SiCを使ったさらなる高効率化 - 小数点以下の効率の重要性

SiCを使ったさらなる高効率化 - 小数点以下の効率の重要性

産業界では、サーバーファームが世界のエネルギー需要の1%を占めるようになり、効率の向上が数パーセント単位の大幅なコスト削減と環境負荷の低減につながることがわかっています。効率の向上が「転換点」に達し、メリットが倍増し始めることもあります。例えば、電気自動車では、改良によって電力変換器が小型・軽量化され、エネルギー需要が減り、航続距離が伸びます。

そのためエンジニアは、小数点以下の効率向上をひたすら追求します。多くの場合、ほんのわずかな改善を約束された新しい見慣れないトポロジーで設計するリスクが、任意のタイムスケールでより低い総コストになるかどうかを判断します。効率が上がれば上がるほど、改善があるかどうかを自分で納得するのは難しくなります。入・出力電力の測定で±0.1%の誤差があったとしても、効率がすでに99.5%程度に達している場合、計算上の損失は実際の値よりも40%以上または以下になる可能性があります。入力が歪んだ力率の低いACで、出力がDVMを混乱させる残留ノイズ成分のあるDCの場合は、さらに悪い結果となります。現在では、電気的な測定値から推測するのではなく、実際に熱出力を測定する熱量測定法に頼るのが一般的です。

図1. 試験機の精度が±0.1%でも、高効率レベルでは効率測定精度に大きなばらつきが出る
図1. 試験機の精度が±0.1%でも、高効率レベルでは効率測定精度に大きなばらつきが出る

パワーコンバーターの効率を上げるための比較的リスクの少ない選択肢の1つは、すでに設計されている半導体を改良することです。MOSFETベースのコンバーターは、オン抵抗が低く、必要なスイッチングエネルギーが少ない新しいデバイスにアップグレードすることができ、EMIエミッションの変化も考慮する必要があります。 しかし、SiC MOSFETやGaN HEMTなどの最新のワイドバンドギャップデバイスを活用するためには、回路、特にゲートドライブの変更が必要になります。既存の回路がIGBTベースであれば、ワイドバンドギャップデバイスを使用するためには、一からの再設計が必要になります。

ゲートドライブの問題は、電圧レベルと関係しています。SiC MOSFETをフルに機能させるためには、Si-MOSFETよりもはるかに高いオン電圧のドライブが必要で、デバイスの絶対的な最大定格に限りなく近いため、慎重に制限する必要があります。また、オン状態とオフ状態の間の電圧の振れ幅が大きいため、サイクルごとにゲート容量の充放電が行われ、ある程度の駆動力が必要となります。また、しきい値電圧は変化し、ヒステリシスがあるため、最適な駆動が難しくなります。GaN HEMTの場合は逆に、ゲートのしきい値電圧や絶対最大値が非常に低いため、過負荷や故障を避けるために駆動回路を慎重に制御する必要があります。

電力変換回路が逆方向や第3象限の導通を必要とする場合、SiC MOSFETのボディダイオードの特性が重要であり、その回復エネルギーや順方向の電圧降下が大きいため、過剰な損失につながる可能性があります。GaNデバイスにはボディーダイオードがなく、チャネルを介して逆方向に導通しますが、ゲート駆動によってチャネルが積極的に強化される前のデッドタイムに高い電圧降下が生じます。オフ状態でゲートが負に駆動されると、「整流」時の降下はさらに大きくなります。

このような状況を打開するためには、Si-MOSFETとSiC JFETをカスコード接続したSiC FETが有効です。このデバイスは、Si-MOSFETのようにゲート駆動が容易でクリティカルではありませんが、SiC MOSFETやGaN HEMTセルよりも優れた性能指数RDS(on) x AおよびRDS(on)xEOSSを備えています。固有のアバランシェ耐量と自己制限短絡電流がしっかりしており、ボディダイオード効果は低電圧Si-MOSFETと同様で、順方向降下が小さく、回復が速い。 つまり、SiC FETは、Si-MOSFETやIGBTのソケットにドロップインするだけで、瞬時に効率を向上させることができるのです。SiC FETの速度は、他の技術のようにゲート駆動抵抗を調整するだけではEMIやストレスを抑制することはできませんが、この超高速デバイスでは、オーバーシュートやリンギングを小型のRCスナバで効果的に抑制することができ、デバイスの並列動作も容易になります。また、IGBTからの置き換えでは、スイッチングロスを発生させずにスイッチング周波数を上げることができ、磁気回路の小型・軽量・低コスト化を実現しています。

SiC FETは、一般的な変換トポロジーの効率を向上させる確実な方法であり、それに伴うあらゆるメリットがあります。

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