概要

その他のSiCFETアプリケーション

ソリッドステートブレーカーの利点については、多くの研究がおこなわれており、ハイブリッドブレーカーと機械部品を使用しない完全なソリッドステートブレーカーに大別されます。

本記事では、ソリッドステートブレーカーに焦点を当てます。表1は、従来の電気機械式ブレーカーおよびリレーと比較した場合のソリッドステートブレーカーのメリットとデメリットの概要を示しています。ソリッドステートブレーカーの主な利点は、機械式ブレーカーで必要とされるミリ秒単位ではなく、ナノ秒/マイクロ秒単位で電流を遮断できることであることが知られています。これは、EVバッテリーなど、内部インピーダンスが非常に低い電源を遮断する場合に、ますます価値が高まります。

また、直流回路の遮断にも使用でき、アーク対策は必要ありません。可動部品や接点の劣化がないため、現場での交換を必要とせず、より多くの故障モードを防止することができます。ただし、ソリッドステートブレーカーは機械式接点よりも抵抗が高いため、コストはかなり高くなります。半導体の定格電圧が高くなると、使用する材料の面積が同じでも抵抗値がV² またはV^2.5 と高くなります（基本的なユニポーラー・デバイスの場合）。これは、ブレーカーの電圧クラスが上がるにつれて、コストに直接影響することを意味しています。

なぜ回路保護でSiCが使われるか

ソリッドステートブレーカーの主な機能は、オン状態の電流を最小限の抵抗損失で流し、システムコントローラーからの指令でこの電流を遮断できることです。低電圧(600V未満)では、シリコンMOSFETは低抵抗で、回路ブレーカー、リレー、Eヒューズの構築にコスト効率の良い選択肢であり、48Vバッテリーシステムではすでにそのように使用されています。

しかし、600Vを超えると、SJ(Superjunction) MOSFETのような先進的なシリコン技術でも抵抗が高くなりすぎます。IGBTは、抵抗が非常に小さい反面、導通特性が階段状になり、導通時の電力損失が過大となり、その結果、より多くの熱除去が必要となってきます。3000Vを超える電圧では、IGCTはブレーカーを実装するために使用されています。

図1は、シリコンSJ MOSFET、GaN FET、SiC MOSFET、SiC-JFETベースのSiC FETの比オン抵抗の推移を示したものです。600〜2000Vの広い電圧クラスで、SiC FETが単位面積あたりの抵抗が最も小さいことがわかります。これにより、伝導損失が低く、最もコンパクトで、コスト効率の高いソリッドステートブレーカーを開発することができます。熱除去に制約のあるアプリケーションでは、非常に有効です。

また、すべてのSiCデバイスは、高い瞬間的な温度上昇(短絡時など)に耐えることができ、シリコンデバイスと比較して同じ単位面積で4倍のエネルギーを処理することができます。これは、バンドギャップが広いため、スイッチの電圧遮断能力を低下させるのに十分なキャリアを熱的に生成するのに必要な温度が非常に高くなるためです。4H-SiC は熱伝導率が3倍高いため、GaN や Si ベースのオプションと比較して効果的に熱を拡散し、より高い電流密度で動作させることが可能です。

図1：さまざまな半導体の固有オン抵抗対電圧の比較

SiCを使った代表的なアプリケーション

ソリッドステートブレーカーが一般的により高いコストがかかることを考えると、低コストなアプリケーションよりも速度、制御性、信頼性、および軽量化の特徴がより重要な場所で使用される可能性が高いです。これは新技術の典型であり、技術(特にSiC)が成熟し、規模が拡大するにつれて、コストの低減が期待でき、使用用途が拡大します。

直流電源(太陽電池、EVバッテリー、エネルギー貯蔵など)と直流負荷の急速な成長を考えると、750V~1200VのFETを必要とするSiCベースのブレーカーが検討されている1つの領域は直流ブレーカーであります。非常に低い導通損失が必要とされ、アークフラッシュが安全上の懸念をもたらすEV、船舶、航空機への適用のためには、ソリッドステートブレーカが良い解決策です。電流が>5kAまたは10kAに上昇する前に短絡事象を急速に中断するソリッドステートブレーカーの能力は重要です。保護回路内のメインブレーカーとダウンストリームブレーカー間でより速い調整が可能です。

また、高出力ACブレーカーは、ソリッドステート・ソリューションの使用にも利点があります。これは、現在1200V SiC FETで可能になっているオン抵抗が機械的なブレーカーに迫っているからです。また、ソリューション全体によって、フィールド全体のメンテナンスがはるかに容易になるためです。高速電流遮断とソリッドステートスイッチによる突入電流制限に起因する能力の向上により、さらに付加価値が高まります。

住宅用のACブレーカーは、SiCデバイスの比類のない低伝導損失を利用して、従来の負荷に加えてソーラーパネル、エネルギー貯蔵、EVを備えた環境でのエネルギー管理のためのスマートソリューションを実装できます。 最小限の発熱により、冷却用のファンを必要とせず、費用効果の高いブレーカーパネルが可能になります。

ソリッドステートブレーカーに加えて、同じ装置が、複数の発電源と船舶や航空機の負荷との間の管理された電力の流れを調整する固体電力制御装置を構築するために使用されてきました。突入電流は、故障電流と同様に効果的に管理されます。

ソリッドステートブレーカーは、架線とシステムパワーエレクトロニクス間のより高速な障害応答をより適切に管理する上で、鉄道網にて役割を果たすことができます。 これにより、ダウンストリームのパワーエレクトロニクスのサイズ、およびその重量とコストを削減できます。 システムの信頼性と寿命のメリットを享受することができます。

さまざまな新しいアプリケーションで、SiC JFETは、双方向電流制限スイッチ、セルフパワーブレーカー、およびスーパーカスコードHVブレーカーとして採用されています。

機能安全に関して言えば、ゲート電力が失われた場合でもトランジスターがオンのままであることが有益なアプリケーションでは、ノーマルオンのSiCJFETが有用なデバイスです。 ハイサイドでノーマルオフデバイスを使用し、ローサイドでノーマルオンJFETを使用するフルブリッジ整流器というような構成も考えることができます。 このようなブリッジは、入力側では通常オフのままですが、ローサイドJFETは、両方がオンのときに出力を短絡できるため、制御電源が失われたときにシャントとして機能します。 同じ方法でモータードライブインバーターの設計を改善できます。ノーマルオンのデバイスをローサイドFETとして使用するだけで、機能安全の管理を簡素化できます。

前述のすべての分野で、ソリッドステートソリューションがその状態を監視し、障害後の修理ではなく簡単にスケジュールされたメンテナンスを可能にする機能は大きな利点であり、デュアルゲートSiCFETがこの中で最良のオプションを提供することが示されます。

JFET、SiC FET、およびデュアルゲートSiCFET構造

図2にSiC MOSFETとSiC JFETの基本構造の比較を示します。図1に示すSiC JFETの単位面積あたりのオン抵抗が低いのは、低移動度チャネルが存在しないことと、オン抵抗を追加する追加のシールドでゲート酸化膜を高電界から保護する必要がないことに起因します。

しかし、JFETはノーマルオンデバイスであり、ノーマルオフオプションを形成するために、図2に示すように、低電圧シリコンMOSFETをカスコード構成でSiC JFETと直列に接続することができます。これにより、R_DS(on)に5~15%を追加することができます。直列接続されたデバイスは、SiC FETと呼ばれる基本的なカスコード、またはLV MOSとSiC JFETの両方のゲートに外部からアクセス可能なデュアルゲートデバイスのいずれかとして構成することができます。

図2：JFETのチャネル抵抗が低いことに起因するSiC MOSFETとSiC FETの抵抗差

図3の左端のイメージは、従来のMOSFETのようにTO-247パッケージにパッケージされたSiC JFETを示しています。中央のイメージは、低電圧MOSFETを高電圧SiC JFETダイのソース・パッド上に積み重ねることによって、SiC FETカスコード構造がどのように形成されるかを示しています。SiC JFETのゲートはパッケージ内のLV MOSFETソースに接続され、カスコード接続されます。このデバイスはノーマリー・オフMOSFETのように使用できます。右端のイメージは、同じTO-247-4Lパッケージで、MOSFETゲートとJFETゲートの両方をユーザー制御のために引き出す方法を示しています。

これをデュアルゲートFET(DG FET)と呼びます。この例では、1200V JFETの抵抗はV_GS=2Vで7mΩ、V_GS=0Vで8mΩです。SiC FETでは、JFETはオン状態で0Vに近いV_GSで動作します。抵抗値は9mΩで、1mΩがLV MOSFETによって加算されます。右端のデュアル・ゲート・デバイスでは、オン状態ではMOSFETがオンになり、JFETはゲートを2~2.5Vで動作できるため、その抵抗は7mΩに下がり、両方のオン抵抗を足しても抵抗は8mΩに下がります。このオン状態の挙動を図4に示します。

図3：SiC JFETベースのデバイスの構造

図4：VGS=2V vs.VGS=0Vの下限基準値は、1200VデュアルゲートFETで使用できます

図5は、1mAでの温度の関数としてのJFETのVGSの動作を示しています。これは、ゲート-ソースSiCPN接合のニー電圧を検出することになります。 この電圧は、デバイスがオンのときにゲート駆動回路によって検出され、TJを直接決定できます。 TJを検知するこの方法は、VDS(on)=(ID∙RDS(on))を検知するよりもはるかに正確です。

低電流ニー電圧は、RDS(on)を変化させる多くのプロセス要因の影響を受けないため、デバイス間でほとんど変化しません。 また、速度と精度の点で、温度検出ダイオードをSiCチップに統合するよりも優れています。また、パワーモジュールのNTCおよび/または制御ICのTJを使用して温度を検出しても、このJFETVGS検出方法に必要な応答速度または精度に近いものは提供されません。

図5：SiC JFETのオンVGSを使用した接合部温度

既知の動作条件下でのJFET T_Jの変化は、通常動作中の機器のエージングを確認するためのリファレンスと比較することができます。T_Jが過剰に増えると、突如寿命が切れる可能性があることを示しており、致命的な障害が発生する前に交換が可能になります。T_Jの反応スピードはマイクロ秒のスケールで正確であるため、ブレーカーが作動したときなどの過渡的なイベント中にチップ内の温度上昇を監視して、スイッチが損傷する前にシャットダウンすることを可能にすることもできます。

簡単な4端子DG FETでは、低電圧FETでのオン状態の降下が外部で測定したV_GSに加わり、接合温度を抽出するために補正する必要があります。ピン数が大きいパッケージでは、JFETのソースに直接アクセスして、T_Jの測定精度を向上させることができます。あるいは、DG FETは、超低R_DS(on)ロジックレベルのSMTディスクリートFETで、2つのディスクリートとして実装することができ、これにより、JFETゲートおよびソースへの直接アクセスが可能になります。

ソリッドステートブレーカー

ソリッドステートブレーカーの一般的な回路実装を図6に示します。2つのスイッチがソースで接続されており、双方向の電圧ブロッキングと電流フローを提供します。RCスナバ(Rs、Cs)は、個々のFETまたはFETペア全体に使用されます。過渡電圧抑制デバイス(MOV、TVS)を配置し、電流が遮断されたときに線路からの誘導エネルギーと負荷インダクタンスを吸収します。

このアーキテクチャーは、幅広い用途をカバーするために使用することができます。たとえば、E-mobility用途では、この回路を使用してDCラインを切断するスイッチの代替に使えます。バッテリー電源はすべてソリッドステートスイッチを経由するため、定格500~1500A、1200Vのブレーカーには数mΩ以下の抵抗が必要です。これには多くのデバイスを並列に使用する必要があり、超低R_DS(on)デバイスを使用することにより回路が簡素化されます。

図6：ソリッドステートサーキットブレーカー(電力素子)の回路アーキテクチャー

図7は、デュアルゲートSiC FETを並列化し、大きなフォルト電流を遮断する能力を実証するために使用される実験装置を示しています。3個のTO247-4Lデバイス、それぞれ9mΩ、1200Vが並列接続されており、各スイッチの抵抗は3mΩです。

ターンオフ過渡時にスイッチを保護するために、(MOV の代わりに)TVSとしてSiCショットキーダイオードD1~D4(UJ3D065200K3S)が使用されています。

図7：3つのデュアルゲートSiC FETを並列接続してスイッチを形成したソリッドステートサーキットブレーカーテスト回路の回路図

図8に示すデバイスオン抵抗の正の温度係数により、デバイスがオンのときに良好な電流共有が保証されます。この試験では、ゲート駆動-5~15Vのような標準的なMOSFETでデバイスを動作させるか、0~12Vの単極ゲート駆動も使用できます。MOSFETおよびJFETゲートのそれぞれに5Ωの抵抗を設け、スイッチング時の並列動作を補助します。5ΩのJFET R_Gは、スイッチのターンオフを遅くします。この抵抗は、JFETの内部ゲート抵抗よりもはるかに大きいので、カスコードのターンオフ速度を設定し、3つの並列デバイスに対してスイッチング挙動を整合させるのに役立ちます。

個々のRCスナバは、スナバとスイッチとの間に存在するであろう浮遊インダクタンスを最小化するので、各デバイスにわたって配置されます。JFETの V_thの温度による緩やかな変動(図9)は、スイッチング過渡時の優れた電流シェアを確保するためにも重要です。

図8：1200VデュアルゲートデバイスのRDS(on)の温度依存性

図9：1200VデュアルゲートデバイスのVthの温度依存性

図10に、3つの並列接続されたFETで測定されたターンオフ動作を示します。バス電圧は400Vで、TVSクランプは200A、650VのSiCショットキーダイオードUJ3D065200K3Sを使用して作成され、ライン・インダクタンスのシミュレーションに使用される2μHインダクタンスのアバランシェ・エネルギーを吸収できます。1000Aでは、このエネルギーは1Jであるため、適切なマージンを与えるために、このようなダイオードを3つ並列に使用します。

ゲートパルスV_GSは、電流を10μsで1150Aまでランプさせた後、オフにするために使用されます。2μHインダクターの電流は持続するため、スイッチングスピード(このケースではJFETのR_Gで設定)、および使用するスナバによって決まるレートでデバイス電圧がフライアップします。TVSダイオードのブレークダウンで設定されたクランプ電圧に達すると、電流はTVSダイオードに転送されます。

この配置により、3つのTO-247デバイスは図10に示すように1150Aをスムーズにターンオフさせることができます。SiC FETの電流は<500nsで中断され、アバランシングTVSアレイに転送されることに注意してください。電流が0に戻るまでの5μsの持続時間をピーク電流で設定し、下り勾配はBV_(TVS)/L1で設定します。V_DS波形の短い電圧スパイクは、スイッチターンオフの比較的速いdi/dtと、デバイスとTVSダイオード間の浮遊インダクタンスの結果です。これは、ターンオフ速度を遅くすること、および/またはRCスナバを調整することによって、さらに減速させることができます。

図10：図7に示すように、テスト回路内の並列接続された3つの1200Vデュアルゲートデバイスの1150Aで測定されたターンオフ過渡波形。TVSクランプ電圧は約900Vです

図11は、デュアルゲートデバイスの適合性の研究を、SOT-227フットプリント内の2mΩ、1200Vモジュールに実装したものであり、その中で6つのそのようなデバイスが並列に使用されます。単一の22Ω抵抗を用いてカスコードスイッチングを遅くし、装置には11Ω、20nFのスナバを設けました。より高い電流テストを容易にするために、ライン・インダクターは0.4μHに低減され、並列接続された5つの200A、650VダイオードがTVSとして使用されます。

図11：6つの9mΩ、1200Vデバイスが並列接続されたSOT-227フットプリントのデュアルゲートモジュールを使用してスイッチが形成されたソリッドステートサーキットブレーカーテスト回路の回路図

図12は、モジュールを使用して1950Aのピーク電流を遮断する場合のテストから得られた波形を示しています。22Ω抵抗でJFETターンオフを調整し、より大きなRCスナバを用いることにより、V_DS波形における電圧スパイクを除去しました。パッケージの寄生素子を含めて、300A以上の定格で2.2mΩ、1200Vのデバイスを実現します。

図 12：図 11 に示すテスト回路の 1200 V デュアルゲート モジュールの 1950 A で測定されたターンオフ過渡波形。TVS クランプ電圧は約 900 V です

商業的側面から

ソリッドステートブレーカーを完全に実現するには、このようなスイッチを2個使用します。スイッチの接続はコモンソース構成となります。さらに大電流に対応するため、より多くの並列デバイスを搭載したモジュールも開発されています。これらの例では、デュアルゲートデバイスをカスコードで使用し、標準的なシリコンMOSFET/IGBTゲートドライバーで駆動する例を示しましたが、より高度な制御としては、低電圧MOSFETをイネーブルにして、SiC JFETのゲートを直接駆動する方法が考えられます。低電圧MOSFETをイネーブルスイッチとして使用し、SiC JFETのゲートを直接駆動するものです。こうすることで、SIC JFETの伝導損失を最小限に抑え、接合部温度検出機能を持たせることができます。電流検出用LV MOSFET を積層することで、高価な外部電流センス手段を不要にすることができます。

SiCトランジスターは、シリコンの4倍ものアバランシェエネルギーを扱うことができます。しかし、ラインのインダクタンスや電流が大きくなると、アバランシェのストレスをすべてSiCで吸収することは不可能になります。そのため、並列接続された MOV デバイスが使用されることになり、並列接続された MOV デバイスが使用されます。したがって、ソリッドステート・ブレーカー・ソリューションのコストは、使用するSiCスイッチとMOVのコストに依存します。MOV はクランプ特性においてはるかに抵抗性が高いため、ピーク電圧は SiC TVS ダイオードよりもはるかに高くなります。

このデモで使用された SiC TVS ダイオードと比較すると、ピーク電圧ははるかに高くなります。MOVは、ピーク電圧をSiC TVSダイオードの定格降伏電圧以下に抑えるために SiC 素子の定格降伏電圧以下に抑えるための MOV は、SiC 素子の定格電圧を下げると必然的に大きくなってしまいます。また、SiC 素子の定格電圧が低下すると、ピーク電圧を SiC 素子の定格降伏電圧以下に抑えるための MOV は必然的に大きくなります。この記事で示した例では、バス電圧が この例では、バス電圧が 400 ～ 600V の範囲にあるため、最悪のターンオフ電流に対してピーク電圧を 1200V 未満に抑える MOV を使用すると、1200V の SiC デバイスを使用することができます。

理論的には、ピーク電圧 1500 ～ 1700V を可能にする低コストの MOV では、1700V のデバイスを使用する必要があり、その場合、SiC ソリューションのコストが上がる可能性があります。この場合、SiCソリューションのコストは2倍近くになります。つまり、SiC のコストと MOV のコストとサイズの間には、直接的なトレードオフが存在するのです。 MOV のコストとサイズの間には直接的なトレードオフがあり、ブレーカーが吸収しなければならないワーストケースのエネルギーに伴ってスケールアップします。最終的に 最終的に体積と重量を考慮すると、 アプリケーションによってはブレーカーサイズが制限されるため、 高電圧定格でより高価な SiC ブレーカーが必要になります。

SiC デバイスのコストは、採用の増加に伴って急速に低下しており、市場の予測は主にSiC デバイスの EV セグメントの成長の可能性に焦点が当てられています。 量主導型の効率により、今後数年間で SiC ウェハーのコストが半減すると予想されます。 SiC JFET テクノロジーに予測されているテクノロジーの強化により、RDSA が着実に削減され、量の効率化と合わせてコストが新たな低水準にまで押し上げられるでしょう。

まとめ

600～1200Vクラスの半導体を使用したソリッドステートブレーカーは、その普及の転換点に近づいている可能性があります。 SiC デバイスは、提供できる RDSA が低いため、この電圧クラスに特に適しており、SiC JFET ベースのソリューションがこの点で優れていることが示されています。 EV やその他の用途における SiC 市場全体の成長により、コスト削減につながる好循環が生まれています。

技術開発により、SiC FET の RDSA は急速に減少しており、この傾向は今後数年間継続し、RDSA はさらに 2 ～ 3 倍減少すると予想されます。 こうした傾向はさらに強化され、コストパフォーマンスの向上と、その結果としてソリッドステートサーキットブレーカーの普及が促進されるでしょう。 ソリッドステート ブレーカーのすべてのシステム レベルの利点と、劣化の監視に役立つ計測機能を提供するこれらのデバイスの機能を理解して活用することは、インダストリー 4.0 で明らかになっている傾向と相まって、ソリッドステート回路に大きな変革が起こることを示しています。 保護はすぐに実現する可能性があります。

お問い合わせ

本記事に関してご質問などありましたら、以下より問い合わせください。