さらなる高性能化を追求するための新たな武器として選ばれるSiCパワースイッチ

スイッチモードトポロジーは、従来のリニアレギュレータよりも高効率、熱放散量の低減、回路サイズの縮小を提供し、今日の電力変換シーンを支配するようになってきました。これらの利点は、一部のアプリケーションを除いて、すべてに説得力のある利点です。

設計者は電源の小型化を進めながらも、効率を90%以上にまで高めようとしていてその改善の余地はまだあります。しかし、従来のシリコンパワーMOSFETやIGBTの制限的なFOM(数値メリット)が、進歩の速度を遅らせています。さらに、スイッチングノイズへの対処は、フィルタリングコンポーネントのサイズを縮小するために採用されるスイッチング周波数が高くなると、さらに厳しい課題になります。

幸いなことに、解決策はあります。現在、ワイド・バンドギャップ・パワー半導体は、その開発期間中にしてきた約束を実現しつつあります。特にシリコンカーバイド(SiC)デバイスは商業的に競争力を増しています。特に、変換効率の向上によりパワースイッチの総数を減らすことができ、ヒートシンクへの依存度を下げることができるため、全体のBOMコストを相殺することができます。

全体的な費用対効果の向上により、設計者は、求められていた効率向上、回路サイズのさらなる小型化、スイッチングノイズの課題を解決するなど、ワイド・バンドギャップ半導体のメリットを享受できるようになりました。

SiCパワートランジスターは、ダイサイズに対してRDS(ON)が低く、業界標準のパッケージサイズで、電圧が高いという利点があり、さらに、大電流処理とブレークダウンの安全性を高めることができるだけでなく、テール電流がないため、大幅にクリーンで高速なスイッチングを実現します。高いスイッチング周波数、フィルター部品の小型化、電気的ノイズの低減を可能にすることで、SiCは従来のシリコンのトレードオフを打ち破り、電源設計者に「新たな手法」を提供します。

実例

Deep Sea Electronics(DSE)は、UnitedSiC社のSiCパワートランジスターを使用して、最新世代のバックアップバッテリー充電器で極めて高い効率を実現しました(図1)。これらの先進部品により、設計を合理化し、EMC規制へのコンプライアンスを容易にするのにも役立っています。

DSEは、商業ダイビング技術にルーツを持ち、高度な電力管理で40年の歴史を持つ英国を拠点とするテクノロジー企業です。同社の充電器は、性能、品質、完全な信頼性が前提条件となる場所に配備されています。例えば、火災安全やセキュリティシステム、発電機管理、海洋電力、輸送、緊急車両などの機器に配備されています。

DSEの新しい450W、15A出力のバッテリー充電器は、効率の向上、低ノイズ、低BOMのためのSiCカスコードを使用しています。
図 1.DSEの新しい450W、15A出力のバッテリー充電器は、効率の向上、低ノイズ、低BOMのためのSiCカスコードを使用しています。
 

DSEは世界中の顧客にサービスを提供しているため、充電器の入力はユニバーサルAC入力で、内蔵のスイッチドモード電源(SMPS)によって400V DCに昇圧しています。今回の450W充電器では、SMPSのスイッチング周波数を70kHzと高めに設定することで、従来品よりも効率を高めつつ、外付け部品の小型化を実現しました。従来のシリコンMOSFETはこの周波数に対応していますが、スイッチングノイズの発生量が多いため、EMC規制に対応するためにはさらなるノイズ低減が必要となります。また、DSEのエンジニアがテストした最初のMOSFETは、大型のスナバ回路と大型ヒートシンクを必要とし、サイズとBOMコストの両方が増大していました。

これらの最初のシリコンベースのプロトタイプで実証された 94% の効率を改善し、ノイズ、サイズ、および BOM コストの課題に取り組むために、チームは MOSFET を UnitedSiC の SiC カスコードに置き換えました。

SiCカスコードは、主な通電デバイスとしてのSiC高電圧JFETと、制御信号がローのときにSiCデバイスをオフに保持し、制御がハイになるとオンにする低電圧の従来型MOSFETを組み合わせたものです。このようにして、電源設計者は、従来のMOSFETのゲート制御電圧とドライバ回路を使用しながら、通常ONのSiC JFETの本質的に高い効率の恩恵を受けることができます。

優れたSiCスイッチング特性(高速かつ低ノイズ)により、効率が96%にまで向上し、ヒートシンクの必要性がなくなり、EMC対策も簡素化されました。また、受動部品のサイズとコスト、PCBのコストも削減されました。では、シリコンからSiCに変更するだけで、その性能向上のカギは何なのでしょうか。最も影響力のあるパラメタの一つは、デバイスの出力容量であるCossです。カスコードのCossは、同等のMOSFETよりもはるかに低いため、ゲート信号に応じて出力を素早く変化させることができます。実際、DSEのエンジニアは、MOSFETの出力が追いつくようにするために、ゲート抵抗を使ってスイッチング信号を遅くしなければなりませんでした。これに対し、SiCデバイスは問題なく高速駆動が可能でした。

さらに、Cossはオン抵抗であるRDS(ON)と組み合わせて、パワースイッチの重要なFOMを定義しています。DSEの充電器に採用されたUCC0650K SiCカスコードは、典型的なRDS(ON)が34~45mΩの範囲であるのに対し、同等のシリコンMOSFETではRDS(ON)は80mΩ程度になります。さらに、RDS(ON)の温度係数はSiCデバイスの方がはるかに安定しており、今回のUJC0650KはDSEが評価したMOSFETよりも約30%優れた安定性を示しました。また、同等の窒化ガリウム(GaN)デバイスよりも安定しており、GaNでの代替とは異なり、SiCカスコードは容易に入手でき、より競争力のある価格で、業界標準のパワーパッケージで入手できます。

DSEの次世代の高効率・低ノイズバッテリー充電器の生産が開始されました。設計チームは現在、将来的にすべての新しいDSEバッテリ充電器のために、UnitedSiCのSiCカスコードの最新の表面実装バージョンでデザインすることを検討しています。

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