ウルフスピードシリコンカーバイドによるエネルギー効率基準

30の加盟国と8つの国家協会で構成される国際エネルギー機関（IEA）の2021年10月の統計は、エネルギー消費の効率化に向けた取り組みを再確認している。エネルギー効率と再生可能エネルギーに対する国家予算は増加し続けていますが、IEAは、エネルギー効率に充てられる予算の割合が1990年の7%から2020年には26%に急増したと指摘しています。 ¹

新しい発電所の建設には5億ドル以上の費用と2 ～ 6年の年月がかかりますが、家電市場の約7% のCAGRは、新しいエネルギー生産をオンライン化する能力を上回っています。そのため、政策立案では地球資源の効率的な利用に関する議論が中心となってきました。

アメリカ大陸では、ENERGY STAR® 80歳以上® 標準はエンジニアリングと消費者の行動を推進します。ENERGY STARプログラムは、特に家庭用および商用の電気自動車 (EV) 充電器を含めるように要件を拡大しています。

欧州、中東、アフリカ（EMEA）地域では、地球の気温上昇を2℃未満に抑えるというパリ協定の目標達成の緊急性が高まっています。°今世紀のCでは、暖房、換気、空調 (HVAC) システムの効率改善に重点が移っています。

大中華圏および東南アジア（GCSEA）も、新しいラベルと最低限のエネルギー効率性能基準を導入し、家電製品の効率性を重視しています。たとえば、中国は2020年7月1日、室内エアコンのエネルギー効率を約15％向上させることを義務付けるという、世界で最も厳しいエネルギー効率要件の1つを施行しました。同国はこれらの家電製品の最大の購入者であり製造者でもあるため、これによりエネルギーと二酸化炭素排出量の大幅な削減が実現できる可能性がある。

ウルフスピードシリコンカーバイドが効率のニーズを満たす

新しい効率基準の直接的な影響は、サイズ、重量、電力の要件をすべて、実行不可能なトレードオフなしに満たす能力を備えた半導体技術として、シリコンカーバイド (SiC) が間違いなく必要であることです。

図1: ウルフスピード®のポートフォリオには、電力スケーリングの全範囲に対応する製品が含まれています。

SiC技術で最大の市場シェア、30年を超える電力技術革新、17年を超えるダイオードおよびMOSFET生産実績を誇るWolfspeedは、モーターやスイッチング モード電源 (SMPS) などの主要アプリケーションにおける標準要件を満たす設計者を支援します。これらのアプリケーションは、EV充電インフラストラクチャなどの最も急成長しているセグメントだけでなく、多くの業界で使用されています。同社のSiCデバイスは従来のシリコン (Si) コンポーネントをはるかに上回る性能を備え、効率性と信頼性の新たな基準を確立しています。

IECモーター効率規格に対応

電気の最大の最終用途は、家電製品、産業システム、そしてますます増加している電気自動車における電動モーター駆動システム (EMDS) です。世界の電力消費量の推定43%～46%、CO排出量6,040メガトン（Mt） ₂ 排出量は2009年にEMDSを稼働させたことによるものだった。政策と基準のサポートがなければ、EMDSは13,360 TWhを消費し、8,570 MtのCO ₂ 2030年までに年間排出量を削減します。 ²

グローバルIEC/EN 60034-30-1規格は、このアプリケーション領域における効率性に対応しています。この規格は、国際効率1 (IE1) からIE4までの効率クラスを定義し、今後はIE5クラスも追加される予定ですが、2014年にその範囲が拡大され、50 V ～ 1 kV入力で定格120 W ～ 1,000 kWの2極、4極、6極、8極モーターが対象となりました。

ほとんどの国では、IE3の最低定格をすでに要求しているか、またはまもなく要求する予定です。EMEAは、2023年7月に75 ～ 200 kWの範囲のモーターに対してIE4を要求する予定です。2.2kW 4極モーターをIE2からIE3に移行すると、効率が84.3% から86.7% に向上し、損失が15.2% 削減されます。IE3からIE4への移行では、全体の効率が89.5% に増加するため、損失を21% 削減する必要があります。このような移行にはシステムの再設計が必要になりますが、SiからSiCに移行することで容易になります。

90kWから350kWを超えるEVドライブトレイン インバーターを使用するEVの場合、効率の向上とサイズと重量の削減により、車両の走行距離が最大化されます。WolfspeedのSiCベースの設計により双方向設計が容易になり、回生ブレーキが可能になり、損失が80% 低減し、サイズが30% 縮小され、システム コストが削減されます。これは、実際のドライブイン 図2からも明らかです。

図2: シリコンカーバイドインバータの損失は、Siベースのシステムの損失よりもはるかに低くなっています (グラフ)。スペースと冷却の削減によるコスト削減は、上記に加えて、車両モデルによって異なります。

スイッチング電源（SMPS）効率の新しい基準

SMPSは、商業、産業、家電、エネルギー、EV分野で広く使用されています。データセンターというたった1つのアプリケーションだけで、2018年には約205 TWhを消費したと推定されています³ 。これは世界の電力使用量の1% に相当します。

ENERGY STARの効率要件は、80 PLUSプログラムのPlatinumおよびTitanium認証要件、およびEUのEcodesign in Europe (ErP) Lot 9規制によって上回られており、2026年1月にはさらに厳しい更新が予定されています。Open Compute Project (OCP) のORV3 PSU仕様では、ORV2および80 PLUS Titaniumよりも40% 少ない損失が求められています (図3)。

図3: 新しい基準では、PFCの効率が98.55% 以上、DC/DCステージの効率が97.12% 以上であることが求められます。

これらの規格は電源設計に新たな要求を課し、設計者は使用するトポロジを慎重に評価する必要があります。低周波レッグにSiダイオードを備えたSiCベースのセミブリッジレス トーテムポール力率補正 (PFC) は、最新の80 PLUS規格で98.9% の効率を実現できますが、ORV3では、オールSiC-MOSFETブリッジレス トーテムポールPFCが優先され、99.1% の効率を実現します。

WolfspeedのC3M™ 650 V SiC MOSFETは、このアプリケーションに特に適しています。2.2 kW PFCリファレンス デザインは、産業、EV充電器、サーバー/通信PSUアプリケーションにおいて、効率 >98.5%、THD <5% の80 PLUS Titanium規格を達成しています。

ENERGY STAR® がEV充電器を認証

米国政府は、1ポートあたり最低150kWの電力を供給し、4台のEVを同時に充電できる50万台のDC急速充電器のインフラ構築に今後5年間で50億ドルを承認した。一方、電気自動車供給 (EVSE) 向けのENERGY STAR仕様は2021年3月31日に発効し、最大65kWの充電器に対して最低93% のアクティブ充電効率を義務付け、最大350kWのDC急速充電器をその対象範囲に含めました。⁴ 認定されたEV充電器は、通常、スタンバイ モードで約40% 少ないエネルギーしか必要としません。

図4: Wolfspeed® シリコン カーバイドは、このフル システム22 kW双方向DC急速充電器のSiとシリコン カーバイドの比較で、損失を42% 削減し、電力密度を51% 向上させ、システム コストを削減します。

商業ユーザーも家庭ユーザーもENERGY STAR認証を求めており、WolfspeedのMOSFETとダイオードは、同等のシステム コストで1% ～ 2% 高い効率、35% ～ 50% の電力密度増加、全体的なシステム冷却の低減、小型で安価な機械ハウジング、およびSiベースの設計よりも優れた車両からグリッドへの双方向充電を実現します (図4)。

エネルギー効率のポートフォリオ

比類のない幅広い設計上の考慮事項に対応するために、Wolfspeedは、600 Vから1700 Vまでの範囲で3.3 kV以上を開発中の製品、およびパワー モジュールでは1 Aからほぼ1 kAまでの製品で構成される同様に幅広いシリコン カーバイド ポートフォリオを提供しています。電源アプリケーションが何であれ、Wolfspeedシリコンカーバイドのディスクリート製品、業界標準に合わせて構築された小型のベースプレートレス モジュール、またはフットプリントが最適化された高出力モジュールがあり、設計者が最新の標準を満たすだけでなく、開発ロードマップで今後の要件を計画するのにも役立ちます。

出典:

1. IEA、エネルギー技術研究開発予算：技術全体の動向、2021年10月。 https://www.iea.org/reports/energy-technology-rdd-budgets-overview/trends-across-technologies
2. IEA、電動モーター駆動システムのエネルギー効率政策の機会。 https://www.iea.org/reports/energy-efficiency-policy-opportunities-for-electric-motor-driven-systems
3. Energy Innovation、他「データセンターは実際にどのくらいのエネルギーを使用しているのか?」、2020年3月17日。 https://energyinnovation.org/2020/03/17/how-much-energy-do-data-centers-really-use/
4. ENERGY STARバージョン1.1 EVSE認証ウェビナー スライド - 2021年4月8日。 https://www.energystar.gov/sites/default/files/ENERGY%20STAR%20Version%201.1%20EVSE%20Certification%20Webinar_4.8.21.pdf
5. エネルギースター® は米国環境保護庁の登録商標です。80歳以上® は、Clearesult Consulting Inc. の登録商標です。