気候により、業界は代替エネルギーの解決策を考え出す必要に迫られています。太陽光発電や風力発電などの革新的な技術は、従来の燃料ベースの発電所に取って代わる割合がますます高まっており、エネルギー貯蔵および収集方法によるコスト削減は、高価なガス「ピーカー」発電所のコスト削減を上回っています。
政府が政策とインセンティブでこれらの比較的新しい技術を支援しているため、公共のエネルギーインフラとそれに関連するグリッド構造の改善と成長の機会が数多くあります。
大きな改善のための最近の進歩
かつての古い送電網構造は、一方向の電力供給と、化石燃料、水力、原子力発電所などの限られたエネルギー生成で構成されていました。再生可能エネルギーと収穫の最近の進歩により、この同じグリッドは、変動する需要と貯蔵オプションに対応した柔軟な双方向の配電を実現しながら、電力発電源（風力と太陽光）を拡大できるようになりました。
太陽エネルギーに特化して言えば、設置には通常、太陽光発電 (PV) モジュールによって生成されたDC電圧をAC電圧に変換し、それを送電網に戻すインバータが必要です。これを実現する最も一般的な方法の1つは、ストリング インバータ方式です。ストリング インバータ方式では、一連のソーラー パネルからのDC電圧がDC/DCブースト ステージに供給され、次にDC/ACインバータに供給されて、グリッドに接続されます。
図1 は、ゲート駆動、センシング、および処理を備えた一般的な太陽光発電ストリングインバータのブロック図を示しています。この構成の電力供給は、通常、IGBT、高電圧FET、さらに一般的には、IGBTとダイオードが統合された電力統合モジュール (PIM) によって行われます。
同様に高電力需要があるもう一つの環境に配慮した産業は、電気自動車 (EV) の充電です。EVの人気は前例のない速さで高まっていますが、残念ながら充電ステーションの整備は遅れをとっています。EV充電インフラは、消費者が最小限の遅延で走行距離に安心するために必要な燃料補給時間を備えたガソリンスタンドのような可用性にはまだ達していません。350kWの電力レベルで動作するDC急速充電システム (低速のACベースの充電システムとは対照的) では、10分未満で車両を完全に充電できることが実証されています。
図2 電力パス コンポーネントと関連する処理および周辺機器を含む一般的なDC急速充電ブロック図の例を示します。
シリコンカーバイド (SiC) ベースのコンポーネントは、電力網やEV充電ステーションなどの公共エネルギー インフラストラクチャに、より優れた電力供給ソリューションを提供できることが判明しました。このようなソリューションは、伝導損失、漏れ電流、熱管理、サージ容量、および電力密度の改善をもたらす可能性があります。さらに、SiCベースのテクノロジーにより、全体的な効率が向上し、信頼性が向上し、全体的なフットプリントが小さくなります。Onsemiのような業界をリードする企業は、SiCデバイスのファミリを提供しています。これらのデバイスを調べ、そのアプリケーションのいくつかを詳しく見てみましょう。
SiCテクノロジー — より良いソリューション
アプリケーションが太陽光、EV充電、さらにはサーバー ファームであっても、SiCテクノロジーはシリコンIGBT/MOSFETなどの従来のシリコン コンポーネントやモジュールよりも優れていることが実証されています。しかし、まずはすべてのデザイナーの頭に浮かぶトピック、つまり効率性から始めましょう。
SiCによって効率はどのように向上するのでしょうか?多くの要因が関係していますが、主にSiCの利点としては、より低い伝導損失 (Vf) でより高い動作温度と周波数 (最高1 MHz) と、より高い最大電圧および電流定格 (ドレイン - ソース間電圧が最大1,800 V、電流容量が最大100 A) が挙げられ、これによりシリコンMOSFETと比較して電力効率が向上し、冷却要件が少なくなります。
見る 図3 SiCテクノロジーが高電圧および高電流アプリケーションに対して最高の総合的な電力能力を提供する仕組みを示す図。
これらのSiCデバイスのオン抵抗は低く、電力容量は非常に高いため、SiCベースのソリューションはより高い動作効率につながります。
図4 SiCベースのダイオードとMOSFETを組み合わせることで、伝導損失を最大73% 低減し、5 kW昇圧コンバータの電力効率を向上させることができることを示します。
SiCベースの回路のフットプリントは、関連するインダクタとコンデンサのサイズ要件が低いため、一般的にかなり小さくなります。実際、同じ電力レベルで動作するシリコンベースの回路と比較すると、スイッチング周波数が高いため、場合によってはサイズが75% も小さくなります。これにより、より高い電力密度が実現します。SiC MOSFETは通常、従来のシリコンMOSFETよりも4倍高価ですが、インダクタとコンデンサが小型化されるため、システム全体のコストは下がります。
組み立てと機械的な統合に関しては、SiCコンポーネントを組み込んで全体のコンポーネント数を削減するQ0/Q1/Q2PACKモジュールなどのOnsemiのPIMにより、製造プロセスが簡素化され、開発リスクが低減されると同時に、市場投入までの時間が短縮されることが実証されています。
さらに、個別の非統合ソリューションでは、通常、絶縁パッドやヒートシンクなどの熱管理コンポーネントの組み立てに時間がかかり、熱接触不良のリスクも高くなります。PIMソリューションは、組み立てプロセスを大幅に簡素化し、組み立て時間とコストの削減と信頼性の向上を実現するとともに、電力密度の利点により最終製品の小型化も実現します。
図5 は、ディスクリート ソリューションとPIMモジュールの組み立てプロセスの比較を示しています。
オンセミコンダクターのパワーソリューションを最新のSiCアプリケーションに適用
onsemiのPIMモジュールは、スイッチングの高速化、電力効率の向上、電力密度の向上を実現し、システム コストとサイズの削減も実現しますが、それだけではありません。PIMモジュールは必ずしもディスクリート コンポーネントよりも優先されるわけではなく、アプリケーションの電力定格とパフォーマンスおよびコストの考慮事項が一般的に設計上の決定に影響します。onsemiはディスクリートとPIMの両方のSiCソリューションを提供しています。
図6 は、ディスクリート ソリューションとPIMソリューションのどちらを選択するかを示しています。
UPS、モーター駆動、PVインバーターなどのアプリケーションに使用される高電圧補助電源のDCリンク電圧は通常300 VDC ～ 1,000 VDCの範囲であるため、ディスプレイ、ファン、ヒーター用の低電圧補助PSUを組み込むことは困難です。しかし、SiC MOSFETは、はるかに高いブロッキング電圧と広い入力電圧範囲で動作するため、システムの柔軟性と機能が向上します。さらに、SiCの利点のセクションで説明したように、周波数が高くなり、オン抵抗が低くなると、はるかに小型で高電力のソリューションが実現します。しかし、75 kHzで動作するESBC構成の電源と300 kHzで動作するSiCベースの電源を直接比較してみましょう。SiC供給により、サイズが小さくなり（約半分）、出力が20% 増加し、電力効率が大幅に向上します。
サイズと効率の比較については 図7 を参照してください。
onsemiは、アプリケーションのニーズに基づいて、幅広いスイッチング テクノロジとパッケージ タイプ、および絶縁ドライバを提供しています。
OnsemiのSiCデバイスの全ポートフォリオについては、 図8 を参照してください。
結論
SiCテクノロジーは、急成長を遂げている国費による公共エネルギーインフラ業界で使用される高出力ハードウェアの電力効率とシステム信頼性を向上させるとともに、全体的なシステムコストとサイズを削減する多くの利点を提供します。
再生可能エネルギーを活用する電力網、EV充電ステーション、その他の高電圧/高電流アプリケーションのいずれであっても、SiCの利点を考慮する必要があります。あらゆるアプリケーションに適した幅広いSiCデバイスについては、Arrow.comでオンセミコンの業界をリードする製品ポートフォリオをご覧ください。