小型化を可能にする新しい材料により、パワーエレクトロニクスの設計では、より小型のパッケージで、より高い電力、より高い周波数のスイッチング、より高い温度に対応できます。そのため、エンジニアはアプリケーションを設計する際に、熱条件、冷却システム、インダクタンス、および設計の総寿命コストを考慮する必要があります。TDKエレクトロニクス社のピエゾおよび保護デバイス製品マーケティング担当ディレクター、マット・レイノルズによるこの記事で詳細をご覧ください。
より小さく、より良く、より速く。こうした考え方は、多くの場合、経営陣によって新人エンジニアの心に押し付けられます。パワーエレクトロニクスの進化についても同様です。スイッチング周波数を上げて動作し、損失を低減して小型化を実現し、効率を高めるパワー半導体には、特にコンデンサ用の新しい特性を持つ受動部品が必要です。今日の多くのアプリケーションでは、コンデンサの実効直列インダクタンス (ESL) と実効直列抵抗 (ESR) を大幅に低減することが求められています。これらの要求に応えるために、より高い電力をより高速に切り替え、高いリップル電流定格を維持しながらヒートシンクのサイズを縮小できる新しい材料が導入されました。
設計エンジニアは、パフォーマンスの向上だけでなく、パワーエレクトロニクスの長期的な信頼性を高めるためにも、新しい材料を評価して実装する必要があります。ただし、設計のコスト効率を確保するには、適切なタイミングで新しいテクノロジーを実装する必要があります。これを実現するために、エンジニアは新しい材料に基づくパワーエレクトロニクスを評価する際に、次の3つの点を考慮する必要があります。
- 温度条件、したがって必要な冷却システム
- インダクタンスと抵抗、そしてそれが効率に与える影響
- 個々のコンポーネントのコスト比較ではなく、システム全体のコスト。
新素材
小型化と、電力処理能力の向上によるより効率的なコンポーネントの必要性により、半導体と受動部品の両方を異なる材料で作る必要が生じます。簡単に言えば、コンポーネントが小型化されると、標準的なシリコン、ニッケル、銅、従来の誘電体や磁性材料では、損失が大きくなり、コンポーネントが定格温度を大幅に超え、機器の寿命が短くなるため、電力要件を満たすことができなくなります。
窒化ガリウム (GaN) とシリコンカーバイド (SiC) は、パワーエレクトロニクスに使用できる最新の材料の2つです。価電子帯と伝導帯の間のギャップがシリコン (Si) ベースの半導体よりも大きいため、より一般的にはワイドバンドギャップ (WBG) 半導体と呼ばれます。これらの材料によって可能になった技術の進歩は、より小型のコンポーネント、より優れたパフォーマンス、効率的な電力消費に対する常に進化する需要に対応し、設計のライフタイム コストの低減を保証します。たとえば、多くの推定によれば、大規模なサーバー ファームを運用するための生涯エネルギー コストは、現在、初期の資本支出を上回っています。
GaNとSiCで作られた部品は、標準的なシリコンよりも高い接合温度で動作することができます。
温度条件
GaNとSiCは、バンドギャップが広いため、シリコンの1 ～ 1.5電子ボルトに対して2 ～ 4電子ボルトの範囲で、標準シリコンよりも高い接合温度で動作できます。その結果、同様の予想寿命でより高い温度で動作したり、同様の温度でより長い寿命で動作したりできるようになります。これにより、設計エンジニアはアプリケーションの要件に応じて2つの異なる設計パスを利用できるようになります。パワーエレクトロニクスははるかに小型化できるため、コンポーネントはより高い温度で動作するようになります。あるいは、従来の設計と同等のサイズで、自然対流または強制冷却のいずれかによって冷却を最適化するように設計できるため、機器の動作寿命が大幅に長くなります。さらに、周囲温度がすでに過剰である厳しい環境での用途もあり、高温でも効率的に動作できるコンポーネントが必要になります。
気温上昇
新しい材料を使用した半導体が高温で動作できるようになるには、その周囲の受動部品（最大のものはコンデンサとインダクタ）も高温で動作する必要があります。新しく改良された材料で作られたコンポーネントは、175°Cを超える温度でも効率的に動作し、必要なパフォーマンスを実現します。
広帯域半導体デバイスは、その性質上、より高い周波数でスイッチングするため、より高温で動作することがよくあります。これは、同じかそれ以上の電流がより小さなパッケージを流れることを意味し、損失の削減が必要になります。その結果、シリコンの代わりにシリコンカーバイドや窒化ガリウムが使用され、ニッケルやスズの代わりに銀や銅が使用されることになります。これにより、過度の加熱なしにパッケージを小型化できます。
さまざまなタイプのコンデンサの例
すべてのコンデンサは、高温になると絶縁抵抗が低下します。つまり、誘電体が分解し始め、コンデンサに漏れ電流が発生します。この漏れ電流によりコンポーネント内で自己発熱が発生し、さらに加熱されて最終的に故障を引き起こします。この自己発熱状態は熱暴走と呼ばれます。
最もよく使用される電力用フィルムコンデンサはポリプロピレンを使用しており、定格温度は最大105 °Cのみです。これにより、利用できる最終アプリケーションの種類が制限されます。アルミ電解コンデンサやクラス2セラミックなどの従来のコンデンサ材料は、最高温度125 °C ～ 150 °Cで動作できますが、熱暴走のリスクが大幅に高まります。より高温での動作には、高温でも漏れ電流が少ないPLZTなどの新しいセラミック コンデンサ材料が必要になります。
温度に対する絶縁特性、同じ定格電圧のコンデンサ
新しいコンデンサ技術
150℃または200℃まで対応可能なSiC半導体を使用した場合でも、従来のコンデンサ技術ではアプリケーションの条件が制限されます。 ° °ジルコン酸チタン酸ランタン鉛 (PLZT) セラミックをベースにしたコンデンサは、通常、150 °Cという高い連続動作温度を許容し、ESR値とESL値が極めて低いコンパクトな設計になっていることがよくあります。したがって、PLZTコンデンサは、高速スイッチングGaNまたはSiC半導体に最適です。
CeraLinkセラミックの周波数に対するパフォーマンス
GaNは、従来のシリコンよりも高い周波数で、標準シリコンよりも最大1000倍高速に切り替えることができます。しかし、より高速で動作しても、新しい材料はシリコンほど熱くなりません。その結果、冷却システムを小型化することができます。
冷却設計には基本的に2つのタイプがあります。1つ目は、空気の循環を利用してコンポーネントを冷却する対流冷却です。これは、自然な空気の流れが利用される受動対流である場合もあれば、強制空気冷却のためにファンが利用される場合もあります。2つ目は循環流体を使用した液体冷却です。どちらの場合でも、熱損失が最も大きいコンポーネントは通常、ヒートシンクに直接取り付けられ、コンポーネント内部で発生した余分な熱を排出します。これらは多くの場合パワー半導体であり、DCリンク コンデンサも同様です。冷却システムは、その性質上、実装にコストがかかり、設計においてかなりのスペースを占有します。
しかし、電子機器は高温対応材料を使用して小型化されるため、設計に高価な冷却システムを実装しなくても、より高い電力密度を得ることができます。設計時にこれを考慮する必要がありますが、多くの場合、これらの新しい材料で作られた小型のコンポーネントは、冷却システムなしで動作し、許容可能な動作温度を維持できます。
したがって、エンジニアが考慮すべきことは、電力密度が増大しても、極端な冷却対策を講じることなく、設計がより高い温度に対応できるかどうかです。
インダクタンスと抵抗
パワーエレクトロニクスの小型化は、より高い電力密度を意味します。デバイスの定格電圧が同じであれば、同じコンポーネント サイズでより高い電流が流れることになります。追加の熱質量がないため、これらのコンポーネントは自己発熱が大きく、動作温度が高くなります。この影響を相殺するには、受動部品に新しい材料を使用する必要があります。たとえば、セラミックコンデンサの内部電極にはニッケルではなく純銅を使用します。銅はニッケルに比べて電気抵抗率が低く、特に高温では自己発熱の程度が制限されます。銅の内部電極を備えた多層セラミック材料を焼成するには、新しい処理技術を採用する必要があります。PLZTセラミック材料を使用すると、適切な処理条件下で銅の内部電極を使用できます。
材料自体は浮遊インダクタンスに影響を与えませんが、材料内で使用される形状が浮遊インダクタンスの低減に役立ちます。デザインが小さくなるにつれて、密度が高くなります。一般に、物理的な寸法が小さくなると、インダクタンスも自然に小さくなります。ワイヤの長さが短い、またはPCB上のトレースが短い、さらにインダクタとコンデンサが小さいほど、インダクタンスが低くなる傾向があります。戻り電流パスを電源パスにできるだけ近づけて反対方向に配線することで、インダクタンスをさらに低減することも可能です。反対方向の電流から生じる磁場は互いに打ち消し合うため、システム全体のインダクタンスが低下します。このため、設計エンジニアは、ケーブル、バスバー、または回路基板上のトレースなどの電流経路をレイアウトする際に、これらの影響を最小限に抑えるよう注意を払う必要があります。
総費用
新しい材料を使用する場合、通常はサイズが小さくなるため、部品の製造に使用される原材料が少なくなります。また、前述したように、冷却システムがなくなるとコスト削減の可能性がさらに高まります。その結果、時間の経過とともに量が増加し、コストが削減されます。しかし、生産プロセスが合理化されるまでは、初期コストが高くなる可能性があります。設計エンジニアの仕事は、新しい技術をいつ採用するかを決定することです。
コストは設計ごとに異なりますが、総所有コストが低ければ、初期コストが高くても、新しいテクノロジーが自然に採用されます。
コスト削減のもう1つの利点は、新しい材料を使用して、スイッチング周波数の増加や電磁両立性 (EMC) の向上に対応できる大幅に小型のコンポーネントを作成できることです。コモンモード干渉と差動モード干渉をフィルタリングするために必要な静電容量とインダクタンスは大幅に小さくなり、使用する材料も少なくなるため、コストも低くなります。生成される放射の周波数が高くなると、より高周波数の誘電体および磁気コア材料が必要になる場合があります。これらの材料はコストが高くなる可能性がありますが、材料のサイズと重量を大幅に削減することで、そのコストは十分に相殺されるはずです。
結論
パワーエレクトロニクス設計の小型化に役立つ新しい材料が利用可能になったことで、より小型のパッケージでより高い電力、より高い周波数のスイッチング、より高い温度に対応できるようになりました。そのため、エンジニアはアプリケーションを設計する際に、熱条件、冷却システム、インダクタンス、および設計の総寿命コストを考慮する必要があります。
多くのアプリケーションでは、小型のパワーエレクトロニクス設計が必要な場合、初期コストが高くなる可能性があるものの、設計の全体的なライフタイムコストは時間の経過とともにますます安くなることをエンジニアは認識します。性能の向上、長期的な信頼性、初期費用に対するメンテナンス費用の削減といったトレードオフにより、これらの材料の進歩が新たなパワーエレクトロニクスの需要に対応するにつれて、これらの新材料の採用が拡大するでしょう。