SiCカスコードを用いて高効率な電力変換を実現

  • 2018年9月04日
  • ユナイテッドSiC

UnitedSiCのNPIマネージャー、Zhongda Liによる

SiCカスコードがスイッチング回路トポロジーの優れたソリューションとなる理由

暖かい電話の充電器を壁のコンセントから抜いた人は誰でも、電力変換が非効率的である可能性があることに気付くでしょう。 携帯電話のバッテリーに転送されるはずだったエネルギーは、代わりに大気を暖めることになります。 古くなった携帯電話、タブレット、その他のガジェット用のこのような充電器でいっぱいの引き出しを持っている人なら誰でも、私たちが私たちの生活の中でますます電力変換に依存していることを知っているでしょう。 これら2つの要素の組み合わせにより、半導体企業や回路設計者は、電力変換器の効率を高めようと努力し続ける価値があります。個々の改善が小さく見えても、累積効果は大きくなる可能性があります。

変換損失の最大の原因の1つは、パワー・コンバータに使用されるスイッチング回路、特にMOSFETやIGBTが含まれている場合に発生します。経験豊富な設計者は、多くのパワー・コンバータで発生する「ハード・スイッチング」は、遷移時に電圧と電流が必然的に重なり、瞬間的な高電力損失を引き起こすことを知っています。

この問題は、ゼロ電圧または電流で遷移を試みる「ソフトスイッチング」コンバータの開発によって解決されています。こ のアプ リ ケーシ ョ ンの最新バージ ョ ンは、 図1 に示すLLC および位相シフト フルブリッジ(PSFB) 回路トポロジ ーです。

図1:LLC(左)とPSFB(右)のコンバータ

これらの「共振」コンバータは、誘導する磁界に結合されているため、インダクタの電流が急激に変化することがないという事実を利用しています。これにより、電圧と電流の遷移を分離することが可能になり、重なり合って不必要な電力損失を引き起こすことはありません。これは、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)として知られているアプローチを使用して、電源スイッチをオンにするときに非常に簡単に実現できます。残念ながら、このアプローチはスイッチをオフにするときには機能しないため、設計者はゼロ電流スイッチング(ZCS)の実現に注目しています。ZCSの実装は非常に複雑なので、その利点を上回ることがあり、「ハードスイッチ」を使用してターンオフ遷移を行うことが多いことを意味します。

LLCとPSFBコンバータを実行可能にする

LLC および PSFB コンバータの人気が高まっている理由の 1 つは、IGBT および Si MOSFET はハードオフ時の損失が大きく、IGBT は特に「電流の尾」が長いという問題を抱えていることにあります。高速MOSFETやシリコンカーバイド(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの材料により実現されたワイドバンドギャップデバイスなどのデバイスは、ターンオフ遷移速度を大幅に高速化し、電圧と電流の重なりを最小限に抑えることができ、その結果、損失を最小限に抑えることができます。 これにより、LLCおよびPSFBトポロジは、従来のトポロジに代わる実用的な代替トポロジとなりました。

また、あらゆる機器の効率目標が厳しく、小幅なパーセンテージゲインを実現することが商業的にも価値があるため、半導体メーカーはターンオフ時の損失を最小限に抑えるデバイスを開発しています。ここで重要な性能の比較対象となるのは、ターンオフ時に消費されるエネルギーで、EOFFと呼ばれています。これは、スイッチ チャネルの損失の原因となる電流/電圧オーバーラップと、スイッチの出力容量(COSS)を充電するのに必要なエネルギーの組み合わせで構成されています。COSSに蓄積されたエネルギーはバルクコンデンサに戻るため、失われることはありませんが、それに関連した充電および放電電流が導通損失を増加させます。

SiCカスコードで最適な変換性能を実現

SiCカスコードは、IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFETよりも効率に影響を与えるパラメタの範囲で優れた性能を持ち、全体的に最小のEOFを提供します(図2を参照)。この性能の優位性は、デバイスのスイッチング速度と、比較的小さなダイサイズの機能である非常に低いCOSSによるものです。また、SiCカスコードの性能は、温度上昇とともにスイッチング損失が大きく増加するIGBTとは異なり、温度にほぼ依存しません。

図2:SiCカスコードと他の技術との比較

スイッチング回路では、全体的な消費電力は動作周波数に比例し、これにターンオフ時に消費されるエネルギー(EOFF)を乗じた値となります。SiCカスコードを使用することで、設計者はこれらの損失を動作周波数とトレードオフし、最適なシステムソリューションを実現できます。より速いターンオフは、共振コンバータがより高い動作周波数までZVSを維持するために必要な最小デッドタイムを維持するのに役立ちます。また、SiCカスコードは、共振スイッチング時に導通する必要があるため、非常に高速な等価ボディダイオードを備えており、効率性の向上に貢献します。

回路設計で無駄なものを手に入れることは滅多にありませんが、SiCカスコードの場合、電磁干渉の発生を避けるためにスイッチング速度の高速化を抑制する必要があります。これはゲート抵抗の値を上げることで実現できますが、その代償としてEOFにノックオン効果があります。図3は、UnitedSiC UJC1206K デバイスの RG の値の違いが EOFF にどのように影響するかを示しています。高いゲート抵抗値が許容できないほど長い遅延時間を引き起こす場合、設計者はR-C スナバ回路を使用できます。また、追加のダイオードを追加することで、ターンオンとターンオフのために異なるゲート抵抗値を実装することも可能です(図4)。

図3:SiCカスコードのゲート抵抗とEOFの関係
図4 ダイオードを追加することでSiCカスコードのオンオフ時間を個別に制御可能

共振コンバータのスイッチの出力容量は、その共振タンク回路の一部を形成します。選択された共振周波数では、高いキャパシタンスの存在は、望ましくない場合がある低インダクタンスの使用を要求します。これはなぜでしょうか?LLCコンバータでは、これは高い循環磁化電流を発生させ、電力伝達には寄与しないが、全体的な変換効率を低下させる導通損失を発生させるからです。SiCカスコードはCOSSの値が低いため、設計者は必要に応じてこの低い容量を利用することができますが、必要に応じてディスクリート容量を追加することができます。

カスコードに変換

SiCカスコードの高速スイッチング速度、高速ボディダイオード、高温動作、低RDS(ON)および堅牢性により、あらゆるスイッチング回路トポロジに最適なソリューションとなっています。また、その低いEOFは、最新の高効率LLCおよびPSFB変換トポロジにも適しています。僅かな効率の向上を追求する闘いが続く中、今こそカスコード変換への変換を検討すべき時かもしれません。

参考

UnitedSiCアプリケーションノートAN0014 - 2017年3月。サーバーのLLC第2段電力変換における650Vカスコード

UnitedSiCアプリケーションノートAN0013 - 2016年5月。高電圧位相シフトフルブリッジにおけるUSCiカスコード

高効率LLCシリーズ共振コンバータのコンピュータ支援設計と最適化, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL.7, JULY 2012, Ruiyang Yu et al.

SiC JFETカスコード損失のMOSFET出力容量依存性とトレンチIGBTとの性能比較、デンマーク大学、Pittini et al.