効率は悟りにつながる

  • 2018年7月27日
  • ユナイテッドSiC

UnitedSiCの技術ビジネス開発担当Christopher Rocneanu氏と深海エレクトロニクス電力部門チームリーダーFiras Hijawi氏によるものです。

効率性は、私たちの靴ひもの結び方から旅客機の飛行経路に至るまで、多くのことに当てはまる概念です。効率性を追求することは、特にあらゆる形でエネルギーに深く関わっているビジネスの基盤となります。

Deep Sea Electronics (DSE) は、英国を拠点とし、発電機制御システム、バッテリ充電器、自動トランスファースイッチコントローラ、トラクターやフォークリフトなどのオフハイウェイ車や移動機械用制御システムの設計・製造を行うマーケットリーダーです。40年以上にわたり、関連市場でのイノベーションを推進し、効率性を高めることに重点を置いた新技術を採用してきました。 その根底にはパイオニア精神があり、新しいチャンスを追求し、新しい技術を取り入れていくという哲学は、社内のあらゆる製品や開発に現れています。

DSEパワー事業部では、充電用途向けに力率改善(PFC)機能を備えた新しいAC/DCスイッチドモード電源(SMPS)を開発する必要性が生じたとき、より効率的な電力変換ソリューションを見出す機会と考えていました。

図1:Deep Sea Electronics社の15Aバッテリー充電器-DSE9473。

DSEバッテリ充電器は、広い入力電圧(90 VAC~305 VAC)で、SMPSトポロジーを使用してDC出力に変換します。効率性を追求するためには、使用する設計と部品が高周波でスイッチングし、高い信頼性で動作条件に耐える必要があります。当初、いくつかの設計が評価されましたが、高周波でのスイッチングは可能でしたが、電気的にノイズが多く、大きなヒートシンクが必要でした。 これらの初期コンセプト設計の問題を解決できたとしても、結果として得られた製品の効率は約94%で、これは高いですが、DSEやその市場が望むほどではありませんでした。

この時点で、設計チームは視野を拡大することを決定し、設計の観点から従来のMOSFETのドロップイン代替品となるパッケージにSiC JFETと従来のMOSFETを組み合わせたシリコンカーバイド(SiC)カスコードデバイスの評価を行うためにUnitedSiCにアプローチしました。設計チームはすぐに、このカスコード・デバイスがいくつかの利点をもたらすことを発見しました。

第一に、オン/オフの速度が速いため、ヒートシンクが不要であり、MOSFETのような損失を伴うことなく高周波数でのスイッチングが可能です。また、熱性能も良く、電気的にもノイズが少ないため、EMC対策も簡単になりました。

スイッチング効率を左右する重要なパラメタは、出力容量であるCossであり、評価したMOSFETよりもはるかに低い値となっています。その結果、変化率(dv/dt)が非常に高くなりますが、これがMOSFETの限界でした。多くの場合、MOSFET を使用すると dv/dt 定格を簡単に超える可能性があり、実際にはゲート抵抗を使用して減速させる必要があります。

もう一つの重要なパラメタは、オン抵抗(RDS(on))です。選択された部品のRDS(on)は、34mΩ~45mΩtypで、MOSFETでは80mΩ程度の数値です。さらに、SiCのRDS(on)の温度係数も大幅に改善されています。温度によってRDS(on)3倍に増加するのに対し、SiCデバイスは2倍程度の増加にとどまっています。これは、窒化ガリウム(GaN)デバイスよりも優れていることもわかります。

実際、チームはいくつかの点でGaNを割り引いて考えていました。GaNはまだ比較的高価な技術ですが、おそらくもっと重要なことは、各デバイスが特注のパッケージで提供されているため、セカンドソースが問題になります。 SiCデバイスは、より競争力のある価格で業界標準のパッケージで提供されており、より一般的に利用できるようになっています。

SiCソリューションを採用することで、DSEチームは、使用する受動部品のサイズも小さくすることができ、コンパクトな設計のためのスペースをさらに節約することができました。これらの利点と同様に重要なのは、PSUの効率も、同じ動作条件で96%まで向上しました。

この新しいデザインは現在生産中で、DSEは新しいSMPSのかなりの数を生産し、同社の世界的なバッテリー充電器市場シェアのかなりの割合を形成することを期待しています。