UPSを設計するエンジニアは、企業のデータセンターが24時間365日スムーズに稼働するように細心の注意を払っていますが、電源が毎年90 TWhの米国の電力を消費することも認識しています。これは、大規模で有害な石炭火力発電所30基を維持するのに十分な量です。また別の設計陣営では、電力エンジニアが、電気料金と発電による環境への影響をさらに考慮しながら、急速充電器がEVを素早く充電できるように取り組んでいます。
あらゆるアプリケーション分野をターゲットとするエンジニアは、効率、電力密度、コストについて共通の懸念を抱いています。そして、たとえまだ設計に取り入れていないとしても、解決策はシリコンカーバイド (SiC) 技術にあるかもしれないと認識しています。
Wolfspeedの専門家によるこの論文では、これらの懸念事項を並べて比較し、高出力アプリケーションではシリコン (Si) ベースのデバイスよりもシリコン カーバイド (SiC) がはるかに優れた選択肢であることを示しています。このデモンストレーションでは、UPSおよび充電器システムの重要な部分であるアクティブ フロント エンド (AFE) を使用して、サイズと電力密度、電力損失と効率、および部品表 (BOM) コストの改善について検討します。
したがって、この論文は、SiCの利点に関する一般的な認識をより明確な理解に変え、定着した効率の低い技術からより優れたSiCベースの設計体験への道を切り開くことを目的としています。
幅広い課題
AFE設計における課題は、エンジニアが望む変更の希望リストとして大まかに表現できます。
- 1. 半導体デバイスのスイッチング損失と伝導損失の低減
- 2. より小型で軽量な冷却システム
- 3. 小型軽量の受動部品 - コンデンサとインダクタ
- 4. 上記すべてに加え、運用コストとBOMコストも削減
これらすべての課題を同時に解決するテクノロジーは、製品の競争力と環境に大きな影響を与える可能性があります。
なぜシリコンカーバイドなのか?
シリコンカーバイドを使用すると、エンジニアは材料と結果として得られるデバイス特性を利用して、上記のリストにある項目をチェックできます。
従来のSi技術と比較すると、SiCデバイスはオン状態の電圧降下がSiの2 ～ 3倍低いため、SiCスイッチの伝導損失が低減します。SiCデバイスは多数キャリアであるため、Siよりもはるかに高いエッジ レート (di/dt) を実現します。Siよりも10倍高い破壊電界により、SiCデバイスは同じパッケージでより高い電圧に耐えることができます。
Siの熱伝導率1.5 W/cmKに対して3.3 ～ 4.5 W/cmKと高い熱伝導率により、SiCデバイスはより速く熱を伝導し、システムの冷却要件を軽減できます。さらに、SiCチップの温度は250 ～ 300°C (Siは125°C) に達する可能性があり、Wolfspeedデバイスの接合部温度は信頼性に影響を与える前に175°Cまで上昇する可能性があります。これは、デバイスがより高温で動作し、より小さな冷却装置で動作できることを意味します。
WolfspeedのSiCパワー モジュールは、Siバージョンに比べて次の利点があります。
- • これらは、さまざまな電圧および電流定格、フォームファクタで提供されるモジュール選択、およびスイッチングと伝導の最適化により、アプリケーションを対象としています。
- • IGBTモジュールと比較してRDS(ON)が低い
- • より高速なスイッチング速度を実現
- • スイッチング損失が低い
AFEトポロジのアプリケーション上の利点
AFEは、ほぼすべてのグリッド接続コンバータに適用できます。今日の新興市場における2つの主要なトポロジーを図1に示します。 ダブルコンバージョンUPSアーキテクチャは、AFEまたは整流器、DC/DCコンバータ、およびインバータで構成されます。通常の電力フローでは、バッテリーの充電を維持するDC/DCコンバータに小さな電流が流れます。電力の大部分はDCリンクを介してインバータに送られ、負荷に供給されます。
電源障害が発生すると、AFEはスイッチングを停止し、DC/DCコンバータはバッテリーからインバータに電力を送り、負荷に供給します。一部のアプリケーションでは、負荷の低下やグリッド側の電力品質の低下を補うためにもバッテリーを使用する場合があります。
図1: AFEは、二重変換UPS (左) とEVオフボード急速充電器 (右) の両方のアプリケーションをグリッドに接続し、AC入力をDCに整流します。
オフボードDC急速充電器でも、AFEがコンバータをグリッドに接続します。グリッド電圧を安定したDCリンク電圧に整流し、それを使用してバッテリーを充電します。オフボード充電器のトポロジはよりシンプルになり、AFEがDC-DCコンバータと直接インターフェースしてEVを急速に充電します。
どちらのアプリケーションでも、AFEは各相に1つずつ、合計3つのハーフブリッジ電源モジュールを使用します。
問題と設計目標の定義
IGBTベースのAFEの主な問題は、サイズが大きく、効率が悪いことです。スイッチング損失が大きく、また大きな熱源でもあるため、エンジニアは発生する熱を下げるために、かさばる冷却システムを使用するか、パフォーマンスを犠牲にするかのいずれかの選択肢しかありません。しかし、需要は多少異なるものの、すべての顧客はヒーターではなく、高効率のシステムに対して支払いたいと考えています。
したがって、AFEの設計目標は次のように定義できます。
- • 入力電流の大きさを制御することにより、通常動作時のDCリンク電圧を調整します。
- • 非常に高い力率で非常に低いTHD（<5%）の電流を供給することで、電力品質の問題を最小限に抑えます。
- • BOMコンポーネントコストを最小限に抑える
- • システムボリュームを縮小してよりコンパクトなシステムを実現
- • 効率を最大化する
これを念頭に置いて、AFEシステムのIGBTおよびSiCバリアントは、適切に調整されたDCバスで200 kWの高品質整流電力を出力するように設計されました。
IGBTとSiCベースの設計
IGBTベースとSiCベースのシステムについて大まかに紹介した後、コンポーネントのサイズと損失を並べて比較しながらさらに詳しく説明します。
AFEの例のようなSiベースの高出力設計では、通常IGBTが使用されます。図2に、電源モジュールとその物理的な冷却要件を示す回路図を示します。 クラス最高のコンポーネントを使用するために、EconoDUAL® パッケージで提供されている今日の主要なIGBTモジュールの中からモジュールが選択されました。このトポロジには、このような電源モジュールが3つ必要です。図に示す各赤いボックスには、電源モジュール1つ、ヒートシンク1つ、ファン2つが含まれています。
図2: 回路内の各赤いボックスは、上に示したEconoDUAL® 電源モジュールと関連する冷却システムで構成されています。
このシステムは、100 µHのインダクタを必要としながら、8 kHzという高い周波数でスイッチングするように最適化できます。周囲温度が40°Cの場合、IGBT接合温度 (Tj) は130°Cに達し、個別のダイオード チップ接合温度は140°Cに達します。これには、スイッチング周波数を8 kHzに制限した後でも、モジュールごとに大きなヒートシンクと2つのファンが必要でした。
図3: SiCベースの回路設計の各赤いボックスには、小型のXM3、小型のヒートシンク、および1つの冷却ファンが使用されています。
SiCベースのシステムでは、Wolfspeed XM3電源モジュール、XAB400M12XM3が使用されました。このシステムは、はるかに高い25 kHzで切り替えることができ、30 µHのインダクタを使用します。同じ40 ° C周囲温度では、MOSFET接合部温度は164に達する。 ° C.再び、図に示す各赤いボックスは 図3 モジュールを構成し、冷却要件が大幅に低くなります。
パワーモジュールの比較
WolfspeedのXM3電源モジュール プラットフォームは、同等定格の62 mmモジュールに比べて、体積が60%、面積が55% 小さくなります。同様の評価を受けたEconoDUALと比較® IGBTモジュールでは、サイズ、体積、重量の削減が大幅に向上しています。
図4: XM3プラットフォームは、EconoDUALに比べて面積と体積が大幅に削減されています®。
XM3プラットフォームの主な機能は次のとおりです。
- • 最大32kW/Lの高出力密度
- • 接合部温度は最大175℃°
- • 低インダクタンス（6.7 nH）
- • スイッチング損失が5倍以上低い
- • 固有のニー電圧なしで低伝導損失
- • パワーサイクル能力を強化する高信頼性シリコン窒化物パワー基板
検討中のAFEでは、 表1 でIGBTパワー モジュールの損失をCAB400M12XM3と比較しています。
表1: 損失の比較では、IGBTと比較してSiCによるモジュールあたりの損失が40% 削減されることがわかります。
表1 に示すように、Wolfpseed SiCテクノロジを使用すると、スイッチング損失と伝導損失の合計が削減され、最初の広範な設計上の課題を克服でき、残りの広範な課題に対処できるようになります。Wolfspeed SiC MOSFETの固有のボディダイオードの逆回復電荷 (Qrr) は、Siの1% 未満であることに注意してください。この問題をある程度軽減するために、IGBTモジュールには、損失に別途追加で寄与する別のダイオードが含まれています。
図5: XM3は、冷却システムの容積を42パーセント、コストを70パーセント削減します。
より小型で軽量な冷却システム
WolfspeedのSiCテクノロジーによって可能になる高いMOSFET接合温度とXM3の低損失は、冷却要件に即座に影響を及ぼします。
モジュールあたりの損失が1.11 kWであるため、冷却効率に十分な空気の流れを確保するには、すべてのEconoDUAL® を、プッシャー ファンとプーラー ファンをそれぞれ備えた大型ヒートシンクに取り付ける必要があります。冷却システムの容量は6.4L/モジュールです。
損失が40% 低いため、XM3では同じ結果 (@40°C) を達成するために、より小さなヒートシンクと1つのファンのみが必要です。冷却システムの容量はわずか3.7Lです。
冷却システムの容積が42% 削減されると同時に、AFEシステムの熱ソリューション コストが70% 削減されるという、さらに別の利点も得られます。
受動的な影響
スイッチング周波数を8 kHzから25 kHzへと3倍に増加できるため、SiCベースのAFEに必要な受動部品は小さくなります (図6)。
図6: SiCベースのAFEは、IGBTベースの設計で必要なものよりもはるかに小さいインダクタ (左) とコンデンサ (右) を使用します。
前述のように、必要なインダクタンスもIGBT設計の100 µHから30 µHへと3分の1に削減できます。その結果、物理的なサイズは約37% 削減されます。さらに、インダクタのI2R損失も20% 近く削減されます。
AFEの例で必要な電力レベルの場合、コアと銅巻線を含む磁気部品のコストは、IGBTベースのAFEに比べてXM3設計では75% 低くなります。
スイッチング周波数の増加により、必要なDCリンク容量への影響も同様になります。IGBTバリアントでは1800 µFが必要ですが、SiC MOSFETベースの設計では550 µFの容量しか必要ありません。図6の並べて比較すると、必要な静電容量の容積が54% 削減されていることがわかります。
AFEシステムレベルの比較
システムレベルでは、SiCによって実現されるスイッチングの3倍の増加は、制御帯域幅の3倍の改善につながり、結果として動的条件への応答時間が速くなります。冷却システムを含む受動部品に対する需要が緩和された結果、それらのコンポーネントをまとめたBOMコストが37% 削減されました。
SiCベースのAFEは、IGBTベースのシステムよりも損失が40% 低くなります。1日24時間、週7日間継続的に稼働するシステムの場合、年間26 MWhのエネルギー節約につながります。環境に優しいという利点に加え、SiCは0.10ドル/kWhのコストで年間運用コストを2,591ドル削減できます。
パフォーマンス、パッシブBOMコスト、運用コストを超えて見ると、SiCベースのシステムはサイズと重量がはるかに小さくなります。IGBTバージョンに比べてシステム容積が42% 削減されます (図7)。
図7: AFEシステムを並べて比較すると、IGBTと比較したSiCシステムのサイズが小さくなっていることがわかります。
結論
同様の定格のAFEシステムでクラス最高のIGBT EconoDUAL® とWolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFETパワー モジュールを並べて比較すると、SiCテクノロジによって前述の設計者の希望リストが実現できることがわかります。WolfspeedのXM3プラットフォームは、システム全体の効率を大幅に向上させ、システム全体の応答性とパフォーマンスを向上させ、システム全体のボリュームを削減してより高い電力密度を実現し、全体的なパッシブBOMコストを削減することで競争力を高めます。