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。

この記事では、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。

 

半導体スイッチとその性能指数(FoM)

LLCコンバーターや同様のトポロジーに使用できる半導体スイッチには、さまざまなタイプがあります。これまではシリコンMOSFETが標準的なソリューションでしたが、その使用にはいくつかの制限があり、避けるべき落とし穴があります。MOSFETの出力容量COSSと蓄積エネルギーEOSSは非常に非線形な量であり、大きな値になる可能性があり、放電には理想的なデッドタイムよりも長い時間を必要とします。スイッチングの前にエネルギーを確実に放電することはZVSにとって重要ですが、キャパシタンスを充電する動作では、P = f x 0.5 x COSS x V2の電力が消費され、V2項の影響で電圧が高くなるほど問題となります。

明らかにEOSSは可能な限り低くなければなりませんが、他の条件が同じであれば、オン抵抗とのトレードオフにもなります。大規模なダイでは、多くの並列セルで伝導損失を抑えてRDS(ON)を低くすることができますが、COSSとそれに伴うEOSSは当然高くなります。したがって、デバイスを比較する際には、FOM RDS*EOSSが重要になります。同じようなRDS*EOSS値の場合、もう一つの差別化FOMはRDS-Aである。この値が小さいということは、デバイスの容量が小さいということであり、ある目標のオン抵抗に対してウェハからの歩留まりが高く、結果として単価が安くなります。

デバイスを比較する際には、ボディーダイオードやダイオード効果の特性が重要になります。共振コンバーターでは、ソフトスイッチング時にMOSFETの固有のダイオードが自然に導通しますが、順方向電圧降下が大きく、電荷回復QRRが遅いなど比較的性能が低く、不感時間の短い高周波ではスイッチングサイクルが不完全になり損失が発生することがあります。窒化ガリウム(GaN)HEMTセルのようなワイドバンドギャップデバイスは、ダイオードを持たず、ソースからドレインまで、MOSFETに見られる寄生ダイオードではなく、メインチャネルを介して「第3象限」で導通します。HEMTセルの第3象限導通では電荷の回復はないですが、順方向電圧降下も非常に大きく、ゲートのターンオンしきい値電圧に加えて、負のオフ駆動電圧が印加されることになります。

WBGシリコンカーバイド(SiC)技術のMOSFETには、ショットキーダイオードのように高速な寄生ダイオードがありますが、やはり順方向電圧は約3Vと高いです。第3象限の導通時間は短いものの、最高の効率が求められる場合には、ダイオードやダイオード効果で損失が大きくなることがあります。チャネル伝導とダイオード損失の組み合わせの指標として、RDS*QRRは有用なFOMです。また、SiC MOSFETやGaN HEMTセルでは、最適な効率を得るためのゲート駆動の要件が非常に敏感です。

すべての特性を兼ね備えたデバイスとして、SiC FET(図5)がある。低電圧のSi-MOSFETとSiC JFETをカスコード構成で組み合わせたもので、同様に、RDSA、RDS*EOSS、RDS*QRRのFOMは、SiスーパージャンクションMOSFET、SiC MOSFET、GaN HEMTセルよりも低いものとなっています。

図5 SiC FET – SiMOSFETとSiCJFETのカスコード
図5 SiC FET – SiMOSFETとSiCJFETのカスコード

SiC FETは、超高速スイッチング、高熱伝導性、高温動作といったSiCの利点に加え、低電圧のSi-MOSFETのようにゲート駆動が容易であることが特徴です。デバイスの容量と蓄積された電荷はすべて低く、ボディーダイオード効果があり、高速で、25℃で約1.5Vという低い順方向電圧降下を実現しています。また、GaNデバイスとは異なり、アバランシェ現象が発生し、短絡状態では電流が制限されます。

新しいソリューション

現在では、LLCやPSFBトポロジーを用いた高効率DC-DCコンバーターのアプリケーションにおいて、SiC FETの優位性が認められています。この低損失を活かして、コンバーターのサイズ、特に高さが縮小され、モジュールの密な実装とシステムの電力密度の向上が可能になりました。このような用途では、SiC FET パワースイッチは表面実装パッケージが唯一の選択肢であり、これまでは D2PAK-3L や D2PAK-7L が使用されていました。これらのデバイスは高い電流定格に対応しており、特に-7Lパッケージは1700Vの定格で、リードのインダクタンスの影響に対抗するためにケルビン・ソース接続を採用しています。しかし、高さはまだ0.19in(5mm)に近いです。

UnitedSiCの新しいソリューションは、DFN 8x8-4Lパッケージに収められたSiC FETファミリーで、最大高さ0.043インチ(1.1mm)、8mm角のサイズです。デバイスの定格電圧は650V、25℃におけるオン抵抗は34または45ミリオームです。また、他のSiC FETデバイスと同様に、0~10Vの容易なゲート駆動、超高速スイッチング、QRRが低く、ゼロ電圧スイッチングが失われた場合にも堅牢なボディダイオード効果を備えています。RDS*EOSSとRDS*QRRの性能指数は、650VのシリコンスーパージャンクションMOSFETやGaN HEMTセルと比較してクラス最小です(表1)。焼結銀ダイアタッチにより、ケースの熱抵抗が最も小さくなっており、これに加えて、SiC固有の高温性能、ESD保護、優れたアバランシェおよび短絡動作が加わることで、堅牢な製品となっています。

表1 650Vクラスのスイッチ、Si-SJ MOSFET、GaNおよびSiC FETの比較
表1 650Vクラスのスイッチ、Si-SJ MOSFET、GaNおよびSiC FETの比較

結論

効率性は、エネルギーとコストの節約、そしてより少ない電力損失で達成できる小型化のために、最新のすべての電力変換器設計の原動力となっています。共振型スイッチングを用いた最新の回路トポロジーでは、90%台後半の効率を日常的に達成しており、残りの損失は残留伝導とスイッチング効果に集中しています。さらに低損失化を進めるために、SiC FETなどのワイドバンドギャップ半導体スイッチが登場し、ミリオーム単位のオン抵抗と理想に近いスイッチング特性を実現しています。回路実装が容易であることと相まって、UnitedSiCのDFN 8x8のような超低背パッケージで部品が入手できるようになり、低損失のパワースイッチングに対する高性能で堅牢なソリューションとなっています。

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