SiC MOSFETとSi IGBTの比較：SiC MOSFETの利点

By Omara Aziz

MOSFETとIGBT: モータドライブ制御の未来

エレクトロメカニカルデバイス — スイッチ、 ソレノイド、 エンコーダー、ジェネレーター、および電動モーター — は、デジタルの世界と物理的な世界をつなぐ基本的な架け橋です。これらのデバイスの魔法は、電気信号を機械的な動作に変換する能力にあります。
 
自動化された製造業、電気自動車、先進的な建物システム、スマート家電などの産業が進化するにつれて、これらのエレクトロメカニカルデバイスの制御、効率、能力への需要も増加しています。この記事では、シリコンカーバイドMOSFET (SiC MOSFET) の革新が、従来はシリコンIGBT (Si IGBT) を使用して電力変換してきた電動モーターの能力をどのように再定義しているかを探ります。この革新により、ほぼすべての産業でモータードライブアプリケーションの能力が拡大します。

Si IGBTとSiC MOSFETとは何ですか？

Si IGBTは、シリコン絶縁ゲート・バイポーラトランジスタの略です。SiC MOSFETは、シリコンカーバイド金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの略です。
 
Si IGBTは、トランジスタのゲート端子に電流を加えることでトグルされる電流制御デバイスであり、一方でMOSFETはゲート端子に加えられる電圧によって電圧制御されます。
 
Si IGBTとSiC MOSFETの主な違いは、対応できる電流の種類です。一般的に言えば、MOSFETは高周波スイッチングアプリケーションに適しており、IGBTは高電力アプリケーションにより適しています。

なぜシリコンIGBTとシリコンカーバイドMOSFETがモータードライブの用途で不可欠なのか

電動モーターは現代の技術において広く使用されており、しばしばその電源としてバッテリーシステムに依存しています。例えば、電気自動車は大規模なバッテリーアレイシステムを利用して車両に直流電力を供給し、これにより 交流電動モーターを介して物理的な運動を生み出します。これらのACモーターの絶対制御は、車両の性能や効率にとって不可欠であり、乗車者の安全にも直結します。しかし、このパワートレインシステムは、バッテリーからの直流電力をモーターが運動を生成できる交流信号に変換するインバータに依存しています。
 
これらのインバータは、モーターの速度、トルク、パワー、効率を精密に制御し、回生ブレーキ機能を可能にします。最終的に、インバータはモーターと同様にパワートレインシステムにとって価値のあるものです。電力用途のすべてのデバイスに共通して言えることですが、インバータはその機能や設計要件において大きく異なり、直流電力から交流モーターシステム全体の性能にとって不可欠です。
 
現代の 直流から交流モーター 駆動用途では、シリコンIGBTとシリコンカーバイドMOSFETの2種類のインバータが使用されています。歴史的に、Si IGBTが最も一般的ですが、SiC MOSFETはさまざまな性能上の利点と継続的なコスト低下により、その人気が急増しています。SiC MOSFETが市場に初めて登場した際、多くのモーター駆動用途にとってそのコストは非常に高価でした。しかし、この優れた技術の採用が進むにつれ、スケールド生産によりSiC MOSFETのコストは劇的に削減されました。

Si IGBTの利点と欠点 vs. SiC MOSFET

Si IGBTは、その高電流処理能力、速いスイッチング速度、低コストのために歴史的にDCからACへのモータードライブアプリケーションで利用されています。特に、Si IGBTは低電圧降下、伝導損失、熱インピーダンスを持つ高い電圧定格を持っているため、製造システムのような高出力モータードライブアプリケーションでの明らかな選択となります。しかし、Si IGBTの大きな欠点の一つは、熱暴走に非常に弱いことです。熱暴走は、デバイスの温度が制御不能に上昇し始め、デバイスが誤作動を起こし最終的に故障する現象です。電気自動車や製造のように、高電流、電圧、運転条件が一般的なモータードライブアプリケーションでは、熱暴走が大きな設計上のリスクとなり得ます。
 
この設計上の課題に対する解決策として、SiC MOSFETは熱暴走により強いです。シリコンカーバイドはより熱伝導性が高く、デバイスレベルでのより良い熱放散と安定した動作温度を可能にします。SiC MOSFETは、自動車や産業用途のようなより暖かい環境条件での使用に適しています。さらに、熱伝導性を考慮すると、SiC MOSFETは追加の冷却システムの必要性を排除でき、システム全体のサイズを縮小する可能性があり、システムコストを削減する可能性があります。
 
SiC MOSFETは、Si IGBTよりもはるかに高いスイッチング周波数で動作するため、正確なモーター制御が不可欠なアプリケーションに理想的です。高いスイッチング周波数は、自動化された製造において重要であり、そこでは工具アームの制御、精密溶接、精密な物体配置に高精度のサーボモーターが使用されます。
 
さらに、SiC MOSFETモータードライバーシステムの著しい利点の一つは、モーターアセンブリ内に組み込むことができることで、モーターコントローラーとインバーターがモーターと同じ筐体内に組み込まれます。
 
モータードライバーアセンブリをモーターの局所的な位置に移動することにより、ドライブインバーターとモータードライバー間の配線を大幅に削減し、大きな節約を可能にします。図Bの例では、従来のSi IGBT電力キャビネットは、ロボットアームの7つのモーター（「M」とラベル付けされた）に電力を供給するために21本の異なるケーブルを必要とし、それは数百メートルの高価で複雑な配線インフラに相当する可能性があります。SiC MOSFETモータードライブシステムを使用することで、ケーブル数を各モーターのモータードライブに接続する2本の長いケーブルに削減することができます。

SiC MOSFETの欠点とSi IGBT

しかし、SiC MOSFETにはSi IGBTに比べてデメリットもあります。まず、SiC MOSFETは依然としてSi IGBTよりも高価であり、コストに敏感なアプリケーションには適さない可能性があります。ただし、SiC MOSFET自体は高価であっても、モータードライバーシステム全体で（配線、受動部品、熱管理の削減により）価格が下がる場合があり、Si IGBTシステムと比較して全体的に安価になる可能性があります。このコスト削減には2つのアプリケーションシステム間での設計とコストスタディの分析が必要ですが、効率の向上とコスト削減につながる可能性があります。
 
SiC MOSFETのもう一つの欠点は、ゲート駆動要件がより複雑になる可能性があり、システム内の他のコンポーネントがゲート駆動リソースを制限する可能性があるアプリケーションではIGBTほど理想的でないかもしれない点です。

シリコンカーバイドMOSFETによる改良されたインバータ技術

炭化ケイ素MOSFETは、モータードライブシステムのインバータ技術を劇的に向上させました。全てのタイプのコンポーネントに共通するように、IGBTsが依然として適している特定の用途があります。しかし、SiC MOSFETインバータはSi IGBTに対していくつかの明確な利点を提供し、モータードライブ用途および他のさまざまな用途において非常に魅力的なソリューションとなっています。
 
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