電気自動車（EV）は、一部の人が思っているほど「クール」なテクノロジーではありません。特にEVのトラクションインバーターは、大量の熱を発生します。トラクションインバーターとは、バッテリーからのDC電力を、車輪に動力を供給するトラクションモーターに必要なAC電力へと変換する回路です。
トラクションインバーター内のエレクトロニクス部品が高温になりすぎると、動作効率が低下する可能性があります。さらに、高温で動作させると、これらのエレクトロニクス部品の寿命と信頼性が低下するおそれもあります。そのため、EV設計においては、この回路の冷却が重要なポイントとなります。また、重量が増えると車両の効率と航続距離が低下するため、可能な限り軽量で信頼性が高く、コンパクトな冷却システムを設計しなければなりません。
従来のパワートレイン冷却
通常、冷却はパワーエレクトロニクスやその他の発熱部品を水冷ベースプレートに取り付けることで行われます。つまり、ベースプレートに熱を移動させることで、エレクトロニクスが冷却されます。現在、ほとんどのベースプレートは銅またはアルミニウムでできています。銅は熱伝導率が高いため、熱源から効率的に熱を移動させることができます。アルミニウムは銅よりも熱伝導率では劣りますが、はるかに軽量です。つまり、軽量化を実現できます。
ただし、これらの金属はどちらもベースプレートに最適というわけではありません。その主な理由は、これらの材料は加熱時にトラクションインバーターに搭載されたパッケージ化シリコンまたは炭化ケイ素エレクトロニクスと同じ速度で膨張しないためです。この膨張速度の差は、パワーエレクトロニクスパッケージングに機械的ストレスを与えます。その結果、エレクトロニクスアセンブリに歪みが生じ、最終的にパッケージングの破損につながる可能性があります。
熱管理の改善
理想的なベースプレート材料は、熱伝導率が高く、エレクトロニクスパッケージングの熱膨張特性に近いものです。また、機械的強度が高く、硬質で耐食性があり、軽量であること、ウォータージャケットの必要性を低減または排除できることも、望ましい特性として挙げられます。このような特性があれば、用途によってはインバーターの重量とサイズを削減することが可能となります。
Coherentは、広範な熱管理用途の要件を満たすために、さまざまな反応結合Si/SiC（RBSiC）配合を開発しました。たとえば、一部の反応結合Si/SiC配合は、銅と同等またはそれ以上の熱伝導率を有します。さらに重要な点として、AlNやSi₃N₄などのエレクトロニクスパッケージング基板材料に合わせて、その熱膨張特性を調整することができます。テストの結果、このCoherentのRBSiCを使用したベースプレートは、パッケージングの反りを大幅に軽減することが確認されました。
さらに、このRBSiCは、高い機械的強度や硬度などの望ましい物理的特性も備えています。そのため、耐久性があり、摩耗や損傷に強いベースプレートが実現し、ヒートシンクの長期信頼性向上に貢献します。また、耐腐食性が非常に高く、化学的に不活性です。そして、CoherentのRBSiCは銅よりも密度が低いため、軽量化も期待されます。
Coherent RBSiCは、高い熱伝導率と硬度（変形耐性）、そして金属よりも優れた熱膨張の適合性を兼ね備えているため、「熱伝導グリースのポンプアウト」と呼ばれる問題も劇的に減少します。熱伝導グリースまたはペーストは、良好な熱接触を確保するために、高出力モジュールパッケージングとヒートシンクの間に塗布されることがあります。しかし、金属製のベースプレートでは、機械的圧力と熱サイクルによって塗布した箇所から徐々に押し出されるため、冷却効果が低下します。
実用的な観点から見ると、CoherentはRBSiCベースプレートを最終形状の部品として製造できます。さらに、冷却フィンや冷却チャンネルなどの複雑な構造を含めることもできます。これは製造コストの削減につながります。さらに、当社は積層造形技術と互換性のある形でRBSiCを生産しています。そのため、追加の機械加工を必要とすることなく、マイクロ冷却チャンネルなどの内部構造を組み込むことができます。ここでも、製造コスト削減を実現できます。
Coherentでは、内部・外部冷却フィンや内部水流路などの構造を備えたRBSiCベースプレートを容易に製作できます。
Coherent RBSiCは、シリコンパワーエレクトロニクスを利用したEV向けに優れた熱管理ソリューションを提供します。SiCパワーエレクトロニクスはEVメーカーで広く採用されているため、将来性のあるソリューションでもあります。これは、SiCパワーエレクトロニクスは本質的に高温で動作するため、ベースプレートとエレクトロニクスパッケージングとの間でより優れたCTE適合性が必要となるためです。RBSiCは信頼性と適応性に優れたアセットとして活躍し、今後長年にわたりシステムのパフォーマンスを保護します。
Coherent RBSiCの詳細をご覧ください。
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