新しい半導体技術で電力変換の高効率化を実現 ( 高効率が必要な理由編 )

概要

電力変換は、ほぼすべての電子機器に共通する要素であり、さまざまなトポロジーで実装されています。しかし、新しいアプリケーションには独自の要求があり、エンジニアは、性能と効率の最適なバランスを備えたAC-DCおよびDC-DCコンバーターの開発を求められます。しかし、これは必ずしも簡単なことではありません。

適切なトポロジーを選択することは課題の始まりに過ぎず、パワーコンポーネントを慎重に選択する必要があります。また、新しい半導体技術が市場に投入されると、エンジニアは従来の問題に対する新しいソリューションを発見し、評価する機会を得ることができます。

本記事では、新しい半導体技術の開発の背景を説明し、現在および将来の電力変換アプリケーションに適切な機能を提供するために配置された革新的な部品の例を紹介します。3回にわたって、なぜエネルギーの効率化が必要のか、トポロジー性能指数、について説明いたします。

 

現代社会はエレクトロニクスと電気機械に支えられています。家庭でもビジネスでも、私たちの生産性や快適性、情報や娯楽を維持する無数の機器なしの生活は考えられません。500kWの産業用モーターに使われる可変周波数・振幅の三相交流であれ、デジタルプロセッサーに使われる0.6Vの直流であれ、これらの機器を動かすには電力が必要です。化石燃料や再生可能エネルギーに含まれる潜在的なエネルギーから、CPUのコア電圧の生成に至るまで、環境への損失を最小限に抑えた電力変換の段階が必要です。しかし、世界のエネルギー消費量は増加の一途をたどっており、2019年には約180,000TWhに達するため、変換効率が完璧でないと、熱の発生や地球温暖化の原因となり、エネルギー供給者と消費者の双方にコストがかかることになります。

国際的には、エネルギー消費を可能な限り削減する努力がされていますが、世界の経済が近代化するにつれ、エネルギー消費量の増加は避けられません。その一方で、各国政府はエネルギー削減の目標を設定しています。例えば欧州連合(EU)では、2030年までに加盟国全体で、一次エネルギー源からのエネルギー消費量を2007年比で32.5%削減するという効率化が求められています。

その背景には、IoTや電気自動車、5Gの普及、データセンターなどの市場で電子機器の需要が爆発的に伸びていることがあります。これらのアプリケーションにおける電力変換の最終段階は、当然ながら最も数が多く、巨大な市場価値を持っています。例えばDC-DCコンバーターは、2019年には85億ドル、2025年には224億ドルと年率17.5%で増加しており、その増加を牽引しているのが通信機器用途です。成長する市場で目標とする省エネを実現するには、電力変換プロセスをこれまで以上に効率化するしかないことは明らかです。

最終負荷に近いところでは、局所的な温度上昇に加えて、無駄なエネルギーによる経済的・環境的なコストが効率性に影響します。しかしこれは、余分な熱を別の場所に移動させるだけで、それ自体がさらに多くのエネルギーを消費することになります。そのため、電力変換の設計においては、損失の低減が必須となります。

新たなアプリケーション

DC-DC変換は、直接または中間ステージとして、常にスイッチモード電源の不可欠な要素ですが、長年にわたり、電力と電圧レベルは大きく変化してきました。初期の機器用電源では、整流された主電源ACを、アナログや一般用にはおそらくDC12Vに、TTLロジック用には比較的緩やかなレギュレーションの5Vに変換していました。現在では、ほとんどの電力はデジタル回路の電源レールで消費され、より正確である必要があり、しばしば1V以下になります。同じ電力でも、低電圧を使用すると電流レベルが増大し、相互接続の損失が大きくなります。また、従来の整流ダイオードのような固定電圧降下は、最終電圧に占める割合が大きくなり、さらに損失が大きくなります。

サーバーファームは、世界のエネルギー需要の約1%を占めると言われており、このアプリケーションでは、一次エネルギー源から最終負荷の電圧への変換効率が明らかに重要です。この問題に対処するために、「中間バス」を使用して、「ポイント・オブ・ロード」DC-DCコンバーターが最終電圧を供給する際に、より高いDC電圧と比例して低い電流で電力を分配する方式が使用されています。中間バスは、設備全体の損失を最小限に抑えるためにカスケード接続されていますが、現在のトレンドは、一次AC電源から48Vを生成し、この時点でバッテリーバックアップを結合し、負荷で48Vからサブ1Vに直接変換することです(図1)。これにより、2つ目の中間バスが不要になりますが、最終的なダウンコンバージョン比が大きいため、効率面で問題があり、高性能の半導体スイッチが必要になります。

図1 典型的な最新のデータセンターの電源配置
図1 典型的な最新のデータセンターの電源配置

実用化された電気自動車は、わずか数年でSFから主流になり、電力変換の全く新しい応用分野を生み出し、大きな市場価値を持つようになりました。高電圧バッテリーの直流を三相モーター駆動に変換するハイパワートラクションインバーターがその役割を担うのは当然ですが、それ以外にもさまざまなステージがあります。従来のEVでは、12Vのバッテリーを使用しており、トラクション・バッテリーからDC-DCコンバーターを介して充電する必要がありました。

このコンバーターは、緊急時に余剰電荷をトラクションに利用できるよう、双方向のエネルギーフローに対応するよう設計されています。また、オンボードチャージャー(OBC)も搭載されます。AC-DCコンバーターは、電力会社の負荷平準化のためにエネルギーをグリッドに戻すための双方向性のものもあります。車内の制御、安全、インフォテインメントの電子機器は、当然ながらほとんどがデジタル化されており、多数の専用DC-DCコンバーターがローカルな電源レールを提供し、もう一方では、道路脇や家庭用の急速充電器が数百キロワットの電力レベルでトラクション・バッテリーの電圧を供給します。車両では、電力変換で失われるワット数に応じて航続距離が短くなり、充電器ではランニングコストの上昇と投資回収の長期化につながります。そのため、効率化が重要であり、損失の少ない高電圧の半導体スイッチが求められています。

また、産業界では、IIoT(Industrial Internet of Things)や「インダストリー4.0」の影響を受けて、低消費電力のセンサーやアクチュエーターが大量に市場に投入されています。これらのセンサーやアクチュエーターは、従来のように機器を集中的に配置して大きな電源を供給するのではなく、バッテリーやエネルギーハーベスティング、あるいはPoE(Power over Ethernet)で動作するため、内部にDC-DCコンバーターが必要となります。

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