シリコンの最終購入 - SiCへの乗り換えの時期か?

  • 2018年9月24日
  • ユナイテッドSiC

UnitedSiCのビジネス開発担当Christopher Rocneanu氏とMicropower Groupの製品マネージャMagnus Phil氏による

重要なシリコンパワーMOSFETデバイスの生産終了は,充電器メーカーであるMicropower Group社に問題をもたらす可能性がありました.同社は、製造を継続して稼働させるための早急なソリューションを必要としていました。 UnitedSiCのSiCカスコードは、コンポーネントの値を最小限に変更するだけで済む便利な直接交換を提供するだけでなく、SiCへの長期的な取り組みによって得られる優れた効率性、耐久性、およびスペースの節約をタイムリーに紹介してくれました。

パワーシステム設計者の中には、シリコンカーバイド半導体を、電気自動車のドライブ、データセンターの電力変換、または再生可能エネルギー発電機のパワーコンディショニングなどのハイエンドアプリケーションのためのオプションとしてしか見ていない人もいます。過去には、シリコンカーバイドを使った設計には、特殊なゲートドライブ要件などの課題もあり、従来のシリコンデバイスのドロップイン置き換えが容易ではありませんでした。

しかし、現実は少し違っています。SiC製造プロセスが成熟してコスト効率が向上しただけでなく、新しいタイプのSiCデバイスが登場しました。これらのデバイスは、SiC MOSFETやダイオードに加えて、既存のシリコンFETに代わるドロップイン型の便利な代替品として提供されており、BOMコストをほとんど、あるいは全く増加させることなく回路をアップグレードすることができます。

スウェーデンのMicropower Groupは最近、同社のエンジニアが高稼働・高出力のバッテリー充電器ユニット用に選択したMOSFETについて、最終購入警告を受けたことから、SiCカスコードの可能性を発見しました。年間数千個のユニットの予約注文を受けていたのに、主要コンポーネントの生産中止が間近に迫っていたため、大きな問題が発生していた可能性がありました。しかし、マイクロパワー社はこの潜在的な問題を、同社と顧客にとっての明確なメリットに変えました。現在では、SiCベースの製品の設計とテストにおける貴重な経験を活かして、このエキサイティングな新技術を活用した新製品の開発に向けた扉が開かれています。

変化の触媒としての製造中止通告

マイクロパワー社のAccess 100シリーズは、マテリアルハンドリング業界で多くの顧客を持つ高性能8kW充電器です。オリジナル設計のフロントエンドには、3つのトランジスタを4つのグループに並列に配置した12個のシリコンMOSFETからなるブリッジコンバータが配置されています。この充電器は、完全に開発、試験、認定を受けており、ユーザーから信頼され、世界中で需要があることから、しばらくの間、フル生産されていましたが、MOSFETの最終購入通知が届いたときには、この充電器は、完全に開発されていました。

すぐに技術者には解決策が求められたが、市場には適切な同等品が存在しませんでした。そこで、同等の定格を持つスーパージャンクションMOSFETが第一候補となりました。残念ながら、いくつかの試作品が原因不明の故障に見舞われ、トランジスタのボディダイオードの耐久性に疑問を投げかけられました。IGBTも一時的に検討されましたが、充電器がカリフォルニア州エネルギー委員会の厳しい仕様をクリアするには十分な効率がありませんでした。SiC MOSFETも検討されましたが、性能の優位性を最大限に活かすためには、基板レイアウトや回路設計を大幅に変更する必要がありました。

選択肢は尽きたように見えました。マイクロパワー社のエンジニアがUnitedSiCの新しいSiCカスコードファミリーを発見するまでは。

SiCカスコードには、低電圧シリコンMOSFETをパッケージ化したSiC JFETが含まれています。シリコンMOSFETと同じゲート駆動電圧と回路を使用して制御することができますが、全体的な導通損失とスイッチング性能はSiC JFETのものが支配しています。もちろん、どちらも本質的には、同程度の定格電圧のシリコンMOSFETよりも優れています。正確には、SiCカスコードのデバイスあたりのRDS(ON)は旧式の部品の3分の1以下で、耐圧は250V高くなっています。さらに、これらの製品は、同一の標準TO-247パッケージで提供されているため、すぐに「ドロップイン」することができました。

マイクロパワー社のエンジニアは、ゲートドライバ回路の抵抗値を再最適化し、ドライバのデッドタイムを調整するだけで済みました。その結果、元のゲートドライバ電圧と動作周波数を使用しても、すべてが簡単に動作しました。性能測定では、通常の動作負荷での効率が実際に1%向上していることが示されました。軽負荷時にはなんと10%向上しています。今回の動作電力レベルでは、このような一見小さな違いでも、5年間のサービスで750kWhの印象的な省エネになります。設計のさらなる改良は、スナバコンポーネントのサイズを縮小することです。さらに、元のEMI性能を満たすために、2つの「Y」コンデンサを追加する必要がありました。重要なことに、BOMコストの純増加はありませんでした。

プロジェクトの最終段階では、生産ユニットがプロトタイプと同等の性能を確実に発揮し、短絡や過電圧などの日常動作における一般的な危険に耐えられるかどうかを確認するために、厳しい認定プロセスが行われました。12ヶ月間のプログラム(図1)では、充電器は出力短絡や負荷切断等の起こりうるエラーにさらされ、それぞれ2万回ずつ実行されました。電圧サージや冷却損失をシミュレートするための熱過負荷も繰り返し印加されました。全プロセスにおいて故障は発生しませんでした。

図1.マイクロパワー社のSiC強化Access 100 8kW充電器に適用された認定試験。

最終結果は、大幅に改善された製品であり、新たに延長された生産寿命を享受します。 そして今、SiCテクノロジーの適用の経験を積み、達成可能なパフォーマンス上の利点のほんの一部を確認したことで、Micropower Groupは、この急速に進歩するテクノロジーの可能性をさらに探求する準備ができています。 エンジニアはすでにUnitedSiCのSiCカスコードを使用した新しい13kW充電器プロジェクトを開始しており、両社は長期供給契約を発表しています。 将来的には、高度なSiCデバイスを使用してゼロから設計された新しいMicropower Group製品は、はるかに小さな磁気コンポーネントやその他のパッシブで、さらに優れた耐久性とエネルギー効率を実現する可能性があります。

それはすべて、製造注意についてのその手紙から始まりました。 誰もが予想していたよりも大きく、より良い変化のための触媒でした