次世代産業用モータドライブにおけるシリコンカーバイドの役割

著者:  Ali Husain  - 06-11-2021 

国際エネルギー機関(The International Energy Agency、IEA)の推計によると、モータは世界の総電力量の45%以上を占めています。したがって、その運用効率を最大限に高める方法を見つけることが最重要となります。高効率のドライブは、小型化してモータの近くに設置することができ、長いケーブルから生じる問題を軽減できます。これは、全体的なコストと継続的な信頼性の観点からも関連性があります。ワイドバンドギャップ(WBG) 半導体技術の登場は、モータの新しい効率とフォームファクターのベンチマークを達成する上で、大きな役割を果たすことが期待されています。

シリコンカーバイド(SiC)などのWBG 材料を使用することで、シリコン(Si)を上回る性能を持つデバイスを製造することができます。この技術には様々な機会がありますが、中でも産業用モータドライブが最も注目されています。

SiC は電子移動度が高いため、スイッチング速度の高速化に対応できます。スイッチング速度が速くなるということは、それに伴うスイッチング損失が減少することを意味します。また、SiC の絶縁破壊電界強度は、Si と比べて1桁近く高いため、ドリフト層を薄くすることができ、オン抵抗の低減につながります。また、SiC はSiの3倍の熱伝導率を持つため、熱エネルギーの放散効率が高く、熱応力の緩和が容易になります。

 

従来の高電圧モータドライブでは、Si IGBT に逆並列ダイオードを内蔵した3 相インバータが採用されていました。ハーフブリッジの3 相は、インバータの対応する相コイルを駆動して、正弦波の電流波形を生成し、モータを回転させます。インバータのエネルギー損失は、伝導損失とスイッチング損失の2 つが主な原因です。Si 系のスイッチをSiC 系のスイッチに置き換えることで、この2 つの損失を抑えることができます。

反平行のSi ダイオードではなく、SiC ショットキーバリアダイオードをシステムに組み込むことができます。Si ベースのダイオードには逆回復電流があり、これがスイッチング損失(およびEMI )の原因となっていますが、SiC ダイオードの逆回復電流は無視できるほど小さいことから、スイッチング損失を最大30%削減することができます。また、このダイオードが発生させるEMI は非常に小さいため、フィルタリングの必要性も低くなります(結果的に材料費が少なくて済みます)。また、電源投入時には逆回復電流がコレクタ電流に加算されます。SiC ダイオードの逆回復電流は非常に小さいため、その間にIGBT を通過するピーク電流が少なくなり、動作信頼性の向上とシステムの長寿命化につながります。

このように、SiC ショットキーへの移行は、駆動効率の向上やシステムの長寿命化につながるメリットがあります。しかし、さらにその先を考えるとどうでしょうか。実際のスイッチ機能を担うIGBT をSiC MOSFET に置き換えれば、効率の向上はさらに顕著になります。SiC MOSFET のスイッチング損失は、同じ条件で動作するSi ベースのIGBT に比べて5分の1、導通損失は最大で半分になります。

また、WBG 方式の利点として、大幅な省スペース化が挙げられます。SiC は熱伝導性に優れているため、ヒートシンクのサイズを大幅に小さくできます。また、モータドライブの寸法が小さくなれば、モータハウジングに直接取り付けることが可能になります。これにより、必要なケーブルの数を減らすことができます。

オン・セミコンダクターは現在、SiC ダイオードと同じパッケージに一体化したIGBT を提供しています。さらに、650V、900V、1200V 定格のSiC MOSFET も用意しています。これらの製品により、モータドライブに革命を起こし、効率パラメータを高め、実装をより合理的にすることが可能になります。SiC ポートフォリオのすべての製品をご覧ください。

 

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Tags:Industrial, Industrial drive, MOSFET
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