ゼロエミッションの未来を実現するため、自動車業界は抜本的な変革を迫られています。自動車メーカーは差別化された電動モデルの投入を加速しなければなりません。NXPはWolfspeedと協力し、完全に検証済みの800Vトラクションインバータリファレンスデザインを発表しました。これにより、電気自動車のシステムアーキテクトは多くの技術的障壁を克服できます。

パワーインバータモジュールの解析

自動車パートナーを支援し、自動車の電動化を加速するため、NXPとWolfspeedは共同で完全に検証済みの800Vトラクションインバータリファレンスデザインを発表しました。このデザインは、電気自動車のシステムアーキテクトが、システム効率を向上させるための適切な部品選定、機能安全認証基準への適合、長期的な信頼性確保など、複数の課題を効果的に克服するのに役立ちます。

電気自動車トラクションインバータリファレンスデザインは、Arm® Cortex®-M7ベースのS32K39 MCU、機能安全対応の電源管理FS26システムベースチップ、そして最新世代の高圧絶縁ゲートドライバGD3162を統合した完全なシステムソリューションです。このシステムを完成させるために、デザインにはWolfspeedの1200V 6パックYM SiCパワーモジュールも含まれています。

NXPのリファレンスデザインとWolfspeedのSiCパワーモジュールに基づく完全なECUソリューション

この電気自動車トラクションインバータリファレンスデザインは、Wolfspeedミュンヘン研究所にて、ハードウェアインザループ（HIL）装置を用いて共同テストが行われました。800Vバッテリー動作条件下で、ピーク出力は300kWを超えました。

実験室HIL設定でのテスト結果

効率的な設計：動的ゲート強度で異なる電力需要に対応

実験室シミュレーションの結果、NXPの高圧ゲートドライバの独自機能により、全体の効率が約1%向上しました。この機能により、設計者はリアルタイムの動作状況に応じてゲート駆動信号の強度を動的に調整し、効率、スイッチング速度、電磁両立性のバランスを取ることができます。世界統一軽自動車テスト手順（WLTP）のいくつかのモデルによると、従来の電気自動車ソリューションと比較して、この設計は航続距離を約14マイル延長できる可能性があります。

エネルギー効率向上の結果

機能安全を考慮した設計：デバイス資料を超えた、システムの機能安全資料

機能安全（FuSA）に関しては、コンプライアンスコンポーネントの設計は常に高品質と高信頼性を最優先としています。安全性は、設計、製造、文書化、および技術サポートのすべての段階にわたっています。電気自動車トラクションインバータリファレンスデザインでは、高いリスクレベルASIL Dに適合する主要コンポーネント（NXPのS32K396 MCU、FS2633システムベースチップ、GD3162高圧ゲートドライバなど）が採用されています。顧客の統合プロセスをさらに簡素化するため、このデザインは、仮定された安全目標からハードウェアおよびソフトウェアレベルの安全要件に至るまで詳細に説明したシステム安全コンセプトなどのFuSa文書も提供しています。

信頼性が高く長持ちする優れた設計を実現

800Vトラクションインバータの実現には、シリコンカーバイドソリューションが必要です。従来のシリコンIGBTと比較して、SiC材料は本質的により信頼性が高く耐久性があります。Wolfspeedはこの機会を鋭く捉え、先進的なパッケージング技術を自動車グレードのYMパッケージに組み込み、システムの耐久性をさらに向上させました。

1200V 6パックYM SiCパワーモジュールは、直接冷却銅ピンフィン基板設計を採用しています。ピンフィンを直接冷媒に浸すことで、システムの組み立てを簡素化するだけでなく、熱性能を大幅に向上させています。さらに、モジュールは窒化ケイ素基板を使用しており、この堅牢なセラミック材料は優れた耐熱衝撃性と耐摩耗性を備え、チップが発生する熱を効率的に放散し、システムの動作温度を低減します。もう一つの革新的なパッケージング機能は、焼結チップ接合技術です。この高度なチップ接合方法は、チップと窒化ケイ素基板の間に強固な結合を形成し、優れた熱伝導性と機械的耐久性を確保し、より高い出力をサポートし、優れた熱サイクル性能を提供します。直接冷却銅ピンフィン技術と焼結チップ接合技術は、熱性能とシステム寿命をともに向上させます。

YMモジュールは、銅トップサイドクリップを従来のボンディングワイヤの代わりに使用することで、モジュールの通電容量とパワーサイクル寿命を大幅に向上させています。同時に、最適化された端子レイアウトにより、パッケージインダクタンスを効果的に低減し、電圧オーバーシュートを抑え、超低スイッチング損失を実現しています。潜在的な機械的故障リスクを低減するため、自動車グレードのYMモジュールは硬質エポキシ樹脂でパッケージされています。ゲルベースのパッケージと比較して、エポキシ成形コンパウンドは優れた防湿性能を提供するだけでなく、より高い構造的完全性を備えています。焼結チップ接合、銅クリップ、エポキシ成形コンパウンドを組み合わせることで、競合他社の製品と比較して、モジュールの寿命は最大3倍に延長されます。

Wolfspeedの6パックYM-SiCパワーモジュール

これらの先進的なパッケージング技術は、AQG324認証を受けたYM3パワーモジュールを支え、厳しい自動車環境での動作課題に効果的に対応します。この設計は、性能の一貫性を確保するだけでなく、モジュールに卓越した耐久性を付与します。

NXPの製品

NXPとWolfspeedが協力して開発した800Vトラクションインバータリファレンスデザインは、自動車業界の電動化に向けた重要な一歩を示しています。このリファレンスデザインは、電気自動車の設計者が直面する重要な課題（エネルギー効率の向上、機能安全、長期的な信頼性など）に対処し、電気自動車の性能がガソリン車に匹敵するか、それを上回ることを保証します。動的ゲート強度調整技術と先進的なシリコンカーバイドパワーモジュールにより、このリファレンスデザインは、高品質でエネルギー効率が高く、安全な電気自動車を設計するための重要なツールとなり、そのライフサイクル全体にわたって優れた性能を維持することを可能にします。