EnerConnect プロジェクトでは、フラウンホーファー IZM の研究者が、次世代のアクティブ コンバータおよび整流器で使用できるシステムを設計するために、双方向ブロッキング窒化ガリウム (GaN) トランジスタをテストしています。革新的なハードウェアにより、別個の変換ステージが不要になり、記録的な 99% の効率を達成できます。

充電電気自動車自分のガレージで快適に作業することは理論上は可能です。市販の急速充電器と比較すると、依然として非効率的な選択肢です。家庭用コンセントから供給される交流が電気自動車に必要な直流に変換されるとき、その変換時にかなりの量の電力が失われます。多くの EV 所有者が所有する最新のウォールボックスでも、その根本的な問題は完全には解決されていません。

EnerConnect プロジェクトの一環として、フラウンホーファー信頼性マイクロインテグレーション研究所 IZM とベルリン工科大学の科学者は、業界パートナーであるデルタ エレクトロニクス社、BIT GmbH、インフィニオン テクノロジーズ AG と協力して、革新的な双方向ブロッキングを備えたシステムを開発しました。GaNトランジスタ。

これらのトランジスタは電力密度と効率の点で大きなメリットをもたらし、一般的な家庭用ソケットからの電気自動車の充電をより効率的に行うことが期待されます。

双方向GaNトランジスタはどのように動作するのでしょうか?

電気自動車で使用されているようなアクティブ整流器は、すでに窒化ガリウム (GaN) や炭化ケイ素(SiC) 半導体は、より小型で安価なパッシブ ハードウェアでより高いスイッチング周波数を処理できます。ただし、現在のシステムは、双方向 GaN トランジスタとは異なり、一方向でのみ電圧をロックできます。これらには、負電圧と正電圧の両方を処理する 2 つのゲート構造があり、新しいスイッチング アーキテクチャは、公共送電網で使用されるコンバータおよび整流器にとって特に魅力的です。

研究者らが取り組んでいる特殊な回路トポロジは、従来のコンポーネントでは複雑すぎるため、パワー エレクトロニクスではまだ大きな役割を果たしていません。このシステムは昇降圧コンバータと呼ばれ、入力電圧が高くても低くても動作します。秘訣は双方向ブロッキング トランジスタにあり、この設計の利点をすべて活用できます。

電気自動車の現在の慣行では、高電圧で動作するアクティブ整流器が使用されています。フラウンホーファーIZMで現在開発中の新しい回路では、電圧を低くすることができ、トランジスタのスイッチング損失が低減されます。

このシステムには、変換段を含めることもできます。通常、整流器には、入力電圧を最初に上げてから目標のバッテリ電圧まで下げるために、2 つの別個のコンポーネントが必要です。双方向ブロッキング GaN トランジスタを使用することは、これら 2 つのステップを 1 つの変換ステージで合理化できることを意味し、不必要な材料を避けてシステムのコストを削減することで効率が向上します。

電気自動車に限定されない、より効率的なトランジスタ

どちらの効果も、トランジスタの効率が 99% 近くまで上昇すると同時に、新しいアーキテクチャではスイッチング周波数の向上と電力密度の向上も可能であることを意味します。研究者らは、目標スイッチング周波数 300 kHz を目指して取り組んでいます。これにより、電力密度を 1 リットルあたり最大 15 kW、現在市場にある充電器の 800% まで高めることができます。

コンバータは車両に搭載されており、可能な限り小型にする必要があるため、この技術は電気自動車での使用に合わせてカスタマイズされているようです。EnerConnect プロジェクトの目標の 1 つは、公共送電網で使用するために回路を最適化し、通常の家庭用コンセントからでも電気自動車の急速充電を可能にすることです。

回路トポロジーにより電気が両方向に流れることができるため、自動車のバッテリーを電気の貯蔵庫として使用したり、太陽光発電システムで使用したりするというアイデアに最適です。

EnerConnect プロジェクトは、2024 年 2 月 1 日から 2028 年 1 月 31 日まで、フラウンホーファー信頼性マイクロインテグレーション研究所とベルリン工科大学で実施される予定です。

提供元フラウンホーファー研究所とマイクロインテグレーション IZM の研究