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電化は、持続可能なエネルギーシステムへの世界的な移行の鍵であり、シリコンカーバイド（SiC）パワーエレクトロニクスは、この開発において極めて重要な役割を果たしています。ワイドバンドギャップ(WBG)半導体材料であるSiCは、ハイパワーおよび高周波アプリケーションにおいて、従来のシリコン(Si)よりも大きな性能上の利点を提供します。特に、輸送、産業システム、再生可能エネルギーインフラの電化に適しています。
SiCの基本的な利点は、その材料特性にあり、シリコンのバンドギャップが1.12eVであるのに対し、SiCは約3.26eVです。この広いバンドギャップにより、デバイスはより高い電圧、温度、スイッチング周波数で動作することができます。SiCはまた、より高い熱伝導性を示し、より優れた熱放散と、よりコンパクトなデバイスのパッケージングを可能にします。
最も大きな利点の1つは、スイッチング損失と導通損失の低減です。SiCのMOSFETとダイオードは、Siのものと比べて、より速く、より低いエネルギー損失でスイッチングします。これは電力変換システムの高効率化につながり、エネルギー消費の削減や、ヒートシンクや冷却システムなどの熱管理コンポーネントの必要性の低減に直結します。
電気自動車（EV）では、トラクションインバータ、車載充電器（OBC）、DC-DCコンバータにSiCパワーエレクトロニクスが使用されています。SiCベースのインバータは、より高い周波数と効率で動作することができるため、パワートレインの小型化、軽量化、高効率化につながります。これにより、航続距離の延長や充電時間の短縮に貢献します。
例えば、シリコンベースの400VインバータをSiCベースの800Vシステムに置き換えることで、電力密度とシステム効率を向上させ、車両運転中の全体的なエネルギー損失を削減することができます。このアプローチはまた、熱設計を簡素化し、よりコンパクトなパッケージングとシステムの軽量化を可能にします。
さらに、SiCデバイスの高速スイッチング機能は、高周波パワートレインの設計を容易にし、インダクタやコンデンサなどの受動部品のサイズと重量を削減することができます。これらの改善により、車両性能が向上し、長期的な総所有コストが削減されます。
SiCパワーデバイスは、産業用モータドライブ、ソーラーインバータ、エネルギー貯蔵システムの電力変換システムも変革します。太陽光発電（PV）アプリケーションにおいて、SiCは、パネルアレイの近くに配置できる、より小型で効率的なインバータを可能にし、損失を最小限に抑え、システムアーキテクチャを簡素化します。
SiCベースのコンバータは、エネルギー貯蔵やグリッドタイドインバータにおいて、より高速なスイッチング、双方向パワーフロー、電力品質の改善をサポートします。より高い効率と冷却要件の低減により、運用コストを削減し、これらのシステムの信頼性を向上させます。
産業用オートメーションでは、SiCは可変速ドライブや高圧電源の性能と効率の向上に役立ちます。これにより、生産性の向上、ダウンタイムの短縮、省エネルギーの強化につながります。
プログラマブルロジックコントローラ（PLC）I/Oモジュールやその他の産業用低消費電力アプリケーションの設計者は、過酷な産業環境の条件下で設計回路を適切かつ安全に動作させるための信頼性の高い設計を必要としています。絶縁型電力コンバータは、このようなアプリケーションで頻繁に見られ、次のような点で役立ちます：
Texas InstrumentsのSN6507（図1）は、高電圧、高周波の プッシュプル トランス ドライバで、絶縁された電源を小さなソリューション サイズで提供します。このデバイスは、プッシュプルトポロジーの利点であるシンプルさ、低EMI（電磁干渉）、トランスの飽和を防ぐフラックスキャンセレーションを提供します。さらに、広い入力範囲に対応する部品点数を削減するデューティサイクルコントロールと、高いスイッチング周波数を選択することにより、トランスのサイズを縮小し、省スペース化を実現しています。
図1：Texas Instruments SN6507/SN6507-Q1プッシュプルトランスドライバ。（出典：マウザー・エレクトロニクス）
このデバイスは、コントローラと、位相がずれて切り替わる2つの0.5A NMOSパワースイッチを集積しています。入力動作範囲は、精密な低電圧ロックアウトでプログラムされています。過電流保護（OCP）、調整可能な低電圧ロックアウト（UVLO）、過電圧ロックアウト（OVLO）、サーマルシャットダウン（TSD）、およびブレークビフォアメイク回路は、障害状態からデバイスを保護します。
プログラム可能なソフトスタート（SS）は、突入電流を最小限に抑え、重要な電源投入要件に対応する電源シーケンスを提供します。スペクトラム拡散クロッキング（SSC）とピン設定可能なスルーレートコントロール（SRC）は、超低EMI要件に対応するため、放射および伝導エミッションをさらに低減します。
これらのドライバは、Würth ElektronikのWE-PPTIプッシュプルトランス（図2）に使用されています。これらは2.5kVの高い絶縁電圧を提供します。Texas Instruments SN6505ドライバ用WE-PPトランスは、120kHz～480kHzの周波数範囲と1Aの定格電流を特長としています。SN6501プッシュプルドライバは、絶縁インターフェイスや低消費電力LANなど、さまざまなアプリケーションで使用される小型トランス用に設計されています。
図2：TI SNxxドライバ用Würth Elektronikプッシュプルトランス。（出典：マウザー・エレクトロニクス）
Würth Elektronikは、さまざまな構成でプッシュプル補助電源の性能をテストおよび評価できるSN6507開発キットも提供しています（図3）。
このキットには、トランス750319696を使用した24VIN-15VOUTを提供する固定ボード（650796）と、キットに含まれる16種類のトランスからユーザが選択できるようにすることで、さまざまなアプリケーションのニーズをサポートするように設計されたコンフィギュラブルボード（650700）の2つのボードが含まれています。
本製品は、モータドライブ、通信プロトコル（CAN、RS-485、RS-422、RS-232、SPI、I2C）用絶縁型電源、医療機器、ソーラーインバータ、オートメーションシステムなどのアプリケーション向けにSN6507を評価するために使用することを目的としています。
SN6507は12Vおよび24V入力の小型プッシュプルトランスで、-40℃～+125℃の温度範囲で動作します。
図 3：固定版（左）とコンフィギュラブル版（右）の SN6057 評価ボード。（出典：マウザー・エレクトロニクス）
その利点にもかかわらず、SiCパワーエレクトロニクスの採用には独自の課題が伴います。SiCウェハーの製造は、シリコンよりも複雑で高価です。しかし、結晶成長、デバイス製造、およびサプライチェーンの拡張における最近の進歩により、歩留まりが急速に向上し、コストが削減されています。SiCパワーエレクトロニクスは、現代のエネルギーおよび輸送システムの電化のための変革をもたらす技術です。その高効率、コンパクト性、熱性能は、新たな設計の柔軟性を可能にします。生産が成熟し、コストが低下するにつれて、SiCは、より電化され、エネルギー効率が高く、持続可能な未来へのシフトを加速し続けるでしょう。
テクニカルマーケティングEMEA部門、テクニカルコンテンツスペシャリスト。物理学を学び、技術ジャーナリストとして20年以上にわたりエレクトロニクス業界で活躍。