誘導加熱
実用的な誘導加熱の技術は1920年代からあった。誘導加熱産業の成長は、第二次世界大戦中に非常に急速に拡大し、表面/ケース硬化が軍用車両や兵器、車軸やエンジンに使用されました。戦後、より信頼性の高い自動車が求められたため、技術の改良は民間部門でも利用されるようになった。
誘導溶接と高周波焼入れは、パワー・インバータ用の誘導加熱における2つの優れた用途である2。ワイド・バンドギャップ（WBG）パワー・トランジスタは、これらの用途において、シリコン（Si）デバイスよりもはるかに優れた性能を発揮する。この記事では、その理由を説明する。
誘導加熱の仕組み
一般的な誘導加熱（IH）装置は、60Hzから1MHz以上の周波数の交流電流を使用する。初期の誘導加熱設計では、スパークギャップ発振器、モーター駆動の発電機、真空管を使用してこれらの交流電流を生成していました。その後、技術が進歩し、シリコン制御整流器（SCR）が旧式の発電機に代わって使用されるようになりました。現在では、炭化ケイ素（SiC）トランジスタが誘導加熱用電源で最適な性能を発揮している。SiCデバイスは高周波数（従来のシリコンの5～8倍）で動作し、Si IGBTでは達成できない高効率と高電圧を実現する。また、SiCのWBGエネルギーと低い固有キャリア濃度は、Siよりもはるかに高い温度（最大600℃）で半導体動作を維持することを可能にするため、IGBTよりも高い接合温度で動作することができます。SiCは廃熱を低減するため、水冷システムのコストと重量の削減につながります。SiCはまた、IHのワークヘッドにうまく収まるように、同率のSiよりも20倍近く小さいダイ・サイズを持っています（下図1参照）。
誘導加熱システムはいくつかの部品で構成されている：
- 高周波電流を発生する電源
- コイルのインピーダンスを電源に合わせるロード・マッチング・ステーション
- 被加熱物に巻き付けられる誘導銅コイル
- 高出力システムの廃熱を除去する水冷システム
誘導のプロセスは、コイル内に電磁場を作り出し、加熱を必要とするターゲット・デバイスへのエネルギー伝達を可能にする。電流がコイル状に巻かれたワイヤーに沿って流れることで、そのワイヤーの周囲に磁場が形成される。この技術は、大きな高周波交流電流をコイルに流すことで機能し、その結果、非常に強力で急速に変化する磁場が発生する。被加熱物は、この強力な交番磁場の中に置かれる。交番磁場は、被加工物に大きな電流を流します。渦電流と呼ばれるこれらの電流は、被加工物の表面に向かって薄い層となって流れ、抵抗加熱を可能にします。
誘導加熱プロセスは、鋼鉄のような金属や導電性材料にも使用される。小さくて薄い材料は、大きくて厚い材料に比べて素早く加熱される。交流電流の周波数が高いほど、加熱の浸透深度は低くなります。加熱可能な導電性金属の例をいくつか挙げる：
- 銅および銅合金
- 真鍮
- アルミニウム
- 鉄
- スチールおよびステンレススチール
- タングステン
- クローム
- ニッケルおよびニッケル合金
- コバルト
- カーボンファイバー
- グラファイト
- シリシウム
- プラチナ
- シルバー
- ゴールド
IHは効率的で迅速な加熱を実現し、再現性が高く正確である。さらに、炎を使用しないため、より安全なプロセスでもあります。
この記事では、高効率でIHに必要な高周波で動作可能なSiCパワー・トランジスタを使用した設計アーキテクチャの電源について説明する。
電源
電源容量を計算する際には、加熱する材料の比熱、材料の質量、必要な温度上昇を考慮する。また、伝導、対流、輻射による熱損失も考慮して電源容量を決定する必要がある。
IHの用途では、コイルに十分な大電流が流れるため、水冷が必要になる。ACラインからの交流電流は、電源を通して、コイルのインダクタンス、ワークヘッド（この場合、ワークヘッドはタンク回路を保持する装置）の静電容量、部品の抵抗率の組み合わせに沿った高周波交流電流に変換される。被加工物は、この磁場が被加工物に電流を誘導し、それによって熱が発生するように、コイル内に配置される（右図1参照）。
従来、シリコン絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（Si-IGBT）は、産業用および家庭用IHアプリケーションの高周波インバーターの主力製品であった。SiCデバイスは、Siのスイッチング周波数が約20kHzと限られているため、この種のアプリケーションを追い越しつつある。
図1：一般的な誘導加熱システムのブロック図（画像は参考資料1より）
SiCパワートランジスタの使用
業務用誘導加熱
誘導加熱は、大電力アプリケーションのための優れたアプリケーションです。これらのアプリケーションの1つは、金属を液化する効率的な方法です。誘導加熱には非常に高い電流と高周波電力が必要ですが、低伝導損失と相まって、SiC MOSFETは、はるかに効率の低いSi IGBTと比較して、システム全体のコストを最小限に抑えながら、必要な性能を実現します。
誘導溶接と高周波焼き入れ/焼きなましは、パワーインバータの誘導加熱における最も簡単な2つの用途である。
工業用溶接機には最大1 MWの出力レベルが必要で、周波数は溶接される管の特性に応じて200～500 kHzの範囲になる。
焼入れ／焼きなましには、最大400kWの出力レベルと200kHzまでの周波数が必要だが、出力サイクル数は極めて多い。
圧延合金の加熱
10kWから100kWの出力は、小さなビレットとバーエンド用です(ビレットとは、部分的に加工された半完成品の丸棒ですが、最終サイズまでさらに加工されます。棒材は、サイズに完全に圧延された完成品です)。
1MWから5MWの出力はビレット、バー、チューブ用。
100kW～1500kWはビレット、バー、バーエンド加熱用。
10kW～100kWはアニール、乾燥、硬化、コーティング用。
なぜSiCなのか？
WBGエネルギーとSiCの低い固有キャリア濃度により、これらのデバイスはシリコンよりもはるかに高い温度で半導体の挙動を維持することができる。
冷却されない高温の半導体エレクトロニクスを高温環境に直接組み込むことができるため、誘導加熱アプリケーションにとって重要な利点が得られます。高温能力（パッケージングされていないSiC MOSFETダイは400℃の接合温度で動作可能であり、パッケージングされたSiCモジュールは最大175℃のおおよそのデバイス接合温度を有する）により、従来のシリコン半導体を使用するアプリケーションで同様の機能を達成するために必要な液冷、ファン、熱遮蔽、より長い配線の代わりに、性能、信頼性、重量のペナルティーを排除します。
SiCデバイスは高ブレークダウン磁界と高熱伝導率を持ち、これらの特徴に高い動作接合部温度が加わると、非常に高い電力密度と効率を実現します。SiC技術の高ブレークダウン・フィールドと広いエネルギー・バンドギャップは、シリコンのパワー・スイッチング・デバイスで可能なパワー・スイッチングを著しく高速化する。(右の図2を参照）。
SiCパワー・デバイスの高電圧動作が可能になるのは、高速スイッチングを可能にするブロッキング領域が大幅に薄くなるためである。これにより、SiCベースのパワー・コンバータは、より高いスイッチング周波数で、より高い効率（スイッチング・エネルギー損失の低減）で動作することができる。誘導加熱における高いスイッチング周波数は、より小さなコンデンサ、インダクタ、トランスの使用を可能にし、ひいてはタンク回路の小型化を可能にし、電力変換器全体のサイズ、重量、コストを大幅に削減できるため、不可欠である。Siデバイスは、これらのスイッチング速度に対応できません。
特性（対Si） | Si | SiC | LT8614 | 1 | 3.1 |
|---|---|---|
熱膨張係数 | 1 | 1.6 |
誘電率 | 1 | 0.9 |
電子移動度 | 1 | 0.67 |
ホール・モビリティ | 1 | 7.34 |
絶縁破壊電界 | 1 | 7.34 |
飽和速度 | 1 | 2 |
最高使用温度 | 1 | 5.2 |
図2：炭化ケイ素の優れた材料特性を示すシリコンと炭化ケイ素の半導体比較（画像は参考資料5より）
IHに適したコンバーター・アーキテクチャ
誘導加熱アプリケーション用の最も一般的なタイプのコンバータは、ハーフブリッジ共振インバータ（図3）とフルブリッジ共振インバータ（図4）の2つです。共振コンバータの利点は、スイッチング・インスタントにおいて、コンバータを横切る電圧、および／またはコンバータを流れる電流がゼロであるときに、コンバータの状態（オンからオフへ、またはその逆）を切り替えることができることです。これにより、トランジスタのストレスと電力損失が大幅に削減されます。
ハーフブリッジインバーター
基本的なハーフブリッジ・インバータを図3の右側に示す。図3には、直列に接続された2つの同一の直流電圧源（E）、2つのスタティック・スイッチ（Q1とQ2）、2つのダイオード（D1とD2）が示されている。スイッチが逆方向の電流を扱うため、スイッチの保護はD1とD2をSiCデバイス（Q1とQ2）と並列に接続する。ほとんどの単相負荷は一般的に誘導性であるため、図2は誘導性負荷を使用している。2つの大きな電解コンデンサC1とC2が完全に充電されると、電圧源として動作します。コンデンサと並列に2つの等しい抵抗があり（内部/図示せず）、2つのコンデンサの電圧が同じレベルになるようにするだけでなく、ハーフブリッジ・インバータのスイッチが切れると、コンデンサが放電する経路を提供します。
フルブリッジインバーター
図4はフルブリッジLLC共振インバータである。このフルブリッジ構成では、4つのSiCスイッチS1～S4があり、誘導負荷があるため、スナバとして反並列ダイオードを挟んでいる。Cpは共振コンデンサで、直列インダクタLSと、Reqと誘導コイルインダクタ（Lcoil）の直列組み合わせで構成される誘導コイルがあります。Cbは、トランスの一次側に直列に接続された直流遮断コンデンサである。詳細は参考文献3を参照。
フルブリッジLLC共振インバータは、そのシンプルな構造と高効率により、誘導加熱アプリケーションで最も一般的に使用されているインバータの1つです。共振コンバータの主な利点は、このアーキテクチャが、スイッチング瞬間に、それを横切る電圧および/またはそれを通る電流がゼロであるときに、その状態を切り替える（オンからオフへ、またはその逆）ことです。これにより、トランジスタのストレスと電力損失が大幅に削減されます。
図3：共振負荷ハーフブリッジインバータ（画像は参考資料3より）
図4 フルブリッジLLC共振インバータ（画像は参考資料3より）
その他のIHアプリケーション
結論
参考文献
- 誘導加熱とは何か、誘導コイルはどのように機能するのか、アンブレル誘導加熱ソリューションズ主催、2015年1月27日、AZOマテリアルのウェブサイトに掲載
- 産業用誘導加熱アプリケーション用高出力高周波インバータにおけるSiCデバイスの実用化、エンリケ・J・デデ、ホセ・ジョルダン、ビセンテ・エステベ、IEEE 2016
- SiCトランジスタを用いた再生可能エネルギー誘導加熱用パワーエレクトロニクス、Mathew M'kandawire, Jiaying Wang, Tatjana Kalitjuka, Aleksejs Grigorjevs、ノルウェー科学技術大学、電力工学科、2010年
- SiC MOSFET モジュールが電圧源インバータアプリケーションで最大 3 倍の大電流 Si IGBT モジュールを代替、Dr. Mrinal K. Das, Product Marketing Manager, Cree, Inc.
- シリコン・カーボン・パワーエレクトロニクスに関するノウハウ、NASA電子部品・梱包（NEPP）プログラム安全・ミッション保証部
