高電圧のバッテリーに最適なパワー半導体とは？

カーボンニュートラルに向け、各自動車メーカーの電動化への動きが加速しております。電動化車両のバッテリー電圧はこれまでHEV向けの300V付近が主流でしたが、今後はP-HEVやBEVが主流になるにつれてバッテリー電圧は高電圧化していく流れにあり、400V~ 500Vもしくは一気に800V となる動きもあります。800Vのバッテリー電圧の場合、使用するパワー半導体はこれまで車載向けで一般的に使用されていた650Vでは耐圧が顧客要求にミートし無いため、1200Vの耐圧 が必要となります。更に電動車両にはこれまでの燃費にあたる電費を向上されるため、さらなる電源システムの効率化が要求されます。

そこで従来のシリコンパワー半導体より、スイッチング損失、導通損失を大幅に軽減出来るSiC FET に注目があつまっています。Qorvoから新たにリリースされた第4世代の1200V耐圧のFETシリーズは車載用オンボード充電器（OBC）およびDC/DCコンバーターに向け、カーメーカーの要求や課題を解決するための最適なソリューションです。また、前世代と同様に、新しいSiC FETは、産業用バッテリー充電器や電源、PVコンバーター、UPS、その他のさまざまな電力変換アプリケーションにも最適です。

なぜ第4世代の1200V FETは優れているのか？

高度な垂直トレンチデバイス構造で達成された世界最高のオン抵抗x面積（Ron x A）を活用するこれらの新しいデバイスは、最小のRDS（on）x面積、最小のRDS（on）x Eoss、RDS(on) x Coss,(tr)、RDS(on) x Qgを含む業界最高の性能指数を提供します。

他のGen4ポートフォリオと同様に、新しい1200V FETは、0〜12Vまたは0〜15Vのゲートドライブで簡単に駆動できます。+/- 20V VGS、Maxおよび高しきい値電圧（4.8V）を備えたこれらのSiC FETは、十分なゲート電圧設計とノイズマージンを提供し、SiまたはSiCゲート駆動電圧と互換性があります。1200V FETは、優れた順方向電圧（通常、1.0〜1.5V）と低い逆方向回復電荷（Qrr）を備えた、優れた一体型ダイオードを提供します。

超低オン抵抗を最大限に活用するために、新しい1200V SiC FETは、優れた熱性能を提供する高度な銀焼結ダイアタッチプロセスを採用しています。これらのデバイスは、クラス最高の熱抵抗Rth,j-cによって可能になる優れた電力処理能力を維持しながら、ダイを縮小したため、より低い静電容量と低減されたスイッチング損失を実現します。改善された熱抵抗の利点を図2に示します。これは、競合するテクノロジーに対するGen 4 1200V SiC FETの相対的なダイサイズと、同クラスの他のFETと比較して熱抵抗が26％〜60％減少することを示しています。

図3はパワーハンドリング（R_th,j-c）、ハードスイッチング（R_DS(on)x Eoss）、ソフトスイッチングR_DS(on)x Coss,(tr)、およびR_DS(on)xQgの性能指数を新しいGen4 1200V SiC FETを基準として示しています。レーダーチャートの各パラメーターの優れたパフォーマンスは、低い値で表されます。

1200V Gen4 SiC FETは、25℃と高温（125℃）の両方で、ハードスイッチング（つまり、アクティブフロントエンドなど）とソフトスイッチング（つまり、絶縁型DC/DCコンバーター）回路の両方で妥協のないパフォーマンス上の利点を提供することがわかります。 前世代のSiC FETと比較して、新しいデバイスは、同じダイ面積で最大40％低いR_DS(on)、37％低いR_DS(on)x Eoss @25℃、および54％低いR_DS(on)x Coss @25℃を提供します。

第4世代 1200V FETを使用したアプリケーション設計例

設計例1：オンボード充電器（OBC）アプリケーションのアクティブフロントエンド

6つの新しい1200V SiC FETは、Qorvoの無料オンライン設計計算ツールFET-Jet Calculator™ で利用できます。これを使用して、デバイスの損失、コンバーターの効率、温度上昇を評価し、最適な駆動条件を特定できます。 FET-Jet Calculatorツールを使用すると、新しい23 mΩ（UF4SC120023K4S）および30 mΩ（UF4SC120030K4S）FETが、800Vバスオンボード充電器（OBC）アプリケーションのアクティブフロントエンドに最適なオプションであることは明らかです。

図4に示す11kW OBCフロントエンドの設計例では、新しいUF4SC120030K4Sは、損失を削減し（1 FETあたり37Wに）、優れた98％の効率を達成し、温度上昇も抑え（Tj = 115℃）、すべてはダイサイズを縮小したことに起因します。以下の設計では、150kHzのハードスイッチ周波数とT_HS = 80℃のヒートシンク温度を想定しており、ユーザーは優れた電力密度を実現できます。

設計例2：絶縁型DC/DCコンバーター（CLLC）

新しい1200V SiC FETシリーズは、OBCの絶縁型DC/DCコンバーター（CLLC）にも最適です。 これらの高周波のソフトスイッチングトポロジーでは、第4世代 FETの低導通損失、低ダイオード順方向ドロップ、低ドライバー損失（低Vg、低Qg）、および低R_DS(on)x Coss,(tr)が理想的です。

図5に、11kW、800VのフルブリッジCLLC設計例を示します。各一次側スイッチ位置に1200V SiC FETがあります。 想定される動作周波数は200kHzで、ヒートシンクの温度もT_HS=80℃です。 FET-Jet Calculator™で予測されたパフォーマンスサマリーテーブルは、新しいGen4  1200V SiC FETの利点を示しています。 同様のダイサイズで、UF4C120053K4S/K3Sは、より低い損失と優れた効率（99.5％）を提供し、より低温で動作します（Tj <100℃）。 費用対効果の高いUF4C120070K4S/K3Sは、魅力的なコスト/パフォーマンスソリューションでもあり、わずかに高い損失で優れた効率（99.4％）を提供します。

まとめ

Qorvoのこれらの新しい1200V SiC FETは、高電圧回路の高度な第4世代テクノロジーによって可能になるハードおよびソフトスイッチングで優れたパフォーマンスを提供します。

重要な「性能指数」により、高成長市場向けの最先端の設計で最適な電力ソリューションを提供する、全体的に優れた性能のSiC FET製品を提供します。
これらの新しいデバイスの詳細については、https://www.qorvo.comにアクセスしてください。

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