UPS用SiCモジュールは、連続運転する電力段における変換損失を低減できます。その結果得られる節約効果には、UPSが無駄に消費していた電力の削減に加え、施設側で不要になる冷却エネルギーの削減も含まれます。高出力オンラインUPSシステムでは、こうした継続的な節約効果により、SiCモジュールの高い導入コストを相殺し、総所有コストを削減できます。

UPSシステムは24時間稼働し続けるため、電力変換効率の向上は、運用コストを削減し、システム全体の性能を高める効果的な方法です。

オンライン二重変換UPSとは？ また、SiCはどこで使用されますか？

オンライン二重変換UPSは、AC/DC整流器とDC/ACインバーターを介して電力を継続的に処理し、入力電力の外乱にかかわらず、重要負荷に安定したクリーンなAC出力を供給します。多くのシステムには、バッテリー蓄電システムとDCリンク間のエネルギーの流れを管理する双方向DC-DCコンバーターも含まれます。

SiCパワー モジュールは、アクティブ フロント エンド (AFE) 、インバーター、双方向バッテリー コンバーターなど、主要な電力変換段すべてに適用できます。SiCは、より高い効率と電力密度を実現することで、エネルギー損失と熱管理要件を低減すると同時にUPSの性能を最適化します。

AC入力、整流器、インバーター、スタティック バイパス、DC-DCコンバーター、バッテリー ストレージが接続され、負荷に電力を供給する電力変換システムのブロック図

オンライン二重変換UPSのブロック図

UPSシステムでは、なぜ電力損失が重要な検討事項となるのですか？

UPSの電力損失は、有効な出力電力ではなく熱に変換されます。その結果、運用者は電力変換中に失われる電力だけでなく、冷却システムでその熱を除去するために必要な追加エネルギーの電力料金も負担することになります。連続稼働するオンラインUPSシステムでは、効率がエネルギー消費量と冷却要件の両方に直接影響するため、総所有コスト (TCO) に大きく寄与する重要な要素です。

電力レベル、稼働時間、利用率、電気料金が高くなるほど、経済的影響も大きくなります。電力が連続的に処理されるオンライン二重変換方式のUPSシステムでは、わずかな効率改善でも、システム寿命全体で大きなコスト削減につながります。半導体損失を低減することで、冷却システムや電源システムの部品にかかる熱ストレスも軽減できます。そのため、UPSの効率は総所有コストを評価する上で重要な要素です。

インフィニオンのUPSソリューションの詳細

SiCモジュールはUPSシステムの最適化にどのように役立ちますか？

最適化レベル1: 変換損失の削減

SiCパワー モジュールは、アクティブな電力変換段におけるスイッチング損失と導通損失を低減することで、UPSの効率向上に貢献します。オンライン二重変換UPSでは、これらの段は通常、次のとおりです。

  • AC/DC整流器またはアクティブ フロント エンド (AFE): 入力ACを制御されたDCリンク電圧に変換し、力率補正を行います。
  • DC/ACインバーター: 保護対象負荷に安定したACを供給します。
  • エネルギー貯蔵システムに接続された双方向DC/DCコンバーター: エネルギー貯蔵システムとDCリンク間の充電および放電を制御します。

最適化レベル2: 冷却エネルギーと熱ストレスの低減

熱として散逸する電力が少ないため、SiCベースのUPS設計では、冷却要件とシステム部品にかかる熱ストレスを低減できます。動作温度を低くすることで、熱管理を簡素化し、信頼性を向上させ、システム寿命全体にわたる運用コストの削減にもつながります。

最適化レベル3: 電力密度の向上

SiCモジュールの高いスイッチング性能により、より小型の受動部品を使用でき、よりコンパクトなコンバーター設計が可能になります。これによりUPSの電力密度が向上し、設計者は性能を損なうことなくシステムを小型化し、設置スペースをより有効に活用できます。

最適化レベル4: 可能な場合はトポロジーを簡素化

SiCは効率向上にとどまらず、トポロジーの複雑さと性能の間にある経済的なバランスを変え得ます。

インフィニオンのUPSトポロジーおよび損失解析に基づくと、2レベルのCoolSiC™ソリューションは、同等の2レベルおよび3レベルのシリコン実装よりも損失を低減できます。

その結果、エンジニアは、所定の負荷に対して、マルチレベルのシリコン設計に伴う追加のスイッチ、ゲートドライバ、および制御の複雑さなしに、よりシンプルな2レベルのパワー ステージで効率目標を満たせるかどうかを評価できます。

運用コスト削減額の算出方法は？

SiCモジュールは、コンバーターの損失を低減することで運用コストを削減し、その結果、電力消費量と冷却需要の両方を低減します。

UPS設計を比較する実用的な方法は、効率の数値やモジュール価格を個別に検討するのではなく、システム寿命全体にわたるエネルギー損失コストを評価することです。

各候補設計について、次の関係式を使用してください。

年間損失コスト = UPS出力電力 × 動作負荷率 × 損失率 × 年間動作時間 × 電気料金 × 冷却係数

インフィニオンの1 MW UPS分析では、50%負荷で5年間稼働するシステムは、約2,200万kWhのエネルギーを処理します。次に、冷却係数1.2と、電気料金として1 kWhあたり€0.10を適用します。比較結果を以下に示します。

これらの前提条件の下では、SiCの場合、計算上の5年間の損失関連コストは、2レベル シリコンと比べて€ 39,000、3レベル シリコンと比べて€ 31,000低減します。これらはインフィニオンの事例における差異であり、普遍的な節約額ではありません。負荷、料金体系、冷却性能、トポロジー、および運転プロファイルが変わると、結果も変わります。

また、この3レベル シリコン実装は、トポロジーの最適化だけでも、従来の2レベル シリコン設計と比べて損失と運用コストを低減できることを示しています。

SiCはいつ投資回収できますか？

SiCモジュールの初期費用が高い点は、UPSの寿命期間全体を通じて得られる運用コスト削減効果と比較して評価する必要があります。

従来のシリコンIGBTベースの設計では、スイッチング周波数が上がるにつれてスイッチング損失が大幅に増加します。設計者は、効率の向上、電力密度の向上、熱性能の管理の間で、しばしばトレードオフに直面します。

SiCパワー モジュールは、導通損失を低く抑えたままスイッチング損失を大幅に低減することで、この制約の克服に役立ちます。これにより、UPS設計者はより高いスイッチング周波数で動作させることができ、効率の向上、発熱の低減、冷却要件の低減 (可能性) につながります。その結果、初期投資が高くても、総所有コストは低くなる可能性があります。

潜在的な削減効果には、以下が含まれます。

  • コンバーターのエネルギー損失の低減
  • 冷却エネルギー消費量の低減
  • 冷却システムの小型化または簡素化
  • 電力密度の向上とシステム設計の最適化
  • システム寿命期間全体にわたる運用コストの低減

実用的な投資回収期間の計算方法は以下のとおりです。

投資回収期間 = SiCシステムへの追加投資額 ÷ 年間のエネルギーおよび冷却コスト削減額

正確な投資回収期間は、UPSの負荷プロファイル、電気料金、稼働時間、冷却要件、選択した電力変換トポロジーなどの要因によって異なります。

SiCへの移行前の設計チェック

システムレベルでの主なメリットは、継続的なエネルギーコストの削減です。発熱量が減少すると、冷却需要の低減、ヒートシンクの数またはサイズの削減、フィルターの小型化、既存の筐体での出力向上、熱的余裕の拡大など、追加の設計選択肢が生まれます。インフィニオンのCoolSiC™は、24時間365日稼働のオンラインUPS運転におけるエネルギー損失を半減させ、必要なヒートシンクやフィルターの数を削減できます。

設計者は、最終的なアーキテクチャを検証せずに、これらのメリットをすべて同時に見込むべきではありません。たとえば、熱的余裕は冷却を減らすのではなく、出力電力を高めるために活用できます。同様に、スイッチング周波数を高くするとフィルターの小型化が可能になる一方で、EMI (電磁干渉) の増加やレイアウト作業の追加を招く場合があります。

SiC技術のメリットを最大限に引き出すには、SiCをシリコンベースのソリューションの単純な置き換えとして扱うのではなく、パワーステージ、ゲート駆動、レイアウト、熱設計、EMI対策をシステム全体として最適化する必要があります。

UPS最適化にインフィニオンのCoolSiC™モジュールを選ぶ理由

インフィニオンのCoolSiC™モジュールは、SiC MOSFET技術を、確立されたモジュール プラットフォームおよび補完的なゲートドライバ/制御ソリューションと組み合わせています。

UPS設計者にとって重要なのは、電源スイッチを単独のコンポーネントとして扱うのではなく、トポロジー、ゲート駆動、保護、センシング、制御、熱要件と併せてモジュールを評価できることです。

CoolSiC™モジュールは、UPSが連続稼働し、損失低減による財務的価値を定量化できる場合に最も有効です。選定は、DCリンク電圧、定格電力、電流、スイッチング周波数、トポロジー、負荷プロファイル、冷却方式、目標損失から始めるべきです。その後、設計者はSiCへの投資額を、モデル化した耐用年数全体のエネルギーおよび冷却コストと比較できます。

CoolSiC™モジュールは、効率向上、冷却要件の低減、電力密度の向上、システム複雑さの低減が総所有コスト (TCO) の低減に寄与するUPSシステムで、最大の価値を提供できます。設計者は、これらのメリットを、自身のアプリケーションの具体的な性能、コスト、運用要件と照らし合わせて評価する必要があります。

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UPS用Easy 2BパッケージのCoolSiC™ MOSFETパワー モジュール

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FAQ

1. SiCモジュールは、UPSの部分負荷時の効率を向上させますか？

はい。SiCモジュールは部分負荷時のスイッチング損失と導通損失を低減できるため、幅広い動作範囲でUPSの効率向上に貢献します。実際の効果は、システム トポロジー、スイッチング周波数、および動作条件によって異なります。

SiCモジュールは、整流器 (AFE) 、インバーター、および双方向DC-DCバッテリー コンバーターの各段で使用できます。これらは、連続運転する電力段で最大の効果を発揮します。損失を低減することで、エネルギー消費量と冷却要件の両方を削減できるためです。

はい。連続運転型のUPSシステムでは、エネルギー損失と冷却損失を低減することで、SiCモジュールの初期費用が高い点を相殺できます。実際の投資回収期間は、アプリケーションの負荷プロファイル、稼働時間、電気料金、およびシステム効率の改善状況によって異なります。

いいえ。IGBTモジュールは、低周波数でコスト重視のUPS設計において、依然として費用対効果の高い選択肢となり得ます。フルSiCは、より高い効率、より高いスイッチング周波数、冷却負荷の軽減、および総所有コストの低減が求められる連続稼働システムにおいて最も効果を発揮します。

その他のリソース