関して、800Vの高電圧プラットフォームの市場シェアは、2025年の2％から2025年までに15％に急増しました。急速な充電能力（300kWを超える）および大幅なエネルギー効率の改善により、プレミアム車の需要を効果的に満たしています。

消費者の電気自動車の要求がますます多様化するにつれて、「より大きなキャビンスペース」と「より強力な出力」を好む好みが高まっています。この傾向は、パワートレインの進化を「より小さく、より強力で、より効率的で、より費用対効果が高い」ことになります。市場動向を分析した後、インバーターの主要なパフォーマンスメトリック（電気駆動システムのコアコンポーネント）はどのように開発されていますか？インバーターKPI進化のロードマップを詳細に調べてみましょう。

2：インバーターKPI開発ロードマップ：レート半導体イノベーションの方向

電気自動車の重要なコンポーネントとして、トラクションインバーターは、車両の出力、エネルギー効率、および運転体験を直接決定します。彼らのパフォーマンスを最適化することは、自動車メーカーとサプライヤーが競争力を高めるための重要な戦略となっています。インバーターの重要なKPIを調べてみましょう。コスト効率、電力密度、サイクル効率です。これらの分野の現在の開発動向は何ですか？

以下のチャートは、2019年から2027年までのインバーターコアKPIの変化する傾向を示しています。「インバーターKPIロードマップ」を通じて、はっきりとキャプチャできます。

■コスト：2019年以降、SI IGBTの価格は65％減少し、SICの価格はある程度減少しましたが、SI IGBTの約2.5〜3倍高価です。

■電力密度：インバーターの電力密度曲線は、2019年の37 kW/Lから2027年の100 kW/Lに上昇傾向を示し、よりコンパクトで効率的なインバーター設計を実現するのに役立ちます。

■CLTC-P効率：SICの効率曲線は、2019年の95.8％から2027年の99.2％に増加すると予想されます。 SIの効率も改善されていますが、SICの効率よりも常に低くなっています。

3.これらのKPIの変化に影響する要因は何ですか？いくつかの主な側面があります（次の焦点ポイント）：

■統合技術の開発：IC統合、機械的統合、接続の削減などを含む - >システム構造の簡素化、不必要なエネルギーの損失と信号干渉を減らし、コストを削減し、システムの信頼性と電力密度を改善するのに役立ちます

■サプライチェーンの安定性と最適化：スケール効果、内部設計、ローカル供給およびその他の要因は、コストを効果的に制御し、コンポーネントの安定した供給を確保することができます。生産スケールを拡大し、サプライチェーンレイアウトを最適化することにより、SICとSIコンポーネントのコストを削減できます

■革新的なアプローチ：PCB構成へのチップ埋め込み、ソフトウェアアルゴリズム（例：DPWM、四角い波制御、キャリア周波数最適化、勾配コントロール）、次世代SI/SI/SICチップテクノロジー、低漏れインダクタパッケージングとレイアウト、統合電力デバイス、3レベルのトップロジーを統合するソリッドトポロジーを強化します。したがって、インバーターのパフォーマンスの飛躍は、「シングルポイントブレークスルー」から「システムの相乗効果」に進化するパワーデバイステクノロジーから、SIベースのIGBTの大規模なコスト削減、SICの効率的なブレークスルー、およびさまざまな革新的な技術の相乗効果を「3次元の競争力」を集合的に形成することを知覚できます。この変革では、コスト、効率、統合で「トリプル最適化」を達成した人は誰でも、電気自動車駆動システムのイニシアチブを押収し、業界をより高次元の段階に導きます。

II：SI/SICハイブリッドスイッチのトポロジ

ハイブリッドスイッチは、Si IGBTとSIC MOSFETで構成されています。合理的なトポロジの設計と運転戦略を通じて、両方の利点は補完的です。したがって、トポロジ構造の設計定義が重要です！

このトポロジは、デバイスのスイッチング容量を高めるだけでなく、伝導とスイッチングの損失を減らし、それによりシステム全体のパフォーマンスと効率を改善します。したがって、さまざまなトポロジを分析し、インバーターのハイブリッドスイッチの実際のアプリケーションを研究して、インバーターの効率と信頼性を高める上で重要な効果を示すことが不可欠です。

SI/SIC混合スイッチデバイスの特性

さまざまなハイブリッドドライブトポロジーを調査した後、この分析では、技術的アプローチを詳述するために、SI IGBTおよびSIC MOSFET構成に焦点を当てます。まず、3つの基本的な質問を理解することから始めましょう。SIIGBTのスイッチング特性とSIC MOSFETを組み合わせていますか？これらの特性がユニークな理由は何ですか？また、最適なパフォーマンスを実現するために、個々の強みを活用するにはどうすればよいですか？

伝導特性：それらの明確な物理構造により、IGBTとSIC MOSFETは、下の図に示すように異なる出力特性曲線を示します。 SIC MOSFETSはより抵抗性の伝導特性を示し、IGBTは顕著な膝電圧（膝電圧）の挙動を特徴としています。この技術的な違いは、2つのデバイス間の明確な伝導損失特性として現れます。

低電流では、SIC MOSFETの損失は小さくなっています。電流が大きい場合（曲線の交差点上）、IGBTの損失は小さくなります。

IGBTおよびSIC MOSFET伝導特性

スイッチング特性：IGBTは双極デバイスであり、少数派のキャリアの組換えは、電源を切ると間違いなく後続の電流を引き起こし、その結果、減量のスイッチング特性が低下します。ただし、SIC MOSFETはスイッチング速度が高く、後続の電流がないため、その切り替え損失はIGBTと比較して明らかな利点があります

結論として、SIC MOSFETデバイスには、すべての負荷条件下で圧倒的なパフォーマンスの利点がありません。 SIC MOSFETとSI IGBTを選択する際に、壊れているポイントを考慮する必要があることを理解するのは簡単です。

3：ハイブリッドスイッチのタイミング管理と制御戦略

デバイスの特性を深く理解し、システムレベルでそれらを適用する適切な方法を理解したら、次のステップはこれらのデザインのアイデアを実装する方法を検討することです。現在の比率、タイミング管理、および制御戦略の3つの重要な問題があります。

1.現在の比率は本質的に対処します。安全な動作を確保しながら、電源スイッチの出力能力を最大化する方法は？ケーススタディとしてInfineonの1200Vデバイスを使用して、この分析は、デュアルチューブパラレルデュアルパルステストプラットフォーム上の4つのハイブリッドデバイスの実際の切り替え性能を示しています。結果は、現在の容量がさまざまなハイブリッド電流比の下での分布にどのように影響するかを示していると同時に、デバイスの安全な動作範囲を考慮しています。

2。SI/SICデバイスの特性の詳細な説明：2.5非同期スイッチングにおける最適な損失

クロッキング管理は、SI/SICハイブリッドスイッチ設計の重要なコンポーネントです。 SI IGBTとSIC MOSFETのスイッチングタイミングを正確に制御することにより、IGBTでゼロ電圧スイッチング（ZVS）を達成できるため、スイッチング損失が大幅に減少します。重要な質問は、非同期スイッチング戦略を通じてハイブリッドスイッチの損失を最適化する方法です。さまざまなスイッチングモード（タイミングの選択肢の切り替え）は何ですか？さまざまなターンオンとターンオフの遅延は、ハイブリッドスイッチの州内および州外の損失にどのように影響しますか？これらは、対処する必要がある重要な側面です。

最後に、高度なタイミング管理機能を組み込んでいる間、SIC MOSFETおよびSI IGBTの同期または非同期操作を可能にする市場で利用可能ないくつかの革新的なハイブリッドドライバーICを導入します。これらのICSは、ハイブリッドデバイス全体のスイッチングパフォーマンスを最適化し、システムの効率と信頼性を向上させることにより、オン/オフ遅延時間と優先順位シーケンスをリアルタイムで調整することにより、スイッチングパフォーマンスを最適化します。

結論

上記の紹介からわかるように、SIC-SIハイブリッドパワー半導体の技術的方向を完全かつ体系的に理解するために、私たちの全体的なアイデアは3つのステップを踏むことです。

ステップ1：最も基本的なコンポーネントから始めます。まずそれらを深く理解し、次に議論してください：彼らの個々の特性は何ですか？それらはどのように並行して機能しますか？これらのコンポーネントの特性を使用して、システムパフォーマンスを最適化するにはどうすればよいですか？

ステップ2：異なるスイッチングモードでデバイスの特性とパフォーマンスを理解した後、インバーターレベルに移動します。デバイスレベルでの分析に基づいて、このセクションでは、最適化されたSIC/SI比を通じてトランジスタ出力特性を最大化し、アプリケーション条件に合わせた駆動戦略を介して、システム効率を高め、電力損失を低下させる方法について説明します。さまざまな負荷条件下でSIC MOSFETおよびSI IGBTの現在のキャリー機能を完全に活用して、効率とパフォーマンスの間の最適なバランスを達成するにはどうすればよいですか？

パートIII：デバイスの特性とシステムレベルのアプリケーションアプローチを完全に理解したことで、次の重要な問題は、これらの設計概念をどのように実装するかです。このセクションでは、ドライバーICと回路設計に焦点を当てた、適切に設計された制御戦略とドライバー回路アーキテクチャを通じて、ハイブリッドSIC-SIパワーデバイスの効率的な動作を実現する方法を検討します。

最終的に、重要な問題は残っています。電気自動車のSI/SICハイブリッドスイッチの実用的なアプリケーションと将来の見通しは何ですか？ EV市場が拡大し続け、新しいエネルギー技術が進行するにつれて、高効率、高出力密度、および信頼性の高いスイッチングデバイスの需要が成長し続けます。優れたパフォーマンスとコストの利点により、SI/SICハイブリッドスイッチはすぐに支配的なスイッチングソリューションになる可能性があり、製品の革新と技術のアップグレードに新たな勢いを注入します。