エネルギー貯蔵システム用シリコンカーバイド
シリコンカーバイド (SiC) は、ワットからメガワットまで、産業、エネルギー、自動車分野のさまざまなアプリケーションで電力業界を変革する確立された技術であることが広く認識されています。これは主に、スイッチング周波数の向上、動作温度の低下、電流および電圧容量の増加、損失の低減など、従来のシリコン (Si) および絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) の実装に比べて多くの利点があるためで、これにより電力密度、信頼性、効率が向上します。また、温度の低下と磁気部品の小型化により、熱管理および電源コンポーネントは小型化、軽量化、低価格化が進み、総BOMコストが削減されるとともに、フットプリントも縮小できるようになりました。
SiCは成熟した技術となり、特に電気自動車の充電やバッテリー付き太陽光発電システムなどのエネルギー貯蔵アプリケーションにおける充電と放電など、電力供給を必要とするシステムにとって非常に一般的なソリューションとなっています。こうした種類のシステムには通常、DC/DCブースト コンバータ、双方向インバータ (AC要素とDC要素の両方を含む)、柔軟なバッテリー充電回路など、SiCテクノロジを活用する機会がいくつか含まれています。簡単に言えば、SiCにより、システム効率が最大3% 向上し、電力密度が50% 向上し、受動部品の体積とコストが削減されます。
ほとんどのエネルギー貯蔵システム (ESS) には、SiCコンポーネントのメリットを享受できる複数の電力ステージがあります。Wolfspeedは、これらのコンポーネントを、 ショットキー ダイオード/MOSFET (最大100 Aの電流定格パッケージ/196 Aベアダイ パッケージ) や、最大450 Aの電流定格を持つWolfPACKファミリのデバイスに見られるような 電源モジュール など、さまざまな形式で提供しています。単相住宅用システム (5～15 kW) でも三相商用システム (30～100 kW) でも、アーキテクチャと電力回路トポロジは似ていますが、電力レベルに応じて拡張できます。
図1 は、電源 (このアプリケーションでは太陽光発電 (PV) ですが、これは任意の代替エネルギー源に置き換えることができます)、DC/DCコンバータ、バッテリ チャージャー、および家庭にエネルギーを供給したり、グリッドに戻したりするためのインバータを備えた一般的なESSアーキテクチャを示しています。この構成の3つの電源ブロックすべてにおいて、SiCにより効率、サイズ、重量、コストが向上します。
図1: 住宅用または商業用のESS構成
ESSパワーブロックにおけるSiCの利点
上に示したように、収集したエネルギーを管理し、後で貯蔵したり、家や建物に電力を供給したりする際に、いくつかの電力段階が関係します。DC/DC変換セクションは、多くの場合、PVアプリケーション用のブースト コンバータで構成されており、システム効率と電力密度の向上という点で大きなメリットがあります。Siなどの従来の技術と比較した場合、SiCの一般的な利点としては、システム サイズの70% 削減、エネルギー損失の60% 以上の削減、システム コストの最大30% 削減などが挙げられます。
図2 は、複数のSiC MOSFETとダイオードを含む60 kW SiCベースのインターリーブ ブースト コンバータ (Wolfspeedリファレンス デザイン CRD-60DD12N より) の例を示しています。4つのインターリーブ チャネルにより、出力電力を最大60 kWまで拡張しながら、出力を850 VDCで99.5% の効率に維持できます。この設計には、2つの C3M0075120K MOSFET (ケルビン ソース ピン付きのTO-247-4Lパッケージ)、チャネルごとに2つの C4D10120D ダイオード、および >CGD15SGOOD2 絶縁型ディスクリート ゲート ドライバが含まれています。
図2: 60kW SiCベースのインターリーブブーストコンバータのリファレンスデザイン
上の図のリファレンス デザインでは、さまざまなスイッチング周波数でBOMコストの分析/比較が実行されました。より高い周波数 (60 kHzに対して100 kHz) では、コンポーネント/磁気部品がより小型で軽量になるため、大幅なコスト削減が実現できますが、動作温度が高くなるため、冷却によってコストがいくらか上昇する可能性があります。しかし、全体的に見ると、周波数が高くなると、一般的に電力密度が高くなり、システム効率が高くなり、コストが低くなることを意味します。このようにして、SiCはより低価格でより優れたパフォーマンスを提供することができます。
Wolfspeedの別のリファレンス デザイン (図3) では、インバーターとDC/DC充電回路の両方におけるSiCの利点が強調されています。この設計は単相モードまたは三相モードで動作し、充電と放電の両方で98.5% を超えるピーク効率を実現します。コンバータ部は、わずか6個のSiC MOSFETを使用した、単相接続と三相接続の両方に対応したシンプルな2レベルAC/DCコンバータで構成されています。この構成は、ほとんどのIGBTコンバータほど低コストではありませんが、効率と損失の点で優れています。T型AC/DCコンバーターは、同様のスイッチング周波数と同様の効率を提供しますが、制御が複雑になり、部品点数が多くなり、電力密度が低くなることがよくあります。
図3: SIC MOSFETを使用したシンプルな2レベルインバータ/アクティブフロントエンド（AFE）
上図の設計では、DCリンク電圧は最大900 Vですが、バッテリー電圧は通常約800 Vです。電気的ストレスと熱的ストレスを考慮すると、Wolfspeedの C3M0032120K 1200V 32-mΩ SiC MOSFETは、その性能指数、容易な制御とVgs 駆動特性、およびスイッチング損失とクロストークを低減するケルビン ソース パッケージに基づいて最適です。
このトポロジにより、単相インターリーブPFC方式や、すべてのデバイスのスイッチング損失をバランスさせる3相DQ変換空間ベクトルPWM方式など、さまざまな機能を実現する高度なデジタル制御方式が可能になり、非常に柔軟なリファレンス プラットフォームが実現します。スイッチごとにPWM制御を利用すると、熱性能、効率、信頼性を最適化しながら、電力消費を感知してバランスをとるのに役立ちます。
単相充電のさまざまな負荷と電圧範囲にわたって効率をテストおよび測定したところ、SiCは最大98.5% の効率を達成するのに対し、IGBTは最大96% に達する可能性があり、SiCの損失は約38% 低くなることがわかりました。 図4 は、広範囲の電力レベルにわたる充電と放電のAFEの2つのグラフを示しています。
図4: さまざまな電力レベルにおける充電モード（左）と放電モード（右）のAFE効率
3相充電では、システムとデバイスの制限内で適切に動作する熱性能とともに、同じピーク効率が達成されました。T型トポロジーは同様のパフォーマンスを実現できますが、一般的にはより複雑でコストが高くなります。
22kWインバータ/AFE構成を要約すると、 C3M0032120K SiC MOSFETと柔軟な制御方式により、高効率 (>98.5%)、高電力密度 (4.6 W/L)、低損失 (60%)、および200～800 VDCの広いバッテリ電圧範囲を出力しながら、3相および単相AC入力の両方からのDCリンクをサポートできる双方向充電器が可能になります。
DC/DCバッテリー充電回路におけるSiCの利点
多くのトポロジは絶縁型DC/DCコンバータをサポートしていますが、最も主流のソリューションはハーフブリッジおよびフルブリッジLLCコンバータです。リファレンス デザイン (Wolfspeedの CRD-22DD12N ) は、カスケード コンバータまたは単一の2レベル コンバータのいずれかに構成できる22 kWソリューションを示しています。カスケード コンバータは650 V Si MOSFETまたはSiCコンポーネントのいずれかを使用できますが、一般的に部品数が多くなり、伝導損失が大きくなり、制御が複雑になり、システム コストが高くなります。単一の2レベル コンバーターは、より高い電圧 (1,200 V) にSiCコンポーネントを使用し、200 kHzというはるかに高い周波数でスイッチングします。ここでのSiCベースの最大の利点は、ゼロ電圧ターンオン、低電流ターンオフ、EMIのリスク低減などの追加機能により、効率が向上し、損失が低減することです。このトポロジではカスケード コンバータよりも部品数が少ないため、システム コストが削減され、制御が簡単になります。 図5 は、これら2つのレイアウトの違いを示しています。
図5: 22kWフルブリッジCLLC DC/DCコンバータ - カスケード（左）とシングル2レベル（右）
この22kW設計の電力コンポーネントを検討したところ、 C3M0032120K 1,200 V 32 mΩ MOSFETがコンバータに最適な電気的ストレスと熱特性を提供することが再び判明しました。また、Vgsは15Vまで対応しており、運転も楽々です。 可変DCリンク電圧制御 (感知されたバッテリー電圧に基づく) により、最高のシステム効率が実現され、CLLCが共振周波数に近い周波数で動作することが保証されます。バッテリー電圧が低い場合、制御は位相シフト モードに切り替わり、共振周波数範囲外で非効率的に動作することなくゲインが低下します。つまり、同じハードウェアを使用して、より低い出力電圧で同様の高効率を実現できるということです。また、より低いバッテリー電圧が必要な場合は、CLLCプライマリをハーフブリッジとして実行することができ、これによりゲインはさらに低下しますが、効率ゾーンは維持されます。この低い効率は、運用コストが低く、熱設計がそれほど厳しくないため、まだ許容可能です。
図6 は、フルブリッジ構成の充電モードと放電モードの両方の波形を示しています。充電モードのスクリーンショットは、低電流ターンオフ条件でのゼロ電圧ターンオンを示しており、高効率動作を実現します。波形も非常にきれいで、オーバーシュートの少ないスイッチングが含まれているため、EMIの問題を軽減できます。
図6: 22kW SiC DC/DCコンバータの充電および放電モード
コンバータの効率結果はインバータのリファレンス設計と同様で、ほとんどの負荷にわたってピーク効率は98.5% です。可変DCリンク電圧とその結果生じる効率は、設計がハーフブリッジ モードに入るまで97% を超えますが、ハーフブリッジ モードに入ると、充電中の効率と電力供給機能が制限されます。一般的に、SiC MOSFETと柔軟な制御方式を組み合わせることで、単相と三相の両方のAC入力をサポートする高効率 (充電/放電効率 > 98.5%) かつ高電力密度 (8 kW/L) の双方向充電器が可能になります。また、ゲート ドライバーのシンプルさ、熱管理コンポーネント、部品数の削減、磁気部品の小型化により、Siと比較すると、大幅に低いコストで、より高い効率と電力密度が実現されます。
Wolfspeed SiCの利点をまとめると
今日の産業界は、主に熱特性と損失の少ない高速スイッチングにより、SiCコンポーネントから大きな恩恵を受けています。ターンオン抵抗の温度依存性が低いため、MOSFETは高温でも伝導損失が低くなり、高周波スイッチングが可能になります。さらに、高性能ボディダイオードにより共振コンバータアプリケーションで高い信頼性が実現され、出力容量が小さいためLLCコンバータのゼロ電圧スイッチングを容易に実現できます。
図7は、SiCの一般的なサイズ/重量の利点をSiコンポーネント (定格650 V) と比較したものです。通常、シリコン部品にはトランスフォーマーと共振インダクターが必要ですが、SiC構成ではトランスフォーマーとインダクターを統合することで重量とスペースを節約できます。
図7: sicとSiのサイズと重量の比較
また、効率の点では、中程度の負荷ではピーク値が98.5% (前述の例で示したとおり) になりますが、入力範囲全体にわたって最大負荷では97.5% を超えます。WolfspeedのSiCデバイス ファミリは、拡張された高出力モジュールにより、1 kWからメガワットの範囲まで、アプリケーションの完全な電力スペクトルをカバーします。ローエンドの個別ソリューション、中電力レベル向けのWolfPACKモジュール、ハイエンドの高電力モジュール ソリューションにより、設計者はBOMコストと物理的なサイズ/レイアウトを最適化しながら、トポロジと調達に関する多くのオプションを利用できます。電源モジュールは、電力密度を最大化し、レイアウトと組み立てを簡素化し (業界標準のフットプリントを使用)、高電力システムの拡張性を実現し、労力とコンポーネントのコストを抑えながら最高の効率と信頼性を維持します。
AC/DC力率補正、降圧/昇圧DC/DC、高周波DC/DC、双方向AC/DC、DC/DC、DC/ACキットなど、さまざまなトポロジ向けにリファレンス デザイン と 評価キット が提供されています。 SpeedFit設計シミュレーター は、システムレベルの回路の特性評価、一般的なトポロジのモデル化、アプリケーションに適したSiCデバイスの選択に役立ちます。
ディスクリートモジュールを使用する場合でも、高出力モジュールを使用する場合でも、SiCは住宅から産業までさまざまなエネルギー貯蔵アプリケーションで大きな可能性を示しており、Wolfspeedのポートフォリオ/リソースにより、低コストで小さなフットプリントで最も柔軟でスケーラブルな高性能設計が可能になります。