SiCFETの起源と完璧なスイッチへの進化(実アプリケーションにおけるユニークな使い方編)

概要

ワイドバンドギャップ半導体を用いた高周波スイッチは、電力変換の効率化に貢献します。その一例である炭化ケイ素のスイッチは、SiCのMOSFETとして、またはカスコード構成のSiC FETとして実装することができます。この記事では、SiC FETの起源と最新世代への進化をたどり、その性能を他の技術と比較しています。4回にわたって、物理特性の違い理想的なスイッチに対してのアプローチおよび特徴信頼性、実アプリケーションにおけるユニークな使い方、について説明します。

その他のSiCFETアプリケーション

SiC FETは、高効率のパワーコンバーターに適しており、一般的な産業用三相アプリケーションでは1700V定格まで利用できます。カスコードの原理は、制御用のSi MOSFETにSiC JFETを「スタック」することで、簡単に拡張することができます(図8)。この原理を実証するモジュールが40kV定格で開発されています。

図8 積層式カソードの原理で数十kVの高電圧定格に対応
図8 積層式カソードの原理で数十kVの高電圧定格に対応

前述したように、SiC JFETはゲート・ソース・ドレイン電圧に対してほぼ一定の飽和電流特性を持っており、この特性は電流リミッターやブレーカーなどの回路保護アプリケーションに有利に利用することができます。図9は、SiC FETカスコードを用いた自己バイアス型サーキットプロテクターのコンセプトを示しています。このサーキットプロテクターは、外部の補助電源レールや内部のDC-DCコンバーターを必要としない真の「2端子」です。

図9 2端子自己バイアス式サーキットプロテクターのコンセプト
図9 2端子自己バイアス式サーキットプロテクターのコンセプト

パフォーマンスと価値の向上に向けた進捗状況

SiC FETは世代を重ね、最新のGEN4では、使用可能な電圧範囲、オン抵抗を向上させるためのセル密度、熱性能を向上させるためのダイの焼結など、さまざまな改良が加えられています。また、チャネル抵抗が非常に低いため、基板を介した伝導損失が制限要因となり、基板を薄くする技術が使用されています。また、ダイナミックな面でも、特に出力キャパシタンスCOSSの低減が図られています。これにより、トーテムポール型PFCのようなハードスイッチ型の連続導通モードでは損失が減少し、LLCやPSFBのようなソフトスイッチ型の共振回路では高周波動作が可能になります。

現在、スイッチングエッジレートは非常に高速になっており、エッジレートが性能に重要ではなく、モータードライブなどのEMIや故障の問題を引き起こす可能性がある用途に合わせて、「超高速」や意図的に速度を落とした単なる「高速」の定格でデバイスが提供されています。パッケージングも、最初のSiC FETから進化しており、Si MOSFETとSiC FETのダイを並べて配置し、相互にワイヤボンドで接続して形成されています。これにより、例えばTO-247パッケージのような柔軟な対応が可能になりましたが、より低コストで高性能を実現するためには、より大きなダイを用いて大電流を流す「積層型」のダイ配置が一般的になっており、特にコンパクトなモジュールで部品を並列に配置する場合に用いられます。

また、はんだダイアタッチは、熱的性能の向上のために銀焼結に変わり、DFN8x8パッケージは、MHzスイッチングのための低インダクタンス高周波レイアウトを可能にします。TO-220、TO-247、D2PAKパッケージは、SiC FETをIGBTを使用した古い設計に後付けすることができるため、依然として人気があります。これらのパッケージの4本リードバージョンの「ケルビン」ソース接続は、ソースリードのインダクタンスがゲート駆動ループと干渉することによる問題を軽減します。また、電気的な性能からSiC FETを使用する価値が高まっていることに加え、継続的な生産歩留まりの向上と8インチウェハーへの移行によるコスト削減プログラムも実施しています。

魅力的なソリューション SiCFET

最新世代のSiC FETにより、理想的なスイッチに少しだけ近づきました。伝導損失と動的損失がこれまでで最も低く、99%以上の効率を持つ高周波電力変換ステージを実現し、それに伴うエネルギー、サイズ、重量の削減が可能になります。設計者は「理想」の定義を広げ、幅広い動作条件や故障条件で安定した特性を持ち、便利なパッケージで簡単に駆動できることも求めています。

同時に、機器のエンドユーザーは、信頼性の高い最終製品を、古い技術の実装からステップアップしたトータルライフタイムコストで求めています。ユナイテッド・シリコン・カーバイド社のSiC FETは、650Vから1700Vまでの電圧定格と、7ミリオームまでのオン抵抗を持つ一連の部品でこれを可能にします。設計支援として、UnitedSiCの「FET JET」計算機は、PFCステージや絶縁/非絶縁DC-DCコンバーターを含む電力変換トポロジーの選択において、同社のデバイスのいずれかを迅速に選択し、性能を予測することができます。

UnitedSiCの「FET JET」計算機

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