SiCパワー モジュールによるソリッドステート トランスの性能向上

ソリッドステート トランスフォーマー (SST) は、パワー エレクトロニクス分野で最も要求の厳しい用途の1つです。SSTは、広い入力電圧範囲にわたって電力を絶縁、変換、調整する必要があります。さらに、高いスイッチング周波数、高い接合温度で、置き換え対象である従来の商用周波数変圧器よりもはるかに小さい筐体で動作する必要があります。シリコンでは、系統レベルの電力において、これらの要件すべてを同時に満たすことはできません。シリコンカーバイド (SiC) なら可能です。

AIデータセンター インフラ、再生可能エネルギー システム、EV充電ステーション、産業用電力変換機器のいずれを設計する場合でも、適切なSiCモジュールを選定することで、SSTの全体性能を大幅に向上できます。

ソリッドステート トランスフォーマー (SST) とは

ソリッドステート トランスフォーマー (SST) は、従来の商用周波数変圧器を、高周波電力コンバーターと小型の高周波変圧器に置き換えるパワー エレクトロニクス変圧器です。

ソリッドステート トランスフォーマー (SST) の動作原理

固体変圧器は、大型の低周波変圧器を、パワー エレクトロニクスに基づく変換チェーンに置き換えます。代表的なSSTは、主に次の3段階で電力を変換します。

1. AC/DCコンバーターが、入力AC電圧をDCに整流します。

2. 絶縁型DC/DCコンバーターが、高周波変圧器を介してエネルギーを伝送し、ガルバニック絶縁を提供すると同時に、変圧器のサイズを大幅に縮小します。

3. DC/ACインバーターが、安定化されたDC電力をDC負荷に直接供給するか、必要に応じてACに変換します。これにより、精密な電圧調整、双方向の電力フロー、高度な系統制御が可能になります。

これらの段を高いスイッチング周波数で動作させることで、SSTは従来の変圧器よりもはるかに高い電力密度を実現できます。

SiCモジュールがソリッドステート トランスフォーマーに最適な理由

SSTの3つの各段は、系統周波数よりも1桁高い周波数 (通常10 kHz～100 kHz超) でスイッチングします。

これらの周波数、かつ中電圧系統入力 (3.3 kV、6.6 kV、10 kV、13.8 kV、22 kV、35 kV) では、シリコンIGBTは実用上の限界に達します。周波数が高くなるほどスイッチング損失は増加し、20 kHz以上ではIGBTのテール電流損失が支配的となって実用的ではありません。

シリコンMOSFETでは、必要な阻止電圧に対応できません。1200 V～3300 Vクラスで動作するSiC MOSFETは、中電圧SST設計で求められる阻止電圧、スイッチング周波数、および接合温度の要件を同時に満たす、商用として成熟した唯一のデバイス技術です。

このため、ソリッド ステート トランスフォーマーは高性能SiC電力変換における将来の主要な電力網の機会の1つに位置付けられています。また、SiCモジュールの選定がシステムレベルの性能に直結します。

SiCモジュールはソリッド ステート トランスフォーマーの性能をどのように向上させるのでしょうか？

変圧器の小型化と軽量化

SST技術の最大の利点の1つは、かさばる低周波の磁気部品を高周波コンバーターに置き換えられる点です。

SiCモジュールは従来のシリコン デバイスよりもはるかに高速にスイッチングするため、設計者は次のことが可能になります。

● 変圧器コアの小型化

● 受動部品の小型化

● 冷却要件の低減

● 全体の電力密度の向上

その結果、同等以上の電力を供給しながら、従来の変圧器よりも大幅に小型で軽量なSSTを実現できます。

DG MatrixのInterport™マルチポート ソリッド ステート トランスフォーマー プラットフォームは、インフィニオンのSiC技術を活用することで、従来の変圧器よりも小型で軽量なコンパクト設計を実現しています。

システム効率の向上

SST内部の各変換段は、システム全体の損失に寄与します。

SiCモジュールは、次の要素によってこれらの損失の最小化に役立ちます。

● 低スイッチング損失

● 低導通損失

● 高速スイッチング特性

● 逆回復損失の低減

効率が高いほど、次のような利点があります。

● 運用コストの削減

● エネルギーの無駄の削減

● システム全体の信頼性の向上

● 連続運転時の性能向上

SolarEdgeはインフィニオンと協力し、高度なSiCベースの電力変換により99%超の効率を目指す、2～5 MWのモジュール式ソリッドステート トランスフォーマー (SST) プラットフォームを開発しています。

熱管理の簡素化

熱は、高出力変換システムにおける主要な設計課題の1つです。

SiCモジュールはスイッチング時の発熱が少ないため、SST設計者には次の利点があります。

● 冷却要件の低減

● ヒートシンクの小型化

● 冷却システム重量の低減

● 同一筐体でより高い出力を実現

これにより、設置スペースに制約のある環境でも、コンパクトなSST設計をより現実的に適用できます。

より高いスイッチング周波数を実現

トランス、インダクター、フィルターの小型化には、より高いスイッチング周波数が不可欠です。

SiCモジュールは、従来のシリコン デバイスでは効率的に実現しにくい周波数での安定動作を可能にします。

利点は次のとおりです。

● 磁気部品の小型化

● 電力制御の高速化

● 動的応答性の向上

● 全体的な電力密度が高い

要求の厳しい用途での信頼性が向上

SSTは、以下のような厳しい環境で運用されることが多い。

● ギガワット規模のデータセンター

● 再生可能エネルギーの統合

● 鉄道牽引

● 高速EV充電インフラ

● スマートグリッド変電所

● 産業用配電

SiCモジュールは、以下の特長を備えているため、これらの用途に適しています。

● 高耐圧

● 優れた熱性能

● 優れたスイッチング信頼性

● 長い動作寿命

SST設計に適したSiCモジュールはどのように選べばよいでしょうか？

適切なSiCモジュールの選定は、いくつかの設計上の考慮事項に左右されます。

  • システム電圧
  • 定格電力
  • スイッチング周波数の目標
  • 中周波または高周波トランスの設計方針
  • 熱マネージメント方針
  • 効率要件
  • 機械的統合
  • 信頼性要件

これらのパラメーターを総合的に最適化することで、SSTの性能を最大化しつつ、システムのサイズ、重量、および総所有コストを削減できます。

SSTにおけるSiCモジュールのシステムレベルでの利点は何ですか？

SiCモジュールは、個々のパワー デバイスだけを改善するのではなく、システム全体の性能を向上させます。

インフィニオンのSST向けCoolSiC™モジュール

インフィニオンのCoolSiC™ MOSFETモジュール ポートフォリオは、EasyPACK™で750 V、1200 V、2300 V、3300 Vの各クラスをカバーし、業界をリードするトレンチ ゲート セル アーキテクチャを採用しています
SSTのパワー ステージにおいて、導通損失とスイッチング損失の合計を最小化するRDS(on) × QG指標。

SST設計に関連するCoolSiC™モジュールの主な特長:

  • トレンチゲート構造: 平面型SiCの代替品と比べて、ゲート電荷とスイッチング損失が低い
  • ケルビン ソース接続: 高周波SSTステージで、より高速かつ制御性の高いスイッチングを実現するために、電力とゲートのリターン経路を分離
  • 高い絶縁耐圧定格: 中電圧SSTのグリッド インターフェース要件に適しています
  • インフィニオンのEiceDRIVER™ ゲートドライバICと互換性があり、負のターンオフ バイアスや短絡保護など、SiCゲート ドライブ要件に合わせて最適化されています

SST向けEasyPACK™ CoolSiC™ MOSFETモジュールの利点:

  • CoolSiC™ MOSFET: 750 V、1200 V、2300 V、3300 V
  • 400 VDC、±400 VDC、800 VDCのグリッドに加え、10 kV～35 kVのAC接続にも対応
  • 信頼性が高く、強力で、効率的なテクノロジー
  • 実績があり、確立されたパッケージ プラットフォーム
  • 優れたPPMレートと認定基準
  • 先進的な生産 (フロントエンドおよびバックエンド)
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SSTに関するよくある質問

1. 固体変圧器にSiCモジュールが使用されるのはなぜですか？

SiCモジュールは、従来のシリコン デバイスよりも低損失で、より高いスイッチング周波数に対応します。これにより、変圧器の小型化、効率向上、冷却要件の低減、電力密度の向上が可能になります。

高周波スイッチングにより、設計者は変圧器、インダクター、フィルター、冷却システムのサイズを縮小でき、その結果、全体設計を大幅に小型化できます。

主な利点には、効率向上、システム重量の低減、電力密度の向上、熱性能の改善、スイッチングの高速化、および信頼性の向上が含まれます。

ギガワット規模のデータセンター、スマート グリッド、再生可能エネルギー システム、EV充電インフラ、鉄道牽引、産業用電力変換、マイクログリッドはいずれも、SiCを用いたソリッド ステート トランスの性能上の利点から恩恵を受けます。

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