シリコンカーバイドパワーモジュールは、アクティブフロントエンドの効率を最大化します

UPSを設計するエンジニアたちは、24時間365日スムーズな企業データセンターの運用を確保するために細心の注意を払っていますが、電源装置が毎年米国の電力を90TWh消費することも認識しています — これは30の大規模で有害な石炭火力発電所を維持するのに十分な量です。そして、もうひとつの設計の分野では、電力エンジニアたちが電気自動車（EV）の急速充電器を迅速に充電できるようにすることへ取り組んでおり、電力のコストやその生成が環境に与える影響をより深く意識しています。

エンジニアがどのような応用分野をターゲットにしていても、効率、電力密度、コストに関する懸念は共通しています。そして、まだ設計に用いていない場合でも、解決策がシリコンカーバイド（SiC）技術にあるかもしれないという認識は持っています。
このWolfspeedの専門家による論文では、これらの懸念に対処するためにシリコンカーバイド（SiC）が高電力用途においてシリコン（Si）ベースのデバイスよりもはるかに優れた選択肢であることを示す、比較を実施しています。この実証では、UPSや充電器システムの重要な構成要素であるアクティブフロントエンド（AFE）を使用し、サイズと電力密度の向上、電力損失と効率、部品表（BOM）のコストを探求しています。
この論文は、SiCの利点に対する一般的な認識をより明確な理解に変え、非効率な従来技術を超えて、より多くのSiCベース設計経験への道を切り開くことを目指しています。

広範な課題

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することができます:

これらすべての課題を同時に解決する技術は、製品の競争力だけでなく環境にも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（SiC）は、その材料特性およびそれによるデバイス特性によって、上記のリストに挙げた要件をエンジニアが確認できるようにします。   従来のシリコン（Si）技術と比較すると、SiCデバイスはSiよりも2～3倍低いオン状態の電圧降下を提供し、これによりSiCスイッチの導通損失を低減します。SiCデバイスは多数キャリアデバイスであるため、Siでは可能な速度よりはるかに高いエッジレート（di/dt）を提供します。また、Siより10倍高い絶縁破壊電界により、SiCデバイスは同じパッケージ内でより高い電圧に耐えることができます。   3.3～4.5 W/cmKの高い熱伝導率は、シリコンの1.5 W/cmKと比較され、SiCデバイスが熱をはるかに迅速に放散することを可能にし、システムの冷却要件を軽減するのに役立ちます。また、SiCチップ温度は250～300°C（Siの125°Cに対して）に達することが可能で、Wolfspeedデバイスの接合温度は175°Cまで達しても信頼性に影響を与えません。これにより、デバイスを高温で動作させることができ、冷却装置を小型化することも可能になります。   WolfspeedのSiCパワーモジュールは、Siバージョンに対して以下の利点を提供します：

AFEトポロジーの適用の利点

AFEは、ほぼすべてのグリッド接続型コンバータに適用可能です。今日の新興市場で注目されている2つの主要なトポロジーが 図1 に示されています。二重変換UPSアーキテクチャは、AFEまたは整流器、DC/DCコンバータ、インバータで構成されています。通常の電力フローでは、バッテリーを維持するためにDC/DCコンバータに小さな電流が流れます。ほとんどの電力はDCリンクを通ってインバータに送られ、負荷に供給されます。 電力障害時には、AFEがスイッチングを停止し、DC/DCコンバータがバッテリーからインバータへ電力を送って負荷に供給します。一部の用途では、バッテリーを使用して不適切な負荷やグリッド側の電力品質を補正する場合もあります。

オフボードDC急速充電器においても、AFEはコンバーターを電力網に接続します。AFEは電力網の電圧を安定したDCリンク電圧に整流し、それを利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ーは、AFEがDC-DCコンバーターに直接インターフェースすることで、EVを迅速に充電できるため、より簡単です。 両方の用途において、AFEは3つのハーフブリッジパワーモジュールを使用します。これは各フェーズに対して1つずつです。

問題の定義とデザイン目標

IGBT ベースの AFE における主な問題は、サイズが大きく効率が悪いことです。これらはスイッチング損失が高く、また大きな熱源としても機能するため、エンジニアは大規模な冷却システムを使用するか、発生する熱を抑えるために性能を犠牲にするかの選択を迫られます。しかし、需要には多少の違いがあるものの、すべての顧客が望むのは、高効率なシステムであって、ヒーターではありません。   したがって、AFE 設計の目標は次のように定義できます:

これを念頭に、AFEシステムのIGBTおよびSiCバリアントが、よく調整されたDCバスを備えた200 kWの高品質な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およびSiCベースのシステムは、コンポーネントのサイズと損失の比較を並べて行う前に広く紹介されています。   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に示されているのは、パワーモジュールとその物理的冷却要求を含む回路図です。最優秀なコンポーネントを使用するため、現在主流となっているIGBTモジュールの中からEconoDUAL®パッケージのモジュールが選ばれました。このトポロジーでは3つのパワーモジュールが必要です—図に示された各赤いボックスには、1つのパワーモジュール、ヒートシンク、および2つのファンが含まれています。

システムは100 µHのインダクタを必要としながら、最大8 kHzの周波数でスイッチングできるよう最適化される可能性があります。周囲温度が40°Cの場合、IGBTの接合温度 (Tj) は130°Cに達し、別個のダイオードチップの接合温度は140°Cに達します。そのため、スイッチング周波数を8 kHzに制限した後でも、大型のヒートシンクとモジュールごとに2つのファンが必要となりました。

SiCベースのシステムは、Wolfspeed XM3パワーモジュール、XAB400M12XM3を使用しました。このシステムははるかに高い25 kHzでスイッチングを行い、30 µHのインダクタを使用しています。同じ40℃の周囲温度において、MOSFETの接合部温度は164℃に達します。再度、 図3 に示されている各赤いボックスはモジュールを構成しており、冷却要件が大幅に低減されています。

電力モジュールの比較

WolfspeedのXM3パワーモジュールプラットフォームは、同等の定格を持つ62-mmモジュールと比較して、体積が60%少なく、面積が55%少なくなっています。同様の定格を持つEconoDUAL® IGBTモジュールと比較すると、サイズ、体積、重量の削減はさらに顕著です。

XM3プラットフォームの主な特徴は以下の通りです:

検討中のAFEにおいて、表1はIGBTパワーモジュールの損失をCAB400M12XM3と比較しています。

表1: 損失比較では、SiCがIGBTに対してモジュールごとの損失を40%削減することを示しています。

表1に示されているように、WolfspeedのSiC技術を使用することで、スイッチング損失と伝導損失の総量を削減することができ、これにより残りの広範な課題に対応することが可能になります。特に注目すべき点として、Wolfspeed SiC MOSFETの固有のボディダイオードは、Siのものの1%未満の逆回復電荷（Qrr）を持っています。この問題を多少緩和するために、IGBTモジュールには別々のダイオードが含まれており、これが別途追加的に損失に寄与することになります。

より小型で軽量な冷却システム

ウルフスピードのSiCテクノロジーによって許容される高いMOSFET接合温度とXM3の低損失は、冷却要件に即座に影響を与えます。   モジュールあたりの損失が1.11 kWの場合、すべてのEconoDUAL®は大きなヒートシンクに取り付ける必要があり、冷却効率を確保するためにそれぞれ1つのプッシャーファンとプララーファンを備えます。冷却システムの体積はモジュールあたり6.4 Lです。   損失が40%低減されることを考慮すると、XM3はより小さなヒートシンクと1つのファンだけで同様の結果を得ることができます（@40°C）。冷却システムの体積はわずか3.7 Lです。   この冷却システム体積の42%削減には、さらに別の利点が伴います — AFEシステムの熱ソリューションコストの70%削減です。

パッシブへの影響

スイッチング周波数を8kHzから25kHzへ3倍に増加させることで、SiCベースのAFEはより小型のパッシブ部品を必要とします (図6)。

前述の通り、必要なインダクタンスをIGBT設計の100 µHから30 µHに減らすことで、3分の1に縮小できます。この結果、物理的なサイズが約37%減少します。さらに、インダクタにおけるI²R損失も約20%削減されます。   AFE例で必要とされる電力レベルに対応するために必要な磁性材料（コアおよび銅巻線を含む）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ベースの設計ではわずか550 µFの容量で済みます。図6に示される並列比較からも分かるように、必要な容量の体積は54%削減されています。

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倍の増加が、制御帯域幅の3倍の向上につながり、これにより動的な条件への応答時間がより速くなります。冷却システムを含む受動素子への負担が軽減されることで、これらのコンポーネントをあわせたBOMコストが37%削減されます。   また、SiCベースのAFE（Active Front End）は、IGBTベースのシステムと比較して損失が40%低減されます。24時間365日連続稼働するシステムの場合、年間26MWhのエネルギー節約につながります。環境的なメリットに加えて、1kWhあたり$0.10の電力コストで計算すると、SiCは年間運用コストを$2,591削減することができます。   性能、受動素子のBOMコスト、および運用コストを超えた視点で見ると、SiCベースのシステムはサイズと重量が大幅に小型化されています。IGBT版に比べてシステムの体積を42%削減する効果があります (図7)。

結論

同等の定格AFEシステムにおける、最高峰のIGBT EconoDUAL®とWolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFETパワーモジュールの並列比較により、SiC技術が前述の設計者の要望リストを実現することが明らかになります。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、全体的なシステム応答性と性能を強化し、システム全体の体積を削減して非常に高い電力密度を実現し、全体的な受動部品BOMコストを削減することで競争力を高めます。