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1
2012.7.9
トヨタ自動車(株) 第3電子開発部
長尾 勝
次世代パワーデバイスの
自動車への応用について
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2
本日の内容
1.自動車を取り巻く環境
2.自動車用パワーエレクトロニクス
3.次世代パワーデバイスと自動車
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3
CO2フリー社会の実現
大気並の排気
2010年
201X年
20XX年
ゼロエミッション
代替エネルギーへの対応
究 極
環境
危険に備える
安全
危険を避ける
燃費と走りの両立
排気規制の先読みと早期対応
超高効率エネルギー社会実現
衝突ダメージの低減
Fun to Drive
上質な走り
インテリジェント化
広い室内
走行環境への適応
ドライバーへの適応
快適
“死傷者ゼロ“
誰もが安心して移動できる車社会の実現
お客様の心の満足を提供
“ワクワク” “感動”
クルマ単体の対応が主流低価格化との両立(新興国への展開)
インフラ協調
カ-シェアリング
交通流制御
都市型EV
高速道物流自動運転
新交通システム
「 ITS 」
新モビリティ
経済的合理性の強化
全体最適な交通流
“自由・開放的”な移動
新モビリティに向けたカ-エレクトロニクス開発が加速
今後の自動車産業 ~自動車用エレクトロニクス開発~
利便
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4
・石油の将来への不安
CO2排出低減と代替エネルギーの活用が緊急の課題
自動車産業における環境・エネルギー問題
・CO2の増加(地球温暖化)
・大気汚染(NOx、PM、オゾン)増加
ひとつの解決策:電気の活用
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5
HVの販売台数推移
1st Prius“Challenge”
2nd Prius“Expansion”
3rd Prius“Mainstream”
600
500
400
300
200
1000
’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’04 ’05 ’06 ’07’03 ’08 ’09 ’10
Prius
Total HVs
(千台/年)
年間販売台数
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6
Fuel
Route bus
Delivery
truck
HD Truck
HydrogenOil, Bio-fuel, CNG,
Synthetic fuel, etc.Electricity
Delivery car
Motorcycle
Winglet
Short commuterHV
PHV
FCV
FCV (BUS)
EV
i-REAL
EVs
HVs & PHVs
FCVs
Passenger Car
Vehicle
size
Driving distance
EV: 短距離, HV & PHV: 多用途, FCV: 中長離
自動車の将来像
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本日の内容
1.自動車を取り巻く環境
2.自動車用パワーエレクトロニクス
3.次世代パワーデバイスと自動車
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8
HV車のパワーエレクトロニクス
エンジン動力分割機構
発電機
動力伝達
電力伝達
モータ
インバータインバータ
昇圧コンバータ走行用200Vバッテリ
降圧コンバータ
12Vバッテリ
PCU(Power Control Unit)
電子制御ECU(Electronic Control Unit)
アクチュエータセンサ
主機系パワー
補機系パワー
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IPM
直流
交流
モータ
パワーコントロールユニット(PCU)(コンバータ・インバータ)
IGBT インテリジェントパワーモジュール(IPM) ダイオード
IGBT,ダイオードにより大電流(数百A/素子)を制御
車両性能に大きく影響
PCU (Power Control Unit)
バッテリ
主機系パワー
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IPM (Intelligent Power Module)
放熱
放熱
放熱
電流
電流
(断面図)
(断面図)
●片面冷却タイプ(ゲル樹脂封止・上面ワイヤ接続)
●両面冷却タイプ(モールド樹脂封止・両面はんだ接続)
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小型(高電流密度)化、低損失化が加速
Si-IGBTの進化(トヨタ内製)
1st
generation
2nd
generation
3rd
generation
Gate Planar Planar Trench
Vertical PT PT Thin wafer
Lifetime
control
He
irradiation
He
irradiationNone
380 380 165
700 850 1250
1 0.79 0.65
Item
Chip appearance
Chip size
(1st generation=1)
Breakdown voltage (V)
Chip thickness (μm)
Device
structure
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マルチ電源
アナログ/デジタル
出力部
入力部
信号演算処理
センサ/スイッチ類
モータ類/ソレノイド類/ランプ類
CPU
ECU(Electronic Control Unit)±15V
5/12V
3.3/5V
35~80V
電子制御ECU(Electronic Control Unit)
補機系パワー
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13
34%
26%
5% パワー素子
35%
チップ周辺
Suspension control ICs
Brake control ICs
Body control IC
Throttle control IC
Hybrid control ICs
アナログ素子
デジタル素子
トヨタ内製ICの素子面積分析トヨタ内製IC例
Power ASIC
ASICにおいても、電源回路やアクチュエータ駆動用パワー素子比率大
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Process Technology
0.35um
SOI、Deep trench isolation、 BOX、
AlCu Power metal、Poly-Si/WSi、W-plug
Tj max 175℃
Device
6V-CMOS(Lg=0.6um)
Nch/Pch-LDMOS(35V/60V/80V)
35V-Bipolar(NPN、PNP)、Zener
Diff/Poly resistors、LV/HV/MIM capacitor
BiCDMOS Characteristics
パワー素子(LDMOS)の進化に力点をおき開発
0.180.35Ron*A
/ B
Vdss
(m
-ohm
*m
m2/
V)
Design Rule (μ m)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.101.00
トヨタ内製
Power ASIC (トヨタ内製 BiCDMOS)
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’97 PRIUS (1st) 0.96wfs
’03 PRIUS (2nd) 0.96wfs
’09 PRIUS (3rd) 1.11wfs
’08 LS600h 2.60wfs
IGBT/Diode
POWER MOSFET
ASICMicrocomputer
Memory Others6-inch Waferで換算
HV車に搭載される半導体使用量
6 inch換算 1/3~2/3枚のIGBT/Diodeを使用。ASICの比率も高い。
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本日の内容
1.自動車を取り巻く環境
2.自動車用パワーエレクトロニクス
3.次世代パワーデバイスと自動車
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17
10 100 1000 100000.1
1
10
100
耐圧 (V)
Ron*A (
m-o
hm
*cm
2) ’09 Prius
’03 Prius
*Lines are all theoretical value
Siは理論性能限界に近づく ⇒ SiC・GaNに期待
次世代パワーデバイス
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18
3μ m 3μ m10μ m
ソース ドレイン
ゲート
VGS:10V start-5V step
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20
VDS (V)
I DS
(mA
/m
m)
530mA/mm
RON ・A =1.7mΩ ・cm2
(VGS=10V)
GaNパワー素子開発
Al0.25Ga0.75N(25nm)
GaN(3μ m)
Sapphire substrate
AlN Buffer layer
HTO(50nm)
ソース ドレインゲート
横型(トヨタグループ)
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AlGaN
GaN
Si基板
DSG酸化膜
バッファ
GaN-HEMT
AK
GaN-Diode
等価回路
DS耐圧:515V8.3mΩ cm²
GaNパワー素子開発 横型(トヨタグループ)
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20
pGaN:0.1um pGaN
n-GaN:0.5um
PolySi
Free-standing GaN substrate
Buried p-GaN
n-GaN
n-GaN
Drain
Gate
AlN
ud-GaN
AlGaN
t≦100nm
t=300nm
Source
t=3μmSi:1X1016/cm3
Mg:5X1019/cm3
0
20
40
60
80
0 2 4 6 8 10Drain voltage (V)
Dra
in c
urr
ent(
A/c
m2)
Gate
voltage=10V
5V
0V-5V
RON・A= 52mW・cm2
Channel length=2mm , Aperture width=2mm
GaNパワー素子開発 縦型(トヨタグループ)
縦型は課題が多い(基板コストも高い)。
⇒まずは横型から製品化と想定。
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21
AlGaN
GaN
バッファ層
基板
ドレインソースゲート
SiC と GaN
SiC GaN
素子構造
縦型 横型
SiC・GaNともに将来性は高いが、素子構造の違いにより、用途は棲み分け
IGBTとの実装上の互換性が高い。
ASIC系に近い素子構造。
主機系用途向き 補機系用途向き
ゲートソース
ドレイン
N+
N-
P-
N+
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22
電流
(A)
電圧 (V)
200
100
0 1 2
定格点
Si IGBT
SiC MOS
MOS構造は使用頻度の高い領域で損失が低い⇒ 実用燃費の向上
SiC-MOSの車載応用
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エンジン動力分割機構
発電機
動力伝達
電力伝達
モータ
インバータインバータ
昇圧コンバータ走行用200Vバッテリ
降圧コンバータ
12Vバッテリ
PCU(Power Control Unit)
電子制御ECU(Electronic Control Unit)
アクチュエータセンサ
GaN素子の車載応用
・従来補機パワー駆動の高効率化
・高圧バッテリによる補機直接駆動
・非接触充電システムの高効率化 充電回路
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まとめ
・ 電気を動力源とする環境車(HV、PHV、EV、FCV)が今後進展
・ パワーエレクトロニクスは環境車のコアテクノロジー
・ SiC、GaNは環境車の性能向上への効果に期待大
・ SiCは主機、GaNは補機向けの用途に棲み分けを予想
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END