はじめに

コンセントから温まった携帯電話の充電器を取り出したことがある人は、電力変換が非効率的であることを感じるでしょう。携帯電話のバッテリーに転送されることになっていたエネルギーは、代わりに大気を暖めてしまいます。古くからある携帯電話、タブレット、その他のガジェット用のこのような充電器をいっぱい持っている人なら誰でも、私たちが生活の中で電力変換にますます依存していることを知っているでしょう。これら2つの要素の組み合わせにより、半導体企業や回路設計者は、電力変換器の効率を高めようと努力し続ける価値があります。個々の改善が小さく見えても、累積効果は大きくなる可能性があります。

変換損失の最大の原因の1つは、特にMOSFETまたはIGBTが含まれている場合、電力変換器で使用されるスイッチング回路に起因します。経験豊富な設計者は、多くの電力変換器で発生する「ハードスイッチング」が、遷移時の電圧と電流の必然的なオーバーラップにつながり、それが瞬間的に高電力損失を引き起こすことを知っています。

この問題は、ゼロの電圧または電流で遷移しようとする「ソフトスイッチング」コンバーターの開発を通じて対処されています。このアプローチの最新バージョンは、図1に示すLLCおよび位相シフトフルブリッジ（PSFB）回路トポロジーです。

これらの「共振」コンバーターは、誘導する磁界に結合されているため、インダクターの電流が急激に変化することがないという事象を利用しています。これにより、電圧と電流の遷移を分離することが可能になり、重なり合うことによる不必要な電力損失を引き起こすことはありません。これは、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)として知られているアプローチを使用して、電源スイッチをオンにするときに非常に簡単に実現できます。残念ながら、このアプローチはスイッチをオフにするときには機能しないため、設計者はゼロ電流スイッチング(ZCS)の実現に注目しています。ZCSの実装は非常に複雑なので、「ハードスイッチ」を使用してターンオフ遷移をおこなうことが多いです。

LLCおよびPSFBコンバーターを実行可能にする

LLC および PSFBコンバーターの人気が高まっている理由の 1つは、IGBT および Si MOSFET はハードオフ時の損失が大きく、IGBT は特に「電流の尾」が長いという問題を抱えていることにあります。高速MOSFETや炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの材料により実現されたワイドバンドギャップデバイスなどのデバイスは、ターンオフ遷移速度を大幅に高速化し、電圧と電流の重なりを最小限に抑えることができ、その結果、損失を最小限に抑えることができます。 このため、LLC および PSFB トポロジーは従来のトポロジーに代わる実用的な代替トポロジーとなっています。

あらゆる種類の機器の厳しい効率目標も、わずかなパーセンテージの増加を達成することを商業的に価値のあるものにしているため、半導体企業はターンオフ損失を最小限に抑えるデバイスを開発しています。ここで重要な性能の比較対象となるのは、ターンオフ時に消費されるエネルギーであり、EOFFと呼ばれています。これは、スイッチ チャネルの損失の原因となる電流/電圧オーバーラップと、スイッチの出力容量(COSS)を充電するのに必要なエネルギーの組み合わせで構成されています。COSSに蓄積されたエネルギーはバルクコンデンサーに戻るため、失われることはありませんが、それに関連した充電および放電電流が伝導損失を増加させます。

SiCカスコードは最適な変換性能を可能にする

SiCカスコードは、全体的なEOFFを最小限に抑え、IGBT、Si MOSFET、およびSiC MOSFETよりも効率に影響を与えるさまざまなパラメーターで優れたパフォーマンスを発揮します(図2を参照)。 このパフォーマンス上の利点は、デバイスのスイッチング速度と、比較的小さいダイサイズによる非常に低いCOSSによるものです。 SiCカスコードの性能も、温度の上昇とともにスイッチング損失が大幅に増加するIGBTとは異なり、温度にほとんど依存しません。

スイッチング回路では、全体的な消費電力は、動作周波数にターンオフ時に消費されるエネルギーEOFFを掛けたものに比例します。 SiCカスコードを使用すると、設計者はこれらの損失と動作周波数をトレードオフして、最良のシステムソリューションを実現できます。より速いターンオフは、共振コンバーターがより高い動作周波数までZVSを維持するために必要な最小デッドタイムを維持するのに役立ちます。また、SiCカスコードには、共振スイッチング中に導通する必要があるため、効率を高める非常に高速なボディーダイオードがあります。

回路設計で何の役にも立たないことはめったにありません。SiCカスコードの場合、電磁干渉の発生を避けるために、それらの高いスイッチング速度を緩和する必要があるかもしれません。これは、EOFFのノックオン効果を犠牲にして、ゲート抵抗値を増やすことによって実行できます。図3は、RGのさまざまな値がQorvo UJC1206KデバイスのEOFFにどのように影響するかを示しています。ゲート抵抗の値が高いと遅延時間が許容できないほど長くなる場合、設計者はR-Cスナバ回路を使用できます。ダイオードを追加することで、ターンオンとターンオフに異なるゲート抵抗値を実装することもできます(図4)。

共振コンバーターのスイッチの出力容量は、その共振タンク回路の一部を形成します。 選択した共振周波数では、高い静電容量が存在するため、低いインダクタンスを使用する必要がありますが、これは望ましくない場合があります。 LLCコンバーターでは、インダクタンスにより高い循環磁化電流が発生し、電力伝達には寄与しませんが、全体的な変換効率を低下させる伝導損失が発生するためです。 SiCカスコードのCOSS値は低いため、設計者は必要に応じてこの低い静電容量を利用できますが、必要に応じて離散静電容量を追加できます。これは、高い固有COSSの影響を軽減しようとするよりもはるかに簡単です。 

カスコードデバイスへ変換

SiCカスコードの高速スイッチング速度、高速ボディダイオード、高温動作、低RDS(ON)、および堅牢性により、すべてのスイッチング回路トポロジーに最適なソリューションとなっています。 また、EOFFが低いため、最新の高効率LLCおよびPSFB変換トポロジーにも適しています。 すべての部分的な効率の向上を実現するための闘いが続く中、今こそカスコードデバイスへ変換の検討する時期かもしれません。

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