シリコンカーバイド (SiC) モジュールは、SiC MOSFET、ダイオード、および高度なパッケージング技術を組み合わせた、コンパクトな電力変換用の集積型パワー エレクトロニクス モジュールです。これらは、効率、電力密度、信頼性が重要となる高電圧 高電流用途で、効率的にスイッチングし電力を制御できるように設計されています。

これらの利点により、SiCモジュールは、太陽光発電用インバーター、EV急速充電器、UPSシステム、バッテリー エネルギー ストレージ、産業用ドライブ、データ センター インフラなどのアプリケーションにおいて重要です。電力システムの小型化 高速化が進み、より多くのエネルギーを扱うようになるにつれて、SiCモジュールは効率的な電力変換の重要な構成要素になりつつあります。

SiCパワー モジュールの内部構成

SiCモジュールは、パワー半導体、熱材料、および高度なパッケージング技術を、単一のパワー エレクトロニクス アセンブリに統合したものです。

  • SiC MOSFET: 電力スイッチング機能を担う
  • SiCショットキー バリア ダイオード (一部の設計) : 逆回復損失を低減し、変換効率を向上させる
  • セラミック基板: 電気的絶縁性と熱伝導性を提供する。
    一般的な基板材料には、酸化アルミニウム (Al₂O₃) と窒化アルミニウム (AlN) があります。Al₂O₃は多くの産業用途において費用対効果の高いソリューションを提供する一方、AlNは最大限の熱性能が求められるシステムに優れた熱伝導性を提供します。
  • ダイ アタッチ材料: 半導体ダイを固定し、熱伝達を支えます
  • ワイヤーボンディング、ソフトはんだ付け、拡散はんだ付けなどの相互接続技術: 高度な相互接続技術の一部として電気的接続を提供します
  • ベースプレートおよび熱伝導材料 (TIM): 冷却システムへ熱を伝達します
  • 高度なパッケージングの特長: 熱性能、信頼性、動作寿命を向上させます
Easy 2BパッケージのインフィニオンSiCショットキー ダイオード パワー モジュール

高出力変換用途向けEasy 2Bパッケージを採用した、インフィニオンのCoolSiC™ショットキー ダイオード パワー モジュール

パッケージングが重要な理由

パッケージは単なる保護用の筐体ではありません。相互接続、熱材料、およびパッケージ設計の選択は、効率、熱性能、および動作寿命に大きく影響します。多くの用途において、パッケージングは半導体デバイス自体と同程度にシステム性能へ寄与します。

一般的なSiCモジュールのアーキテクチャにはどのようなものがありますか？

一般的なSiCパワー モジュールのアーキテクチャには、以下が含まれます。

  • ハーフブリッジ: 多くの電力変換器で使用される基本的な2スイッチ構成のビルディング ブロック
  • フルブリッジ/Hブリッジ: DC/DCコンバーターおよびインバーター段向けに、2つのハーフブリッジを組み合わせた構成
  • 6パックまたは3相ブリッジ: 3相モーター ドライブおよびインバーター向けに、3つのハーフブリッジを統合した構成
  • 3レベル トポロジー: NPC1、NPC2 (T型) 、 (i) ANPCなどの設計では、追加のスイッチング パスを使用して高電圧システムにおける電圧ストレスを低減し、効率を向上させます

ポートフォリオによっては、特殊なコンバーター段向けにブースト/チョッパー、または4パックのバリエーションも含まれます

EasyPACK™ Cが電力密度を向上させる仕組み

上面放熱により、インフィニオンのEasyPACK™ Cモジュールは、前世代のCoolSiC™ MOSFETと比べて電力密度を30%以上高く、寿命を20倍以上延ばすことができるため、コンパクトで高効率な電力設計に適しています。

出典: インフィニオンのテクノロジー ニュース

SiCモジュールの利点とは？

  • スイッチング損失の大幅な低減: IEEE Xploreの論文 (Wang, Ruxi, et al. "High efficiency power converter with SiC power MOSFETs for pulsed power applications") 。2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)。IEEE (2017年) によると、SiCデバイスは特定のコンバーター用途において、従来のシリコン パワー デバイスと比べてスイッチング損失が小さく、システム全体の効率向上に寄与します。
  • 高周波動作: ハードスイッチング用途では数十kHz、ソフトスイッチング用途では数百kHzに対応し、トランス、インダクター、フィルターを小型化できるため、コンバーターのサイズと重量を削減できます。
  • 熱性能の向上: より高い接合部温度に対応します。ただし、長寿命化のためには最適な冷却と熱サイクル管理が依然として重要です。
  • 電力密度の向上: 放熱要件を最小限に抑えることで、より小さな設置面積でより大きな電力を実現します。

SiCモジュールに最適な用途は？

AIデータセンター

AIサーバーのPSUが約800 Wから5.5 kW以上へ移行し、GPUが1,000 Wから2,000 W以上へスケールアップするにつれて、SiCモジュールはサーバーPSU、パワー シェルフ、UPSシステム、バックアップ電源段における変換損失の低減に役立ちます。低損失と熱性能により、エネルギー集約型のデータセンター インフラにおいて、発熱を抑えつつ高い電力密度を実現できます。

インフィニオンのホワイトペーパー「AIサーバーの需要を満たすための進化する電源とラック アーキテクチャ」をお読みいただき、サーバー用電源が増大する電力需要に対応して進化していることをご確認ください。

UPSシステム

SiCモジュールは、UPSシステムの整流器、インバーター、および双方向コンバーター段で使用されます。
バックアップ電源の効率を向上させ、発熱を抑え、データセンター、病院、工場、重要施設向けのコンパクトな設計を支援します。

EV急速充電ステーション

SiCモジュールは、EV急速充電器のPFC段および絶縁型DC-DCコンバーター段で使用されます。
系統電力を効率的に高電圧DCへ変換し、より高い充電電力、低損失、および充電器の小型化を可能にします。

バッテリー エネルギー貯蔵システム (BESS)

SiCモジュールは、バッテリー、DCリンク、および系統間の効率的な双方向電力変換を可能にします。
損失と冷却要件を低減しながら、充電、放電、および系統支援機能をサポートします。

太陽光発電用インバータ

SiCモジュールは、太陽光発電インバーターのDC/DC昇圧段およびDC/ACインバーター段で使用されます。
PV電力を系統連系可能なACへ効率的に変換しつつ、より小型で高出力のインバーター設計をサポートします。

要点

SiCモジュールは、低損失、高電力密度、コンパクトな熱設計、信頼性の高い動作が求められる高電圧電力変換システムに最適です。

SiCモジュールのアプリケーション例: 太陽光発電 (PV) インバーター

太陽光ストリングインバーターでは、CoolSiC™デバイスを主要な電力変換段の全体で使用できます:

  • DC-DCブースト段: 1200 V CoolSiC™ MOSFETは、PVパネルの可変DC電圧を必要なDCリンク電圧まで昇圧し、最大電力点追従 (MPPT) をサポートします。
  • DCリンク段: コンデンサは昇圧されたDC電圧を安定化し、DC-DC変換段とDC-AC変換段の間でエネルギー バッファを提供します。
  • DC-ACインバーター段: EasyPACK™ 2Bパッケージの1200 V CoolSiC™ MOSFETモジュールは、DCリンク電圧を系統連系可能なAC電力に変換するために必要な高周波スイッチングを実行できます。
  • 代替ハイブリッドインバーター段: 1500 V PVシステムでは、1200 V CoolSiC™ MOSFETをシリコンIGBTと組み合わせて、EasyPACK™ 3B ANPCモジュールに搭載できます。CoolSiC™ MOSFETが高速スイッチングを担い、IGBTは系統周波数でスイッチングします。

次のステップ

SiCの性能上の利点を、実用的な設計上の選択肢に変える準備はできていますか？モジュール パッケージを比較し、トポロジー、冷却、電力要件に適したものを見つけてください。

インフィニオンのCoolSiC™モジュール パッケージを比較

FAQ

1. SiCとGaNはどのように違いますか？

SiCは一般に高電圧 高出力システムで選好される一方、GaNは低電圧 高周波の設計に適しています。

AIデータセンターには、より高密度で高効率な電力システムが必要です。SiCは高出力の電力変換段における損失と発熱の低減に役立ちます。

エンジニアは、アプリケーションののプロファイルを整理することから始めます。具体的には、電圧クラス、電流要件、冷却方式、コンバーター トポロジー、スイッチング周波数、目標寿命などです。最も適切な選定では、電気的、熱的、機械的、信頼性の観点でバランスが取れています。

一般的な故障メカニズムには、パワー サイクル、熱サイクル、湿度への曝露、過度の電気的ストレス、冷却システムの劣化、および不適切なゲート ドライブ動作などがあります。長期信頼性は、アプリケーションのミッション プロファイルに大きく依存します。

その他のリソース