利用SiC大幅实现小型化 安川电机试制新型EV行驶系统

　　安川电机试制出了利用SiC功率元件的电动汽车（EV）行驶系统（图1）。该系统由行驶马达及马达的驱动部构成。通过在驱动部采用SiC功率元件，使得驱动部的体积缩小到了原产品的一半以下。

　　此次展出的试制品以安川电机已经投产的电动汽车行驶系统“QMET”为原型。安川电机为马达及逆变器元件的大型供应商，由于该公司在行驶系统上采用了SiC功率元件，因此在“第二届EV及HEV驱动系统技术展”上该公司的展位前，众多参观者纷纷前来观看试制品。

　　QMET的马达驱动部由根据马达转速来切换线圈的电路及逆变器构成。线圈切换电路是安川电机的自主技术。据安川电机介绍，采用该技术，可实现在低转速区到高转速区的所有区域内高效行驶。

　　图1：在马达驱动部采用SiC
安川电机的电动汽车行驶系统“QMET”由行驶马达、逆变器及马达的线圈切换电路等驱动部构成（a，b）。通过将驱动部使用的功率元件由原来的Si制切换成SiC制，使驱动部的体积缩小到了原来的一半以下（c）。

　　现有的QMET在逆变器的主电路及马达的线圈切换电路上分别利用IGBT及称为功率二极管的Si制功率元件。此次将IGBT替换成了SiC MOSFET，功率二极管替换成了SiC肖特基二极管（SBD）。此次采用的均为罗姆的开发品（表1）。通过采用SiC功率元件，逆变器整体体积缩小到了原来的约1/3，线圈切换电路的体积缩小到了原来的一半以下。因此，由二者构成的驱动部的体积缩小到了原来的一半以下。

共用水冷机构

　　通过采用SiC功率元件可使逆变器及线圈切换线路实现小型化的理由大致有两个。第一个理由是可大幅削减电力损失。这是因为发热量会随着电力损失削减而减少，即使小型化导致热容减少，温度也不易升高。第二个理由是，SiC功率元件即使在200℃高温下也能工作。这样，可使热容进一步减少，从而进一步实现小型化。

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　　安川电机在利用SiC的这些特性的同时，还为进一步实现逆变器及线圈切换电路的小型化进行了精心改进。逆变器方面，将现有QMET利用的大型薄膜电容器切换成了小型层叠陶瓷电容器。

　　线圈切换部简化了冷却机构。此前一直配置专用的水冷机构，但此次省去了这一机构，而是共用马达侧的水冷机构（图2）。即在铝（Al）制散热基板上配置SiC功率元件模块，将模块释放的热通过散热基板传导至马达侧的水冷机构，使其冷却。

　　图2：简化冷却机构
由于SiC功率元件可在高温下工作，因此能够简化冷却机构（a）。此次省去了线圈切换电路部的水冷机构，取而代之的是在Al制散热基板上配置了SiC功率元件模块（b）。

采用SiC二极管已基本敲定

　　据安川电机介绍，此次的试制品是为了验证SiC功率元件的潜在能力。现已确认可以实际工作，但面向电动汽车配备时需要进行可靠性试验及长时间驱动试验等，这些试验将在今后实施。也就是说，该SiC功率元件还无法立即配备于电动汽车的驱动部。

　　不过，可以肯定地说今后SiC功率元件将逐渐替代现有的Si功率元件。在驱动部使用的二极管及晶体管中，估计首先会从二极管开始改用SiC。这是因为Si二极管因技术原因，用于延长电动汽车行驶距离时不断要求的损失削减正接近极限的缘故。“二极管的构造比较简单，所以很难再通过削减损失来提高性能。不改变半导体材料，这个问题就无法解决”（多位精通逆变器的技术人员）。

　　SiC二极管从最初投产到现在已有约10年时间，其价格的下降使其已可在空调上应用。即使算上汽车用产品的可靠性试验时间，2015年之前开始配备SiC二极管也没什么奇怪的。

　　预计SiC在晶体管上的应用会晚于二极管。这是因为，Si IGBT及功率MOSFET的性能今后还将不断提高，并且SiC MOSFET在2010年年底才刚投产。