炭化ケイ素 (SiC) は、どのようにオンライン二重変換UPSシステムの効率、熱性能、信頼性を向上させるのでしょうか

UPSシステム向けSiCモジュールは、整流器 (AFE) 、インバーター、DC-DCコンバーター段でシリコン部品を置き換えることによってエネルギー損失を低減し、オンライン二重変換システムの性能を向上させます。これらの段は連続的に動作するため、SiCの価値はモジュールの購入価格を超えます。より適切な比較は、システムレベルでの総所有コスト (TCO) 、可用性、効率、信頼性で行うべきです。従来のシリコン パワー モジュール、特にIGBTベースのソリューションと比較して、SiCモジュールは変換損失を低減し、発熱も抑えます。発熱が少ないほど、電力部品への熱ストレスが低減し、冷却および換気の要件が下がり、動作マージンが大きくなります。これにより、UPSは連続運転において効率的で信頼性の高い電力供給を実現できます。

SiCの利点は、AIデータセンター、産業施設、医療インフラなど、電力の中断や過度の発熱が重要負荷に影響し得る高出力の連続稼働アプリケーションで顕著です。冷却システムの小型化、電力段の小型化、TCOの低減は、価値ある副次的な成果です。

これらの分野では、ミリ秒単位の電力不安定でもシャットダウンを引き起こし得るほどリスクが高く、まさにそれがUPSアーキテクチャが進化している理由です。

SiCが好ましい選択肢になりつつある理由を理解するには、まずダウンタイムの防止においてUPSが果たす重要な役割を確認することが不可欠です。

なぜUPSは高額なダウンタイムを防ぐのに不可欠なのですか？

重要インフラで可用性99.999% (ファイブ ナイン) を目標とする場合、許容されるダウンタイムは年間わずか5.26分です。

データセンターでは、たとえ短時間の中断でも、重大な経済的影響を及ぼす可能性があります。Uptime Instituteの「Annual outage analysis 2024レポート」によると、調査対象のオペレーターの16%が、100万ドル超の損失を伴う深刻な停止を経験しました。

信頼性の高いUPSは、重要負荷の稼働を維持し、貴重な機器やデータを保護し、短時間の電力擾乱が高額な停止につながるのを防ぐために必要な、即時の電力継続性を提供します。

オンライン二重変換方式UPSはどのように動作しますか？

SiCデバイスはオフライン、ライン インタラクティブ、オンラインのUPSシステムで使用できますが、オンライン二重変換UPSアーキテクチャで最大の価値を発揮します。

オンライン二重変換方式UPSは常時動作しており、インバーターを介して負荷に電力を供給することで、接続機器を電圧変動、周波数変動、その他の系統擾乱から隔離します。電力は次の2段階で変換されます。

  1. ACからDCへ: 整流器またはアクティブ フロント エンド (AFE) が入力される商用電源をDCに変換し、DCリンクに供給します。
  2. DCからACへ: インバーターはDCリンク電圧を負荷向けの安定した調整済みAC出力に変換します。
オンライン ダブルコンバージョン方式のUPSブロック図

ダブルコンバージョンUPS

オンライン ダブルコンバージョン方式UPSでは、SiCモジュールはどこに適用できますか？

オンライン ダブルコンバージョン方式UPSでは、SiCモジュールは次の3つのアクティブな電力変換段で使用できます。

  • AC/DC整流器、またはアクティブ フロント エンド (AFE)
  • DC/ACインバーター
  • 双方向バッテリーDC/DCコンバーター

静的バイパスも不可欠ですが、過負荷時やUPS内部故障時に代替の電力経路を提供するため、通常はサイリスタ ベースのデバイスが使用されます。

簡単に言えば、SiCは、損失低減、高スイッチング周波数化、または熱性能の改善によって、システム レベルで測定可能なメリットが得られる箇所で最も価値を発揮します。

2000 VシリコンカーバイドMOSFETモジュール

Easy 2B CoolSiC™ 2000 Vハーフブリッジ モジュール

整流段およびAFE段におけるSiCモジュール

整流器は、入力ACを制御されたDCに変換し、DCリンクを調整して、力率補正を行います。また、インバーターに電力を供給し、通常動作時のバッテリー充電をサポートします。

AFEでは、SiCモジュールは高いスイッチング周波数に対応しつつ、スイッチング損失と導通損失を低減します。設計によっては、これらの特性により、フィルターのサイズ、冷却要件、またはコンバーターのフットプリントを削減できる場合があります。

バス電圧の高いUPS設計 (たとえば800 Vまたは1500 VのDCリンク) では、3レベルSiCトポロジーは、デバイスの電圧ストレスを低減し、波形品質を改善できるため、PFC段とDC/DC段の両方で重要性が高まっています。結果は回路、電圧クラス、動作条件に依存しますが、2レベルのシリコンでは損失が大きくなるスイッチング周波数において、SiCによって、よりシンプルな2レベル トポロジーを実用化できることも示しています。

さらに、高力率はSiCに固有のものではありません。これは、整流器のトポロジーと制御戦略によって実現されます。SiCは、損失を低減し、スイッチング周波数の柔軟性を高めることで、その機能の実現に役立ちます。

SiCモジュールを用いたインバーター段

インバーターは、DCリンク電圧を安定した単相または3相の交流に変換します。オンラインUPSでは、常時動作し、商用電源入力側の外乱に左右されることなく、保護対象の負荷に電力を供給します。

インバーターの損失を低減することで、UPSの効率が向上し、半導体温度が低下し、冷却要件を低減できます。設計者はこの利点を利用して、所定のスイッチング周波数で効率を高めたり、スイッチング周波数を上げて出力フィルターのサイズを縮小したりできます。

技術ベンチマーク: 2レベルSiCと3レベル シリコンの比較

研究によると、2レベルのCoolSiC™インバーターは、4 kHz～40 kHzの範囲で、算出した段効率を約99.4%超に維持しました。16 kHzにおける算出値は次のとおりです。

  • 2レベルCoolSiC™: 99.56%
  • シリコンNPC2: 98.87%
  • シリコンNPC1: 98.72%

出典: Buschhorn, Stefan, and Klaus Vogel. "Saving money: SiC in UPS applications." PCIM Europe 2014; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management. VDE, 2014。

NPCとは？

ニュートラルポイントクランプ (NPC) コンバーターは、DCリンク電圧を複数の半導体デバイスに分担させる3レベルのトポロジーです。これによりデバイスの電圧ストレスが低減し、出力波形品質が向上しますが、2レベルコンバーターと比べて回路および制御の複雑さが増します。

注: これらは評価条件下におけるインバーター段の結果であり、UPS全体の効率値ではありません。

対応する損失比較では、2レベルCoolSiC™実装が約167 W、シリコンNPC2が約333 Wと推定されました。この低減により、冷却負荷を下げたり、より大きな出力電力に対応するための熱的余裕を確保したりできます。

バッテリー (昇降圧コンバーター) DC-DC: バッテリー段におけるSiC

バッテリーDC-DCコンバーターは、バッテリーとDCリンク間の電力の流れを制御します。充電時には電圧を降圧し、放電時には昇圧することで、停電時でも蓄えられたエネルギーがインバーターに供給され続けるようにします。

SiCは、コンバーターに双方向動作、高電流、より高いスイッチング周波数、または小型の磁気部品が求められる場合、この段で有効です。

ディスクリート デバイスの参考例として、インフィニオンの11 kW双方向CLLC DC-DC設計は、1200 Vおよび1700 VのCoolSiC™ MOSFETを用いて同じ動作原理を示しており、ピーク効率は約97.2% です。

より高出力のUPSプラットフォームでは、この双方向変換機能を、電圧クラス、モジュール構成、電流定格、トポロジーに応じて選定したCoolSiC™ MOSFETモジュールで実装できます。

SiCモジュールがUPSの損失と運用コストを削減する仕組み

オンラインUPSシステムでは、SiCモジュールにより変換損失と冷却要件を低減できます。これらのモジュールは発熱が少ないため、エネルギー消費を抑え、部品への熱ストレスを最小限に抑制し、システム寿命全体にわたる総所有コスト (TCO) を削減します。

財務上の削減効果の詳細な内訳と、技術的な損失比較については、「SiCパワー モジュールを使用してUPSシステムを最適化する方法」という記事をご覧ください。

フルSiC、ハイブリッドSi/SiC、IGBTモジュールの選び方

フルSiCは、UPS設計で高効率、より高いスイッチング周波数、冷却需要の低減、小型フィルター、または高電力密度を優先する場合に有効です。適切な動作条件下では、よりシンプルな2レベル トポロジーでも、より複雑な3レベルのシリコン実装と競合できる場合があります。

ハイブリッドSi/SiCは中間的な選択肢となり得ます。シリコンIGBTとSiCダイオードを組み合わせることで、ハイブリッド モジュールは、SiC MOSFETへ全面移行しなくても、逆回復に起因する損失を低減できます。

IGBTモジュールは、低周波数でコスト重視のUPSプラットフォームで、十分な冷却能力があり、設置スペースの制約が限定的な場合には、依然として適していることがあります。最適な選択は、動作周波数、電力レベル、既存のトポロジー、認定に要する労力、およびシステム レベルでの削減効果がそのモジュール選択を正当化できるかどうかによって決まります。

判断基準: 損失低減によって、エネルギー消費、冷却需要、受動部品のサイズ、キャビネット スペース、メンテナンスの手間、またはコンバーター モジュール数を削減できる場合は、SiCを検討します。これらの利点が限定的であれば、IGBTまたはハイブリッドSi/SiCの方が、経済性のバランスがよい場合があります。

SiCを用いて設計する際に考慮すべき点は何ですか？

SiCは、スイッチング速度の遅いシリコン段の直接的なドロップイン置換ではありません。設計では、以下を考慮する必要があります。

  • ゲート駆動および保護
  • パワー ループおよびゲート ループのインダクタンス
  • 電圧オーバーシュートおよび寄生ターンオン
  • スイッチング速度およびEMI
  • 並列デバイス間の電流分担
  • 熱性能および寿命
ミラー クランプとDESATを備えたインフィニオンのゲートドライバ

EiceDRIVER™ 1ED3240MC12H

たとえば、インフィニオンのEiceDRIVER™ ソリューションは、SiCのスイッチング動作を管理するために、アクティブ ミラー クランプ、DESAT保護、ソフト ターンオフ、高いコモンモード過渡耐性、および2レベルのスルーレート制御などの機能を提供します。ゲート電圧および保護の設定は、選択したデバイスのデータシートに従う必要があります。

信頼性をさらに高めるため、インフィニオンは.XT相互接続技術を採用しています。この技術は熱抵抗とサイクル寿命を向上させ、医療およびAIデータセンターのUPSシステムに求められる24時間365日稼働に不可欠です。

要点

SiCモジュールは、オンライン二重変換UPSシステムで連続動作する電力変換段 (AFE/整流器、インバーター、双方向バッテリーDC/DCコンバーター) で最も高い価値を発揮します。設計判断はシステムレベルで評価すべきであり、損失の低減、発熱の低減、冷却需要の削減、効率の向上により、信頼性と総所有コスト (TCO) を改善できます。

インフィニオンの包括的なUPSソリューションが、これらの利点をより高効率で高信頼性、かつコスト効率の高いシステム設計にどのようにつなげられるかをご覧ください。

インフィニオンのUPSソリューションの詳細

FAQ

1. SiCは部分負荷時のUPS効率を向上させますか？

はい。スイッチング損失と導通損失を低減することで、多くのUPSシステムが動作する部分負荷条件を含む幅広い負荷範囲で効率を向上できます。実際の改善効果は、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。

はい。電力損失と発熱を低減することで、熱的な余裕が生まれます。設計によっては、この余裕により、同じ設置面積でより高い出力電力を実現したり、必要な並列コンバーター モジュール数を削減したりできます。

まず、UPSの定格電力、DCリンク電圧、必要電流、スイッチング周波数、トポロジー、冷却条件を確認します。次に、モジュールの電圧クラス、定格電流、パッケージ構成、短絡耐量、ゲート駆動要件、および熱特性を確認します。

その他のリソース