ウルフスピードのパワーモジュールが三相産業用低電圧モータードライブを革新する方法

最も保守的な推定によると、電動モーターは全世界の産業用電力の50%以上、全世界の電力全体の45%を占めています。産業用モータードライブシステムをわずかでも効率的にすることで、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。エネルギー消費に対処するため、ますます厳しい効率基準が世界的に登場しており、パワーエレクトロニクス設計者に新たな課題を提示しています。

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効率を 2.4% 以上向上させることにより、産業用モータードライブの効率を改善するための優れたソリューションを提供します。さらにシリコンカーバイドを用いた再設計により、ドライブとモーターの統合が可能となり、小型で軽量の組み込み型産業用ドライブを実現できます。

本記事では、Wolfspeed の WolfPACK™ パワーモジュールが、最大 50% の損失削減を実現しながら、より小型で軽量、温度安定性に優れた埋め込み型の 25 kW 三相低電圧産業用モータードライブをどのように可能にするのか探ります。

SiCを使用して、より小型のヒートシンクで高い効率を実現

典型的なモータードライブシステムは、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）ステージで構成されています。45kHz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、20kHzでスイッチングするシリコンと比較した場合、設計者はフロントエンドステージで1.3%の効率改善を実現できます。同様の改善は、Wolfspeedの定格30Aのパワーモジュールを保守的に定格100AのSi-IGBTモジュールと比較した場合、両者が8kHzでスイッチングする条件下でもインバータにおいて達成できます。これら2つの変更を組み合わせることで、効率改善率は驚異的な2.6%となり、システム全体の損失を50%削減し、統合されたモーターが元のIE3のシステムでIE4効率基準を達成する助けとなります。

シリコンカーバイドを使用したインバータで最も注目すべき改善点の1つは、システムで発生する熱の大幅な減少であり、これにより設計者はより小型のヒートシンクを使用し、全体的により小型で軽量な産業用モータードライブシステムを設計することが可能になります。

図 1: 25 kW インバーター、Fsw = 8 kHz、77% 削減された SiC MOSFET ヒートシンク: 0.31L (1.6°C/W) 対 1.37 L (0.73°C/W)

上記のグラフは、Wolfspeedのシリコンカーバイド6パックWolfPACK™モジュールを0.8 Lのヒートシンクを備えた25 kWインバーターで使用する場合の効率が、従来のシリコンIGBTモジュールと比較して向上することを示しています。電力レベルが増加するにつれて、50 Aおよび100 A定格のシリコンIGBTの接合温度が上昇し、故障に至る一方で、Wolfspeedの32 AシリコンカーバイドMOSFETは安定しており、故障閾値を大幅に下回っています。

注目すべき点は、上記の効率向上はピーク負荷時だけでなく部分負荷時にも見られることです。一部の部分負荷では効率の向上率がさらに高く、これらの機械の典型的な負荷プロファイルに理想的に適合します。さらに、テストされたシリコンカーバイドデバイスは、最大負荷時に接合温度が105°Cの低電流定格部品であり、許容システム限界を最大化するための重要なバッファを提供します。一方、50 A IGBTモジュールは限界を大幅に超えており、100 A IGBTは最大負荷時に限界をわずかに超えています。ここでの「限界」とは150°Cと定義され、電力モジュールにおける一般的なシステム要件として許容される最大接合温度に基づいています。

図2: 25 kWインバータ、Fsw = 8 kHz、大型Si IGBTヒートシンク: 1.37 L (0.7°C/W)、小型SiCヒートシンク: 0.8 L (0.99°C/W)

実用的で機能的、そして最適化されたシステムを確保するために、異なるヒートシンクを使用してIGBTのヒートシンクサイズを0.8 Lから1.37 Lに増加させ、シリコンカーバイドヒートシンクを61%削減し、その接合部温度を上昇させバッファを削減しました。この結果、シリコンカーバイドソリューションのヒートシンクはIGBTと比較して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超えておりますが、当社の32 A部品と100 A IGBTの接合部温度はおおよそ129°Cで同等となります。また、特筆すべき点として、シリコンカーバイドインバータの効率が1.1%向上しました。要約すると、3相供給25 kWのシステムにおいて、シリコンカーバイドを使用し、より小型化され最適化されたヒートシンクを採用することで、損失が600 W削減されつつIE3基準の統合モーターがIE4効率基準を達成し、全体の効率が2.4%向上する結果となりました。

追加費用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ドライブにおいてシステムレベルで大きな価値を発揮します。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より高くなる可能性がありますが、スイッチング周波数の向上と損失の低減により、受動部品やヒートシンクへの投資を削減できます。

この最適化されたシステムは、最大で605Wの節約が可能で、年間8,200時間稼働する変動負荷プロファイルを考慮すると、中国における2023年11月時点の電気料金に基づいて、年間で1,297.8RMBの節約が可能です。25kWのシステムで、15年間で約19,000RMBを累積で節約できる可能性があります。IGBTをシリコンカーバイドデバイスに置き換えることは初期コストでは高価になるかもしれませんが、システム全体のコストを考慮すると、受動部品の削減によりシリコンカーバイドの高いコストが相殺されるだけでなく、産業用モータードライブエンドシステムで新しいレベルの効率を同時に実現することができます。

図3: 25 kWインバーター、FSW = 16 kHz、41% 削減されたSiC MOSFETヒートシンク: 0.80 L (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より高いスイッチング周波数でいかに優れた性能をもたらすかをさらにサポートしています。ここでは、スイッチング周波数を8kHzから16kHzに増加させ、同等のIGBTヒートシンクに比べてヒートシンクを41%小型化しています。WolfspeedのシリコンカーバイドFM3シックスパックパワーモジュールを使用すれば、依然として99%近い効率を維持するか、ピーク負荷で150°Cの温度制限近くに到達します。一方、50Aおよび100AのIGBTでは、スイッチングロスの増加により、それぞれ約10kWおよび15kWで熱的に限界に達し始めます。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等の性能にするには、設計者ははるかに大きなヒートシンクや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のインバータ効率は、8kHzでのIGBTのインバータ効率よりも依然として高いです。

結論

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ことで、25 kWの産業用低電圧モータードライブシステムにおいて、全体的な効率を最大2.6%向上させることが可能です。負荷プロファイル全体で高い電力レベル時の効率改善が実現でき、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また、小型の受動部品やヒートシンクの使用を可能にすることで電力密度を向上させ、システム全体のコストとサイズの最適化を実現します。さらに、高い接合部温度の可能性とSiCデバイスの優れた熱拡散特性、そして低損失特性により、設計者はよりコンパクトなシステムを構築しやすくなり、ドライブとモーターの統合が容易になります。

Wolfspeedのウェブサイトで、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支援しているかについて詳しく学んでください。