ドイツのInfineon Technologiesがハイブリッドカー(HEV)/電気自動車(EV)用のIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)モジュールの高効率化を進めている。IGBTはシリコンで最も電流容量のとれるトランジスタである。IGBTチップとダイオードを2個ずつ集積したモジュールをハーフブリッジICとして、新型パッケージ(Infineonは第3世代のパッケージと位置付ける)を開発中だ。2016年には量産用パッケージとして登場する。

同社は、これまでIGBTやSiCなどパワー半導体モジュールのパッケージとして、HEV/EV向けにHybridPACK 1、HybridPACK 2を開発してきた。開発中のHybridPACK Drive(図1)は、現世代のHybridPACK 2と比べて、同じ性能を得るなら30%小型にできる。寄生インダクタンスは従来の14nHよりも4割以上低い10nH未満を得ている。

図1 InfineonのHybridPACKシリーズ。右下が開発中のDrive、上が2、左下が初代の1

しかもこれまでのHybridPACKと同様、PressFITピンと呼ばれるドライブ回路用のピンをプリント回路基板に簡単に数秒で差し込めるように使い勝手も良い。加えて、リード端子は従来のネジ式に替えて、高速のウェルディングで圧着できるように平たい銅板端子に代えた。これにより、ユーザーのシステムコストを抑えることができるとしている。

こういった特徴を備えているのは、HEV/EV市場が2020年までに年率平均(CAGR)20%で成長していくと見ているからだ。その成長のためには、3つのテクノロジーが必要とする。1つは標準化された安全技術を確立すること、2つ目はコストを下げること、そして最後は、環境対策としてCO2を削減すること、である(図2)。特に、インバータやDC-DCコンバータ、モータ駆動などにはIGBTをモジュール化することでコストダウンを推進する。

図2 短期的には3つのイネーブラーが市場を決める。安全・コスト・環境である(出典:IHSの予測をベースにInfineon Technologiesが作成)

クルマのパワートレイン用のモータ駆動には、直流で300V程度まで昇圧したバッテリを使うため、モジュールを用意していると使いやすい。もちろん、ユーザーによっては高耐圧半導体になれたエンジニアもいるだろうから、ベアチップでも個別トランジスタでも販売するが、モジュールはエレクトロニクスになじみの薄いユーザーにはクルマのドライブに集中し、パワー半導体を気にする必要がない。

Infineonの強みは、IGBTやSiCなどパワー半導体を使った「システムノウハウを持っていることで、自動車品質を十分理解していることだ」と同社自動車部門ハイパワー事業、製開発部門のヘッドであるMarkus Thoben氏(図3)は自信を見せる。だからこそ、システムに応じて、パッケージ封止の個別トランジスタからベアチップ、モジュールなどを提案できる。

図3 Infineonの自動車部門ハイパワー事業、製開発部門のヘッドであるMarkus Thoben氏

実は、これまでのHybridPACK 2は、BMWのEVであるi3(図4)とスポーツタイプのプラグインハイブリッドのi8(図5)に使われている。いずれも昨年秋に、欧州で販売され、人気を博したクルマだ。筆者が昨年10月に見たミュンヘン空港のロビーに展示していたi3の周りは黒山の人だかりだった。図4と5のクルマはミュンヘン市内のBMW博物館で展示されていた製品だが、人気があり常に人が居るため撮影も難しかった。

図4 BMWの電気自動車i3

図5 BMWのプラグインハイブリッドi8。ドアはガルウィング方式で開閉

特にi3には、75種類のInfineonの半導体チップが使われているという。マイコンのAUDO Futureから、このHybridPACK 2、Cool MOS、高耐圧MOSFET、EiceDRIVERなどの半導体が搭載されている。他にもエアバッグ制御やLEDランプモジュール、ステアリングロック、フロントガラスのワイパー、シートベルトリトラクター(座席ベルト巻き取り装置)などにもパワー半導体が使われている。

HybridPACKシリーズはこれまでの2世代品の累計で複数の顧客に100万モジュールを納入したという。名前を出すことを許可した顧客企業のクルマにはBMWの他に現代自動車のソナタハイブリッドや起亜自動車のオプティマなどがある。これほど多くの実績を活かし、顧客からの要求を聞いて工場へフィードバックすることで新製品開発に生かしてきた。ハイブリッドカーはもちろん、回生ブレーキを利用する「アイドリングストップ」機能にも使われている。自動車産業では、アイドリングストップ車もハイブリッドカーの一種と認められている。総じて、HybridPACKシリーズはこれまで20万kmも走行してきた実績があり、HybridPACKの性能劣化は見られなかったとしている。

IGBTモジュールが使われるところは、モータ駆動のインバータだけではない。高電圧DC-DCコンバータやバッテリチャージャーなどにも使われる(図6)。加えて、ハイブリッドカーもEVも300V以上のリチウムイオンバッテリだけではなく、従来の鉛蓄電池からの電源供給も行う。高電圧まで昇圧するのは電線を細くしたいためだ。中学生でも知っているが、電力は、電圧×電流で表される。電流はケーブルの太さに比例して多く流せるが、重くなってしまう。このためケーブルを細く、そのために電流を小さくして電圧を上げることになる。

図6 IGBTモジュールはさまざまな所に使われる (出典:Infineon Technologies)

鉛蓄電池を使って、マイコンを搭載したECU(電子制御ユニット)などの信号系を動かし、IGBTなどの大電力用半導体を高電圧で動作させ、動力を得る。このため、高電圧と低電圧のDC-DCコンバータが必要となる。充電器(チャージャー)も回生ブレーキなどで発電した電気を貯める機能も必要となる。

開発中のIGBTモジュールHybridPACK Driveは、放熱効果のある(熱伝導率の高い)銅板をベースにする(図7)。セラミックの両面に銅板を付着させ、表面を回路配線用のパターニングをしておく。裏面は放熱として利用する。IGBTチップのボンディングパッドと銅配線セラミック基板とはワイヤーボンディングで端子を接続するが、銅基板と外部端子との接続はウェルディング圧着で接続する。低電圧の制御回路用のプリント回路基板に、パッケージから突き出たピンを差し込むだけで済む。

図7 2016年に発売予定のHybridPACK Drive (出典:Infineon Technologies)

ワイヤー状ではなく、できるだけ平らな配線にすることでインダクタンス成分を減らしている。寄生インダクタンスが大きいと、スイッチングオンからオフ、または過渡電圧を発生するためノイズの元となる。従来のHybridPACk 2だと14nHもある寄生インダクタンスはHybridPACK Driveでは、10nH未満になるとしてノイズを削減できる。

このモジュールの試作品はすでに出来ているが、その製品の発売は2016年を予定している。このモジュールパッケージに搭載するパワー半導体はもちろんIGBTだが、SiCやGaNでもかまわない。すでにSiCのJFETをHybridPACKに搭載して出荷した実績もある。