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1 1 次世代パワーデバイスの 自動車への応用について トヨタ自動車 ( 株 ) 第 3 電子開発部 長尾勝

2 本日の内容 2 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

3 今後の自動車産業 ~ 自動車用エレクトロニクス開発 ~ 3 究極 201X 年 2010 年 20XX 年 ゼロエミッション 大気並の排気 環境 代替エネルギーへの対応 排気規制の先読みと早期対応 燃費と走りの両立 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 CO2 フリー社会の実現 危険に備える 上質な走り 安全 インテリジェント化 広い室内 危険を避ける 走行環境への適応 死傷者ゼロ 誰もが安心して移動できる車社会の実現 快適 ドライバーへの適応 ITS 交通流制御 都市型 EV インフラ協調 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 ) お客様の心の満足を提供 ワクワク 感動 経済的合理性の強化全体最適な交通流利便 自由 開放的 な移動高速道物流自動運転新交通システム カ - シェアリング 新モビリティ 新モビリティに向けたカ - エレクトロニクス開発が加速

4 自動車産業における環境 エネルギー問題 4 石油の将来への不安 CO2 の増加 ( 地球温暖化 ) 大気汚染 (NOx PM オゾン ) 増加 CO2 排出低減と代替エネルギーの活用が緊急の課題 ひとつの解決策 : 電気の活用

5 年間販売台数 HV の販売台数推移 5 ( 千台 / 年 ) Total HVs Prius st Prius Challenge 2nd Prius Expansion 3rd Prius Mainstream

6 自動車の将来像 6 Vehicle size HVs & PHVs Route bus FCVs HD Truck EVs Passenger Car FCV (BUS) Delivery car Short commuter E V HV FCV Delivery truck PHV i-real Winglet Motorcycle Driving distance Fuel Electricity Oil, Bio-fuel, CNG, Synthetic fuel, etc. Hydrogen EV: 短距離, HV & PHV: 多用途, FCV: 中長離

7 本日の内容 7 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

8 HV 車のパワーエレクトロニクス 8 PCU (Power Control Unit) 主機系パワー インバータ 昇圧コンバータ インバータ 走行用 200V バッテリ 降圧コンバータ 動力伝達 電力伝達 発電機 12V バッテリ エンジン 動力分割機構 モータ 補機系パワー 電子制御 ECU (Electronic Control Unit) センサ アクチュエータ

9 バッテリ PCU (Power Control Unit) 直流 ハ ワーコントロールユニット (PCU) ( コンハ ータ インハ ータ ) 主機系パワー 9 モータ 交流 IPM IGBT インテリシ ェントハ ワーモシ 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

10 IPM (Intelligent Power Module) 10 片面冷却タイプ ( ゲル樹脂封止 上面ワイヤ接続 ) 電流 放熱 ( 断面図 ) 両面冷却タイプ ( モールド樹脂封止 両面はんだ接続 ) 電流 放熱 放熱 ( 断面図 )

11 Si-IGBT の進化 ( トヨタ内製 ) 11 Item 1st generation 2nd generation 3rd generation Chip appearance Device structure Gate Planar Planar Trench Vertical PT PT Thin wafer Lifetime control Chip thickness (μm) Breakdown voltage (V) Chip size (1st generation=1) He irradiation He irradiation 小型 ( 高電流密度 ) 化 低損失化が加速 None

12 電子制御 ECU(Electronic Control Unit) 12 センサ / スイッチ類 ECU(Electronic Control Unit) ±15V 入力部 マルチ電源 5/12V 3.3/5V 35~80V アナログ / デジタル信号演算処理 CPU 出力部 補機系パワー モータ類 / ソレノイド類 / ランプ類

13 Power ASIC 13 Throttle control IC Suspension control ICs Body control IC チップ周辺 デジタル素子 5% パワー素子 Hybrid control ICs Brake control ICs 26% 34% 35% アナログ素子 トヨタ内製 IC 例 トヨタ内製 IC の素子面積分析 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

14 Ron*A/ BVdss (m-ohm*mm2/v) Power ASIC ( トヨタ内製 BiCDMOS) トヨタ内製 Design Rule (μ m) 0.10 Process Technology Tj max 175 Device BiCDMOS Characteristics パワー素子 (LDMOS) の進化に力点をおき開発 0.35um SOI Deep trench isolation BOX AlCu Power metal Poly-Si/WSi W-plug 6V-CMOS(Lg=0.6um) Nch/Pch-LDMOS(35V/60V/80V) 35V-Bipolar(NPN PNP) Zener Diff/Poly resistors LV/HV/MIM capacitor

15 HV 車に搭載される半導体使用量 15 6-inch Wafer で換算 IGBT/Diode POWER MOSFET Microcomputer Memory ASIC Others 97 PRIUS (1st) 0.96wfs 09 PRIUS (3rd) 1.11wfs 03 PRIUS (2nd) 0.96wfs 08 LS600h 2.60wfs 6 inch 換算 1/3~2/3 枚の IGBT/Diode を使用 ASIC の比率も高い

16 本日の内容 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

17 Ron*A (m-ohm*cm2) 次世代パワーデバイス Prius 09 Prius 耐圧 (V) *Lines are all theoretical value Si は理論性能限界に近づく SiC GaN に期待

18 GaN パワー素子開発 横型 ( トヨタグループ ) 18 3μ m 3μ m 10μ m ソース ゲート HTO(50nm) Al 0.25 Ga 0.75 N(25nm) ドレイン 600 R ON A =1.7mΩ cm 2 (VGS=10V) 530mA/mm GaN(3μ m) AlN Buffer layer Sapphire substrate ソースドレイン IDS (ma/mm) V GS :10V start -5V step 0 ゲート V DS (V)

19 GaN パワー素子開発横型 ( トヨタグループ ) 19 GaN-HEMT GaN-Diode S G 酸化膜 AlGaN D K A 8.3mΩ cm² DS 耐圧 :515V GaN バッファ Si 基板 等価回路

20 Drain current(a/cm 2 ) GaN パワー素子開発縦型 ( トヨタグループ ) 20 pgan:0.1um Mg: 5X10 19 /cm 3 PolySi Gate n-gan:0.5um t 100nm t=3μm Si:1X10 16 /cm 3 Drain Source pgan t=300nm AlGaN n - GaN ud-gan AlN Buried p-gan n - GaN Free-standing GaN substrate Channel length=2mm, Aperture width=2mm R ON A = 52mW cm 2 Gate voltage=10v 5V 0V -5V Drain voltage (V) 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

21 SiC と GaN 21 SiC GaN 縦型 横型 素子構造 ゲート ソース N+ P- N- N+ ドレイン ソース ゲート AlGaN GaN ハ ッファ層基板 ドレイン IGBT との実装上の互換性が高い 主機系用途向き ASIC 系に近い素子構造 補機系用途向き 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

22 電流 (A) SiC-MOS の車載応用 定格点 100 SiC MOS Si IGBT 電圧 (V) 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

23 GaN 素子の車載応用 23 非接触充電システムの高効率化 PCU (Power Control Unit) 昇圧コンバータ 走行用 200V バッテリ 充電回路 インバータ インバータ 降圧コンバータ 動力伝達 電力伝達 エンジン 動力分割機構 発電機 従来補機パワー駆動の高効率化 モータ 高圧バッテリによる補機直接駆動 12V バッテリ 電子制御 ECU (Electronic Control Unit) センサ アクチュエータ

24 まとめ 24 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

25 END 25

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