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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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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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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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・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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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

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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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

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

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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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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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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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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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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AlGaN

GaN

ﾊﾞｯﾌｧ層

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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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