ウルフスピードシリコンカーバイドによるエネルギー効率基準

シリコンカーバイド (SiC) は、サイズ、重量、および電力要件に関する新たな効率基準を妥協なく満たす能力を持つ半導体技術を提供します。

30の加盟国と8つの国別提携を含む国際エネルギー機関（IEA）が提供する2021年10月の統計データは、エネルギー消費の効率向上への取り組みを改めて裏付けています。国家予算におけるエネルギー効率化と再生可能エネルギーへの割り当ては増加を続ける中で、IEAはエネルギー効率化に充てられる予算の割合が1990年の7%から2020年には26%に跳ね上がったと指摘しています。¹

新しい発電所の建設には5億ドル以上の費用と2～6年の期間がかかります。一方で、家電市場の年間平均成長率（CAGR）が約7%であることから、新しいエネルギーを生産する能力を上回っています。そのため、政策づくりはグローバル資源の効率的な利用に関する議論が中心となっています。

アメリカ地域では、ENERGY STAR®および80 PLUS®規格がエンジニアリングと消費者の行動に影響を与えています。特にENERGY STARプログラムは、その要求事項を拡大し、家庭用および商業用電気自動車（EV）充電器を含むようにしています。

ヨーロッパ、中東、アフリカ（EMEA）地域では、今世紀中に地球の温暖化を2°C未満に抑えるというパリ協定の目標達成の緊急性が、暖房、換気、空調（HVAC）システムの効率向上に焦点を移してきました。

中国・東南アジア地域（GCSEA）では、消費者向け電化製品の効率性を重視し、新しいラベル付けおよび最低エネルギー効率性能基準を導入しています。例えば、2020年7月1日、中国は世界で最も厳しい部屋用空調機器のエネルギー効率基準を施行し、約15%の効率向上を要求しました。この国がこれらの電化製品の最大の購入及び製造国であるため、これにより大幅なエネルギー使用量削減や炭素足跡削減が期待されています。

効率性のニーズは、Wolfspeed シリコンカーバイドによって満たされます

新しい効率基準の直接的な影響は、サイズ、重量、そして電力要件を非現実的なトレードオフなしで満たす能力を持つ半導体技術として、シリコンカーバイド（SiC）の必要性が明白であることです。

SiCテクノロジーにおける最大の市場シェア、30年以上にわたる電力イノベーション、そして17年以上のダイオードおよびMOSFET製造の実績を誇るWolfspeedは、モーターやスイッチモード電源（SMPS）など、多くの産業に広く使用される主要な用途や、EV充電インフラのような急成長セグメントの基準要件を満たす設計者を支援します。同社のSiCデバイスは従来のシリコン（Si）コンポーネントをはるかに凌駕し、効率と信頼性の新しい基準を確立しています。

IECモーター効率基準への対応準備完了

電力の単一最大の最終用途は、家庭用電化製品、産業システム、そしてますます増加しているEVにおける電動モーター駆動システム（EMDS）によるものです。2009年には、EMDSの稼働によって、推定で世界の電力消費量の43%から46%と6,040メガトン（Mt）のCO2排出量が生じました。政策や基準の支援がなければ、EMDSは2030年までに年間13,360TWhを消費し、8,570MtのCO2排出につながる可能性があります。²

グローバル規格であるIEC/EN 60034-30-1標準は、この用途領域における効率性に対応しています。国際効率クラス1（IE1）からIE4の効率クラスを定義し、さらに近日中にIE5クラスが追加される予定です。この規格は2014年に範囲を拡大し、2極、4極、6極、8極のモーターで、120Wから1,000kWの定格出力、および入力電圧が50Vから1kVのものが対象となりました。

多くの国ではすでにIE3の最低効率基準を要求しているか、近い将来その基準が義務付けられる予定であり、EMEAでは、2023年7月から75kW～200kW範囲のモーターに対してIE4が要求されます。2.2kWの4極モーターにおいて、IE2からIE3への移行は効率を84.3%から86.7%に向上させ、損失を15.2%削減することを意味します。一方、IE3からIE4への移行では、効率が89.5%に向上することで21%の損失削減が必要となります。このような移行にはシステムの再設計が求められますが、SiからSiCへの変更によりそのプロセスが簡素化されます。

EV（電気自動車）では、90kWから350kW以上のEV駆動インバーターが使用されており、効率を向上させ、サイズと重量を減少させることは車両の航続距離最大化につながります。WolfspeedのSiCベースの設計は、回生ブレーキを可能にする双方向設計を簡素化し、損失を80%削減し、サイズを30%減少させることでシステムコストを低減します。図2の実際の走行例がそれを示しています。

スイッチング電源 (SMPS) 効率の新しい基準

SMPSは商業、産業、家庭用電化製品、エネルギー、EVセグメントで広く使用されています。たった1つの用途であるデータセンターは、2018年には約205 TWh、つまり世界の電力使用量の1%を消費したと推定されています。

ENERGY STARの効率要件は、80 PLUSプログラムのプラチナおよびチタニウム認証要件、さらにヨーロッパのEUエコデザイン（ErP）Lot 9規制によって上回られています。また、これらの規制には2026年1月にさらに厳格な更新が予定されています。Open Compute Project（OCP）のORV3 PSU仕様は、ORV2および80 PLUSチタニウムよりも損失を40%削減することを要求しています（図3）。

これらの基準は電源設計に新たな要求を課し、設計者が使用するトポロジーを慎重に評価する必要があります。最新の80 PLUS基準に対して、低周波側でSiダイオードを使用したSiCベースの半ブリッジレストーテムポール型パワーファクター補正（PFC）が98.9%の効率を達成できましたが、ORV3は、すべてSiC–MOSFETを使用したブリッジレストーテムポール型PFCに移行し、99.1%の効率を実現することを求めています。

WolfspeedのC3M™ 650 V SiC MOSFETは、この用途に特に適しています。その2.2 kWのPFCリファレンス設計は、工業用、EV充電器、およびサーバー/通信電源ユニット（PSU）用途において、80 PLUS Titanium標準を達成し、効率>98.5%およびTHD<5%を実現します。

ENERGY STAR® 認定のEV充電器

米国政府は、今後5年間で50億ドルの資金を承認し、最低150 kWの出力をポートごとに提供し、同時に4台のEVを充電できる500,000台のDC急速充電器のインフラを構築する計画を進めています。一方、電気自動車供給装置（EVSE）に関するENERGY STARの仕様は2021年3月31日に施行され、最大65 kWの充電器に対して最低93%の活性充電効率を義務付けるとともに、その適用範囲に最大350 kWのDC急速充電器を含めました。ENERGY STAR認証を取得したEV充電器は、待機モードで使用するエネルギーが一般的に約40%少なくなります。

商業ユーザーも家庭ユーザーも同様に、ENERGY STAR認証を求めています。そして、WolfspeedのMOSFETとダイオードは、1%から2%高い効率性、同等のシステムコストで35%から50%の電力密度の増加、システム全体の冷却の削減、より小型で低価格な機械的ハウジング、そしてシリコンベースの設計では可能でない車両からグリッドへの双方向充電を実現します (図4)。

エネルギー効率のポートフォリオ

比類のない幅広い設計要件に対応するために、Wolfspeedは幅広いシリコンカーバイド（Silicon Carbide）ポートフォリオを提供しています。このポートフォリオには、600 Vから1700 Vまでスケールする製品が含まれ、3.3 kV以上の製品も開発中であり、さらに1 Aからほぼ1 kAまでのパワーモジュールがあります。どのような電力アプリケーションであっても、最新の規格を満たすと同時に、今後の開発ロードマップにおける要求を計画するために役立つWolfspeedのシリコンカーバイド離散製品、標準を満たした小型・ベースプレートなしモジュール、または最適化されたフットプリントの高出力モジュールがあります。

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