産業用電源
今日の産業分野では、高周波機能を持ち、スイッチング損失の低い電源が、コスト削減と電力密度の向上に貢献する電源トレンドとなっています。先進的なトポロジーや新しい制御戦略、革新的な高周波磁気設計は、この分野で独創的なソリューションを提供しています。ワイドバンドギャップ半導体は、これらの設計の中心に最適な性能を提供します。
産業用電源に該当する主要な電源アーキテクチャには、グリッド・タイド・コンバータ、ソーラー・インバータ、誘導加熱、トラクション／モーター・ドライブ、UPSなどがある。
産業用アプリケーションのためのその他のキー・パワー・アーキテクチャ
産業用コンバータの効率 - 力率改善(PFC)
力率（PF）は-1から1までの無次元数で、負荷が吸収する皮相電力に対する実電力の比率として定義される。PFが1であれば、100％の電力が負荷に吸収されていることを意味する。PFCは、電源装置の力率を高めることにより、無駄な電力を大幅に削減する鍵である。PFCがなければ、電源装置は短くて大きなパルスで電流を引き込む。PFCにより、これらのパルスは平滑化され、入力二乗平均平方根（RMS）電流および皮相入力電力を低減する。これにより、入力電流が効果的に形成され、電源から実現される電力が最大化される。
増え続ける効率基準を満たすためには、PFCフロントエンドと、より効率的な半導体デバイスが必要である。下表は、エネルギースター80 プラスの効率仕様である。これを達成するために、DC出力のリップルを平滑化するためにかさばるコンデンサを備えた単純なブリッジ整流器から、電源を90%以上の効率領域に引き上げるトーテムポール技術を使用する新しい技術に移行する傾向があります。右の表1を参照。
どうすればいいのか？標準的なダイオード・ブリッジを取り除き、デュアル・ブースト・セミ・ブリッジレス・トポロジーか、SiCまたはGaNによって高周波を可能にしたフルブリッジ・トーテムポール・アーキテクチャーのいずれかに置き換えることで、より小型で手頃な周辺部品の使用が可能になります。右の図1を参照。
SiCパワーICの高い周波数能力は、電源の外付け部品の小型化と低コスト化を可能にする。
GaNベースのトーテムポールPFCソリューションも見てみよう。図 2 の例では、効率を向上させるために高周波数レグに GaN デバイスを使用し、スイッチング速度の遅い第 2 レグに Si MOSFET を使用している。効率要件に応じて、ダイオードまたはMOSFETのいずれかを第2レグに使用し、コスト効率のニーズを満たすことができる。
また、トーテムポールとAC電源の間の優れたEMIフィルター設計についても検討し、EMI規格に適合できるようにします。このフィルターは、ブリッジレス・トーテム・ポール-力率改善（BTP-PFC）回路の高速スイッチングからのノイズを減衰させます。右の図2をご覧ください。
GaN HEMTパワー・デバイスは、効率を向上させながら、コンパクトなEMIフィルタとインダクタで高電力密度というシステム上の利点をもたらす。GaN回路は、高周波で動作し、EMI要件を満たし、高電力密度と高効率を達成するように設計できる。
系統連系コンバータ
系統連系コンバータは、電力ユーティリティの三相出力から、エネルギー貯蔵装置や発電装置とともにさまざまな負荷までの間の電力の流れを制御します。系統連系の三相AC/DC（またはDC/AC）電力変換は、風力、太陽光、蓄電池などの再生可能エネルギー・システムのパワーエレクトロニクス・インターフェースを含む幅広い産業用アプリケーションで必要です。
双方向パワー・アプリケーションでは、SiC MOSFETを使用した2レベル・トポロジーは、Si IGBTよりも著しく改善される。SiCパワー・デバイスは、1200V IGBTと比較してスイッチング損失を大幅に低減する。SiCデバイスはまた、2レベル6スイッチ・コンバータを使用するアーキテクチャのスイッチング周波数範囲を拡張し、より高い全負荷および部分負荷効率を維持します。右の図3を参照。
SiC MOSFETがSi IGBTよりもこの設計を改善するもう1つの例は、磁気回路の小型化とヒートシンクの小型化または不要化により、システムの電力密度が大幅に向上することです。SiC MOSFET設計のもう1つの利点は、デバイスのボディ・ダイオード（図1に示す）を回路のコストと複雑さを低減するアンチパラレル・ダイオードとして使用できることである。
注：SiC MOSFETは正の電流しか流せません（nチャンネルMOSFET、ドレインからソースへ）。負荷が誘導性である場合、スイッチ（MOSFET）はオンでなければならないが、電流は逆方向に流れるときがある。ダイオードはこの電流が流れる経路を提供する。ダイオードが使用されていない場合、誘導電流は即座に停止し、高電圧ピークが発生する。
系統連系コンバータ
WBGデバイスを使用したこのタイプのトポロジーの利点は以下の通りである：
- 全体的なエネルギー消費の削減
- より高い効率
- 熱性能の向上
- 電源の小型・軽量化
DC-ACインバータ
DC-ACインバータの一般的な実装には、ACモーター・ドライブ用の単相および3相インバータ・ステージ（図5、右）やソーラー・インバータ（図6、右）がある。
ソーラー・インバーターやACモーター・ドライブなどのアプリケーションは、WBG半導体の使用から大きな恩恵を受けている。
この設計におけるWBGパワーの利点は以下の通りである：
- 回路の複雑さを低減
- 高効率と電力密度
- 熱性能の向上
- 双方向パワーフロー機能（バッテリーからグリッドへ）
IT電源にSiCを採用
データセンターは、米国の全電力エネルギーの2％から4％を消費している。これは、IT電源（またはサーバー電源）が効率と運用コストに大きな違いをもたらすことを意味する。
データセンターは大量の電力を消費するため、わずかな効率の向上が大きな節約につながります。データセンターの冷却は、電気料金の最大40％を消費する可能性がある。電源装置の設計者は、SiCダイオードとMOSFETを統合し、素晴らしい成果を上げている。SiC部品は98.5％以上のピーク効率を可能にし、発熱を大幅に低減している。
データセンターがPFC付き電源設計にSiC MOSFETとダイオード、またはGaNデバイスを採用した場合、サーバーの熱性能は冷却だけでエネルギーコストを40％節約できるほど向上する。一方、運用コストは低下し、スイッチング周波数はピーク効率98.5%以上まで上昇し、80+チタン規格を達成する。2010年から2020年の間に、SiCデバイスを搭載したサーバーは6200億kWhのエネルギー節約に貢献することになる。
家電製品は厳しいエネルギースター・レーティングを満たす必要がある
冷蔵庫を例にとって、その古い技術の電化製品をエネルギースター・レーティングに適合するように取り替えてみよう。そうすることで、消費者はその電化製品の12年間の耐用年数で200ドル以上を節約することができる。
BTP-PFC電源にGaNとSiCパワー・デバイスを使用する設計は、放散熱と廃熱の5%の損失で95%以上の効率を可能にする。GaNとSiCは、この5％の損失に対して1％以上の効率向上に影響を与えることができる。効率の1％向上は、放熱の10％削減に相当する。これは、PCボード上のフットプリントを縮小し、ヒートシンク、磁気、コンデンサを小型化することにつながる。
Wolfspeedは、-40℃～+175℃の動作温度範囲において、ディスクリートパッケージで業界最小のオン抵抗値を実現しており、60mΩのSiC MOSFETは、175℃でのRDS(on)が79mΩと、25℃での定格のわずか1.3倍に規定されています。
表 1： 80 PLUS効率仕様
図1：左図はSiパワーICを使用したデュアルブースト・セミブリッジレスPFC、右図はSiCパワーデバイスを使用したハイブリッド・トーテムポールPFC（画像：Wolfspeedより）
図2：EMIフィルターを備えた典型的なBTP-PFC回路（イメージ：GaN Systemsより）
図3：SiC MOSFETを使用した2レベル・コンバータのパワー・ステージ（画像：Wolfspeedより）
図4：PFC付き産業用AC/DCの後にDC/DCパワーコンバータが続く（画像：Wolfspeedより）
図5：ACモータ駆動用3相インバータステージ
図6：ソーラー・インバータ
Siを超えるWBGパワー・デバイスの利点
Siベースのパワー・デバイスを使用した従来のパワー・エレクトロニクス・コンバータでは、高効率、制御帯域幅、電力密度、スイッチング周波数に対する高まる要求を満たすことはできないだろう。
高いスイッチング周波数は、磁気回路の小型化と動作温度の上昇につながり、特に過酷な産業用アプリケーションで有用である。
SiをGaNやSiCと比較すると、これらのデバイスがより低いリーク電流とより高い電圧で動作することを可能にするいくつかの特徴的な特性が見出される。より高い動作周波数は、電子移動度と電子飽和速度の増加によって達成できることは事実である。Siデバイスと比較して、WBG半導体は固有キャリア濃度が低く（10～35桁）、熱伝導率が高く（3～13倍）、絶縁破壊電界が高く（4～20倍）、飽和速度が大きい（2～2.5倍）。
SiCはSiよりも電子移動度が高く、GaNはSiとSiCの両方よりも高い電子移動度を示す。これは、GaNが超高周波で最高の性能を発揮することを意味する。SiC/GaNとSiの間の価格差は着実に縮小していくと予測される。また、GaNは、最も高いスイッチング周波数のアプリケーションにおいて、追加コストの点で、SiC、さらにはSiよりも優れた結果を提供すると予測されている。
熱伝導率が高ければ高いほど、熱伝導特性はより効率的になります。SiCはGaNやSiよりも高い熱伝導率を示すため、理論的にはSiCデバイスはGaNやSiデバイスよりも高い電力密度で動作することができる。まとめると、より高い熱伝導率、より広いバンドギャップ、より高いブレークダウン・フィールドにより、SiC半導体はハイパワー・アプリケーションにおいて他の半導体デバイスよりも優位に立つことができる。
結論として、SiCとGaNのディスクリート・デバイスは、低コスト、小型化、性能向上を実現する高含有率モジュールへと移行している。WBGデバイスは、スイッチング損失の低減、冷却容積の低減、サーマルソリューション・コストの低減という利点を提供し、Siの置き換えにおいて大きな進歩を遂げた。
