PowerPoint プレゼンテーション

(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

(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

(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

(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

(5)

HVの販売台数推移

1st Prius “Challenge”

2nd Prius

“Expansion” “Mainstream”3rd Prius

60 0 50 0 40 0 30 0 20 0 10 0 0 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10 Prius Total HVs （千台/年）年間販売台数

(6)

Fuel Route bus Delivery truck HD Truck Hydrogen Oil, Bio-fuel, CNG, Synthetic fuel, etc.

Electricity Delivery car Motorcycle Winglet Short commuter HV PHV FCV FCV （BUS) E V 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

(7)

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

(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

(9)

ＩＰＭ直流交流モータﾊﾟﾜｰｺﾝﾄﾛｰﾙﾕﾆｯﾄ（PCU）（ｺﾝﾊﾞｰﾀ・ｲﾝﾊﾞｰﾀ） IGBT ｲﾝﾃﾘｼﾞｪﾝﾄﾊﾟﾜｰﾓｼﾞｭｰﾙ（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

(10)

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）

(11)

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 irradiation None 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

(12)

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)

(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

ＰｏｗｅｒＡＳＩＣ

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)

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 0.18 0.35 R o n * A / B V d ss ( m -o h m *m m 2/ V ) Design Rule （μ m） 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.10 1.00 トヨタ内製

ＰｏｗｅｒＡＳＩＣ（トヨタ内製ＢｉＣＤＭＯＳ）

(15)

’97 PRIUS (1st) _0.96wfs ’03 PRIUS (2nd) _0.96wfs ’09 PRIUS (3rd) 1.11wfs ’08 LS600h 2.60wfs IGBT/Diode POWER MOSFET ASIC Microcomputer Memory Others

6-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。

(16)

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

(17)

10 100 1000 10000 0.1 1 10 100 耐圧 (V) Ron *A ( m -oh m*c m2 ） ’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

(18)

3μ m 3μ m _{10μ 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) IDS (mA / mm ) 530mA/mm RON ・A =1.7mΩ ・cm2 (VGS=10V)

ＧａＮパワー素子開発

Al_0.25Ga_0.75N(25nm) GaN(3μ m) Sapphire substrate AlN Buffer layer

HTO(50nm)

ソースゲート _ドレイン

(19)

AlGaN GaN Si基板 D S G 酸化膜バッファ GaN-HEMT A K GaN-Diode 等価回路 DS耐圧：515V 8.3mΩ cm²

ＧａＮパワー素子開発

_{横型（トヨタグループ）}

(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=3μm Si:1X1016_/cm3 Mg: 5X1019_/cm3 0 20 40 60 80 0 2 4 6 8 10 Drain voltage (V) Dr ain curr ent (A /cm 2 ) Gate voltage=10V 5V 0V -5V R_ON・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）。

(21)

AlGaN GaN ﾊﾞｯﾌｧ層基板ドレインソースゲート

ＳｉＣとＧａＮ

ＳｉＣＧａＮ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+

(22)

電流（Ａ）電圧（Ｖ） 200 100 0 _１ ₂ 定格点ＳｉＩＧＢＴＳｉＣＭＯＳ

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

(23)

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

PowerPoint プレゼンテーション

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

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

環境

安全

快適

｢ ITS ｣

今後の自動車産業

～自動車用ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ開発～

利便

・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

HVの販売台数推移

自動車の将来像

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

ＨＶ車のパワーエレクトロニクス

主機系パワー

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)

ＩＰＭ （Intelligent Power Module)

Ｓｉ－ＩＧＢＴの進化（トヨタ内製）

850

1250

0.79

0.65

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）

電子制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit)

Ｐｏｗｅｒ ＡＳＩＣ

Ｐｏｗｅｒ ＡＳＩＣ （トヨタ内製 ＢｉＣＤＭＯＳ）

6-inch Waferで換算

ＨＶ車に搭載される半導体使用量

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

Siは理論性能限界に近づく ⇒ ＳｉＣ・ＧａＮに期待

ＧａＮパワー素子開発

ＧａＮパワー素子開発

横型（トヨタグループ）

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）。

ＳｉＣ と ＧａＮ

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

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

ＧａＮ素子の車載応用

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

トヨタ自動車（株）第３電子開発部

長尾勝

ＰＣＵ（Power Control Unit)

ＩＰＭ（Intelligent Power Module)

_0.79

_0.65

ＰｏｗｅｒＡＳＩＣ

ＰｏｗｅｒＡＳＩＣ（トヨタ内製ＢｉＣＤＭＯＳ）

_{横型（トヨタグループ）}

_{縦型（トヨタグループ）}

ＳｉＣとＧａＮ

・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