最も控えめな推定によると、電気モーターは世界で使用されるすべての産業用電力の50% 以上、および世界のすべての電力の45% を占めています。産業用モーター駆動システムの効率をほんの少しでも高めることで、世界のエネルギー消費に大きな影響を与え、環境への影響を軽減することができます。世界規模でのエネルギー消費に対処するために、効率基準がますます厳しくなりつつあり、パワーエレクトロニクスの設計者に新たな課題をもたらしています。
Wolfspeedシリコンカーバイドは、従来のIGBTをシリコンカーバイドに置き換えるだけで2.4% 以上の効率向上を実現し、産業用モーター ドライブの効率を向上させる優れたソリューションを提供します。シリコンカーバイドを使用したさらなる再設計により、ドライブとモーターの統合が可能になり、より小型で軽量な組み込み型産業用ドライブを作成できます。
この記事では、WolfspeedのWolfPACK™ パワー モジュールが、損失を最大50% 削減しながら、より小型で軽量、熱的に安定した組み込み型25 kW三相産業用低電圧モーター ドライブを実現する方法について説明します。
SiCの小型ヒートシンクで高効率を実現
一般的なモーター駆動システムは、AC-DC (アクティブ フロント エンド) ステージとそれに続くDC-AC (インバーター) ステージで構成されます。45 kHzでスイッチングする6スイッチ アクティブ フロント エンド (AFE) を備えた25kWモーター ドライブ システムでは、設計者は20 kHzでのシリコン スイッチングをベンチマークすると、フロント エンド ステージで1.3% の効率向上を実現できます。Wolfspeedの30 A定格電力モジュールを100 A定格Si-IGBTモジュールと控えめにベンチマークし、両方とも8 kHzでスイッチングすると、インバーターで同様の改善が達成されます。これら2つの変更を組み合わせることで、効率が2.6% 向上し、システム全体で損失が50% 削減され、元のシステムがIE3であったことを考慮すると、統合モーターがIE4効率基準を達成するのに役立ちます。
シリコンカーバイドを使用したインバーターで実現できる最も注目すべき改善点の1つは、システムで発生する熱が大幅に削減され、設計者がより小型のヒートシンクを使用し、全体的に小型で軽量な産業用モーター駆動システムを設計できることです。
図1: 25 kWインバータ、Fsw = 8 kHz、77% 削減されたSiC MOSFETヒートシンク: 0.31 L (1.6°C/W) vs. 1.37 L (0.73°C/W)
上記のグラフは、0.8 Lヒートシンクを備えた25 kWインバーターで、Wolfspeedのシリコンカーバイド6パックWolfPACK™ モジュールを従来のシリコンIGBTモジュールと比較して使用した場合の効率の向上を示しています。電力レベルが増加すると、50 Aおよび100 A定格のシリコンIGBTの接合部温度が上昇し、故障の原因となりますが、Wolfspeedの32 AシリコンカーバイドMOSFETは安定した状態を維持し、故障しきい値をはるかに下回っています。
上記の効率改善は、ピーク負荷時だけでなく部分負荷時でも実現されることに注意することが重要です。一部の部分負荷では効率改善がより大きくなり、これらのマシンの一般的な負荷プロファイルに最適です。さらに、テスト対象のシリコンカーバイドデバイスは、最大負荷時の接合部温度が105°Cの低電流定格部品であるため、許容システム制限を最大化するための重要なバッファーが作成されますが、50 A IGBTモジュールは制限を大幅に超えており、100 A IGBTは最大負荷時に制限をわずかに超えています。ここでの「制限」は150°Cと定義されており、電源モジュールのシステムにおける最大許容接合部温度の通常のシステム要件に基づいています。
図2: 25kWインバータ、Fsw = 8kHz、大型Si IGBTヒートシンク: 1.37L (0.7°C/W)、小型SiCヒートシンク0.8L (0.99°C/W)
実行可能で機能し、最適化されたシステムを確保するために、別のヒートシンクを使用してIGBTヒートシンクのサイズを0.8 Lから1.37 Lに増やし、シリコンカーバイド ヒートシンクを61% 削減して、その接合部温度を上げてバッファを削減しました。その結果、IGBTと比較して、シリコンカーバイド ソリューションのヒートシンクが77% 小型化されました。これらの変更にもかかわらず、50 A IGBTは依然として150°Cの温度制限を大幅に上回っていますが、32 Aの部品と100 A IGBTは最終的に約129°Cの同じ接合温度になります。また、シリコンカーバイドインバータの効率が1.1%向上したことも注目に値します。要約すると、3相供給の25 kWシステムで、シリコンカーバイドを使用した小型で最適化されたヒートシンクを使用すると、当初IE3であった統合モーターのIE4効率基準を達成しながら、損失が600 W削減され、全体で2.4% の効率向上が実現します。
追加コストなしでシステム全体の損失を最大50%削減
シリコンカーバイドは、産業用低電圧モーター駆動のシステムレベルで大きな価値をもたらします。シリコンカーバイドデバイスの初期コストは従来のシリコンIGBTよりも高くなる可能性がありますが、スイッチング周波数が高く損失が少ないため、受動部品やヒートシンクへの投資が少なくて済みます。
この最適化されたシステムにより、最大605 Wの節約が可能になり、年間8,200時間稼働するさまざまな負荷プロファイルを考慮すると、2023年11月時点の中国の電気料金に基づくと、25 kWシステムの場合、年間1,297.8人民元の節約となり、今後15年間で最大約19,000人民元が節約されます。IGBTをシリコンカーバイドデバイスに置き換えると、初期コストは高くなる可能性がありますが、システム全体のコストを考慮すると、シリコンカーバイドのコストの高さは受動部品の削減によって相殺され、同時に産業用モーター駆動エンドシステムの効率が新たなレベルにまで向上します。
図3：25kWインバータ、FSW = 16kHz、41％削減SiC MOSFETヒートシンク：0.80L（0.99° C/W) vs 1.37 L (0.73°（C/W）
図3では、シリコンカーバイドがさらに高いスイッチング周波数で優れた性能を実現する仕組みをさらに裏付けています。ここでは、スイッチング周波数を8 kHzから16 kHzに上げ、同等のIGBTヒートシンクよりも41% 小さいヒートシンクを使用します。ウルフスピードのシリコンカーバイドFM3 6パック電源モジュールでは、99%以上の効率を維持しており、150に近い° ピーク負荷時のC温度制限。50 Aおよび100 AのIGBTでは、スイッチング損失の増加により、それぞれ約10 kWおよび15 kWで熱障害が発生し始めます。これらの高電流定格のIGBTをWolfspeedのFM3シリコンカーバイドモジュールと同じくらい効率的に動作させるには、設計者ははるかに大きなヒートシンクまたは高電流定格の部品を組み込む必要があります。興味深いことに、16kHzでのシリコンカーバイドを使用したインバーターの効率は、8kHzでのIGBTを使用したインバーターの効率よりも依然として高くなっています。
結論は
結論として、従来のシリコンIGBTをシリコンカーバイドに置き換えると、25 kWの産業用低電圧モーター駆動システムで全体の効率が最大2.6% 向上します。負荷プロファイル全体にわたって、より高い電力レベルでの高効率改善が可能になり、大幅なエネルギー節約につながります。シリコンカーバイドは、受動部品とヒートシンクが小型化されるため電力密度も向上し、システム全体のコストとサイズの最適化につながります。さらに、SiCデバイスの接合部温度が高くなり、熱放散が改善され、損失が低減されるため、設計者はよりコンパクトなシステムを構築でき、ドライブとモーターの統合が容易になります。
Wolfspeedが産業用低電圧モーター ドライブの進化をどのように推進しているかについては、WolfspeedのWebサイトで詳細をご覧ください。