機械式サーキットブレーカーをSiC FETで置き換えるメリット

エンジニアリングの世界には、「If it moves, it will break(動けば壊れる)」という古い格言があります。ファンやリレーのような機械的なものは、通常、最初に故障することを誰もが知っています。重要なシステムでは、「万が一」に備えて、これらのアイテムの事前のメンテナンスや交換のプログラムが必要です。例えば、電気自動車のバッテリーに直列に接続された接点ブレーカーのように、それら機械部品が通常時は高いストレスレベルで動作し、緊急時には確実に反応しなければならない場合は、さらに悪いことになります。

このような状況下、ブレーカーが開かなければならない閉じた状態では、動作電流が数百アンペアまたは数千アンペアになることがあります。電圧は高く、通常はDC400V以上で、故障電流が遮断されると接続部のインダクタンスによってスパイク電圧はさらに高くなります。この電圧によりアークが発生し、ブレーカーの接点を蒸発させてしまいます。また、直流であるため、交流のようにアークを消すためのゼロクロスがありません。ブレーカの開閉も数十ミリ秒と遅いため、短絡状態ではダメージを与える貫通エネルギーが発生する可能性があります。

また、ブレーカーが古くなると、動作が遅くなり、損失も大きくなります。大電流の機械式サーキットブレーカーの寿命は厳しいので、頑丈に作らなければならず、時には圧縮ガスのパフを発生させたり、磁気の「ブローアウト」コイルを使用するなど、アーク放電を除去するための特別な方法を用いることもあります。

当然のことながら、ソリッドステート版サーキットブレーカー(SSCB)が代替品として設計され、MOSFET、IGBT、SCR、IGCTなど、利用可能なあらゆる半導体技術を用いて製造されており、アーク放電や機械的摩耗の問題をうまく解決しています。例えばIGBTの場合、500Aで1.7Vの電圧降下が発生し、850Wもの電力を消費してしまいます。IGCTは電圧降下が少ないのですが、物理的サイズが非常に大きくなります。MOSFETは、IGBTのような「ニー」電圧は示しませんが、オン抵抗があります。

MOSFETを改良するには、このRDS(on)を3.4mΩ以下にして、400V以上の定格電圧を実現する必要がありますが、これは現在のところ1つのMOSFETでは実現できません。多数のMOSFETを並列に並べれば可能ですが、コストが跳ね上がり、双方向性が必要な場合はさらに2倍になります。電気機械式のサーキットブレーカーは決して安くはありませんが、それでもコスト面では優位性があるでしょう。

SiCだと違いはありますか?

では、ワイドバンドギャップ半導体の新しい驚異的な技術は、このギャップを埋めることができるのでしょうか。シリコンカーバイドのスイッチは、同じダイ面積でシリコンの約1/10のオン抵抗を実現し、熱を逃がす熱伝導率も格段に優れているので、2倍の最高温度に対応できます。

これにより、小さなパッケージに十分な数のダイを並列に配置して、SSCBとして使われるIGBTを改良する可能性が開け、
SiC FETは理想的な候補となります。SiC JFETとSi-MOSFETのカスコード接続は、駆動が容易で、現在のスイッチ技術の中で最も優れたRDS(on)×Aの性能指数を持っています。UnitedSiCは、SSCBのデモンストレーションとして、1200Vデュアルゲートダイを6個並列に配置し、SOT-227パッケージで1200V300A定格でオン抵抗2.2mΩを達成しました。図で示すようにこの試作品は、2000A近いフォールト電流を安全に遮断しました。

図1. 2000A近い電流を安全に遮断するSiC FET SSCB
図1. 2000A近い電流を安全に遮断するSiC FET SSCB

内部のJFETゲートを別のピンに出すと、高速スイッチング用途でのエッジレートをより直接的に制御することができ、SSCBなど一部の用途で望ましいとされるノーマルオフまたはノーマルオン動作を効果的に選択することができます。また、JFETのゲートをわずかにプラスにバイアスすることで、オン抵抗も少し改善されています。しかし、2V以上の正電圧ではチャネルが完全に導通し、ゲートは順方向にバイアスされたダイオードのように見えるという、もう1つの特徴があります。これに一定の低い電流を流した場合、ダイオードの実際のニー電圧は、ダイの温度と正確な関係を持つことになります。これを測定し、温度のトレンドを記録しておけば、迅速な過熱検知、さらには長期的な健康状態の監視に利用することができます。

SiC FET SSCBが機械的の接点に取って代わるための正しい方向に進んでいる。

SiC FETにより、SSCBアプリケーションは大電流に対応できるようになり、損失は技術の進歩とともに減少していきます。デバイスを並列化して、機械式サーキットブレーカーと同等の究極の損失を実現することも可能であり、ダイが改良されて一定の抵抗に必要な数が減れば、必ずしもコストが問題になるわけではありません。また、SiCウエハのコストは、今後数年間で半減すると言われており、電気自動車の販売によってサーキットブレーカーの市場が拡大することによるスケールメリットも期待できます。さらに、電気機械式ソリューションのメンテナンスや交換のコストを考慮すると、この議論はさらに説得力を増します。

エンジニアの格言に「壊れていなければ、直さない」というものがあります。壊れるのを待つのではなく、心配のないソリューションとして、SiC FET SSCBを検討してみてはいかがでしょうか。

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