SiC FET - トーテムのシンボル?

  • 2022年1月20日
  • ユナイテッドSiC

「ブリッジレス・トーテムポール型力率改善ステージ」という言葉を最初に作ったのが誰なのかは、インターネット上ではわかりませんが、気まぐれとひらめきの瞬間に発明され、命名されたに違いありません。AC/DC電源において、この回路は力率改善を実行し、ラインACブリッジ整流器の必要性を排除することで、低ライン電圧でも効率を2%も効果的に高めることができます。文字数を抑えるために「TPPFC」と名付けて、さらに検討してみよう。

理想的なスイッチが必要

2011年頃に初めて実証されたTPPFCのアーキテクチャは、理想的なスイッチと低損失の磁性体を用いれば、理論上は100%の効率に近づけることができます。しかし、少なくとも最近までは、高周波の昇圧スイッチ用の半導体が「十分に理想的」ではなかったため、このアイデアは時代遅れのものでした。問題は、導通損失とスイッチング損失のトレードオフです。オン抵抗を下げ、導通損失を減らすためには、ダイの有効面積を大きくする必要がありますが、そうするとデバイスの容量が大きくなり、スイッチングロスが大きくなします。また、TPPFCには、ピーク電流を管理可能にするために、中程度以上の電力レベルでは「ハードスイッチ」による連続導通モードで動作させる必要があり、そのためにはスイッチのボディダイオードに蓄積された電荷を回復させる必要があるという問題もあります。シリコンMOSFETを使用した場合、この電荷は大きく、結果として損失が大きくなるため、特にスイッチの駆動と制御のコストと複雑さを考慮すると、わずかな純利益にも値しない回路となってしまいます。

私たちはワイドバンドギャップの半導体で実現しつつある。

「80+チタン」などのサーバー効率基準では、230VACおよび50%負荷のAC / DC電源装置でエンドツーエンドで合計4%の損失が義務付けられていますので理論上の2%の効率向上は魅力的です。ACフロントエンドの損失は通常2%であるため、TPPFCの性能を高めるためには新しい技術を導入する必要がありましたが、ワイドバンドギャップのスイッチを採用したことで状況は一変しました。シリコンカーバイド(SiC)と窒化ガリウム(GaN)がその候補で、SiCのMOSFETはシリコンに比べて逆回復が80%減少しているのに対し、GaNは事実上ゼロです。また、同じ電圧クラスであれば、一般的にWBGのダイはシリコンよりも小さいため、出力容量もシリコン製のMOSFETよりも小さくなります。これは、WBG材料の高い臨界電界の直接的な結果であり、同じピーク電圧を、より薄く、より重くドープされた電圧サポート領域で処理し、その結果、オン抵抗が低くなります。SiCとGaNの低損失の利点は、メリットRDS(on)×AとRDS(on)×EOSSで要約することができます。RDS(on)×Aは、オン抵抗とダイ面積のトレードオフを示し、RDS(on)×EOSSは、オン抵抗と出力キャパシタンスによるスイッチング時のエネルギー損失のトレードオフを示します。

WBGデバイスはTPPFCステージを実現し、その回路は今では一般的になっています。しかし、SiCやGaNの見出しにあるような利点には、実際の実装上の困難が隠されているため、すべてがバラ色というわけではありません。SiCのMOSFETは回復電荷量が少ないのですが、ボディダイオードの順方向電圧降下が非常に大きく、損失が戻ってきてしまいます。また、ゲート駆動は閾値のヒステリシスやばらつきに敏感で、フルエンハンスメントのために推奨される高電圧は、絶対的な最大値に極めて近いものとなっています。GaNデバイスは逆に、ゲートのしきい値電圧が低いため、スイッチング過渡時にスプリアスや壊滅的なターンオンが発生する危険性があります。この問題はオフドライブ電圧を負にすることで解決できますが、この場合、チャネルが強化される前にデバイスが逆方向に導通したときに過剰な電圧降下が発生し、損失が増大します。また、GaNはまだ比較的高価です。

SiC FET - 限りなく優れた性能

半導体メーカーは何十年も前から、高電圧のスイッチと低電圧のスイッチを組み合わせて、導通損失とスイッチング損失の両方で優位に立つ「カスコード」という手法を知っていました。このワイドバンドギャップの製品では、ノーマルオンのSiC JFETと低電圧のシリコンMOSFETを組み合わせて、ノーマルオフのデバイスを製造しています。このデバイスは、UnitedSiCから「SiC FET」として提供されており、低キャパシタンスと低ダイナミックロスのための非常に小さなダイサイズで、非常に高速なスイッチングが可能です。JFETは効果的に導通損失を設定し、そのシンプルな垂直構造は、小さなダイサイズでも低オン抵抗を可能にします。その利点を証明するのが、これらのメリットの数値です。図1は、750VのSiC FETが650VのSiC MOSFETに対してどのように立ち向かっているかを示しています。

図1.SiC FETがSiC MOSFETよりも優れていることを示す性能指数

トーテムポール型PFC回路に採用したSiC FETは、期待通りの効率を実現するだけでなく、実装も容易です。このトポロジーとSiC FETスイッチの組み合わせは、「トーテム」、つまり最高の達成感を象徴していると言えるでしょう。