トーテムポール型PFCステージにSiC FETが採用される

  • 2022年1月20日
  • ユナイテッドSiC

アメリカの太平洋岸北西部で見られるトーテムポールは、装飾的なものから記念碑的なものまで、さまざまな機能を持っています。あるものは歓迎の意を表し、あるものは世間に恥をさらしたり嘲笑したりしています。TTLロジックで相補的に駆動される2つのトランジスタのスタックにこの名前を適用しようと決めたエンジニアの心中は定かではありませんが、この用語は「トーテムポール」力率補正ステージの形で、電力の世界では確かに歓迎されています。記念碑的な彫刻との関連性はまだ薄いが、TTL出力段との類似性は健在です。つまり、2組のスタックされたスイッチが、片方の足はACライン周波数で、もう一方の足は高周波数で交互に駆動されます。

図1.トーテムポール型PFC回路

この配置のポイントは、分解するとフルブリッジのAC整流器と力率改善のための昇圧回路に相当しますが、実際には電力の流れに沿って素子が少なくなり、低損失になるということです。トーテムポール回路に必要なラインAC整流ダイオードは2個だけですが、これも同期整流用のMOSFETに置き換えれば、さらに低損失になります。 ブリッジ整流器は、AC/DCコンバータの低電圧時の効率を2%近く低下させます。80+ Titanium規格を満たすために電源の端から端までの効率目標が96%である場合、2%を排除する価値は十分にあります。

その仕組み

この回路では、ある極性のラインACに対して、1つのスイッチ(Q1)が導通し、Q2が遮断するように設定されています。Q3がスイッチ、Q4が同期整流器として動作する古典的なPFCブーストコンバーターを形成するQ3とQ4に、その極性の電力が供給され、標準的な主電源から約400VのDCを生成します。もう一方の極性のACラインでは、Q2が導通し、Q1が遮断され、逆極性の正弦半波がブーストコンバーターに送られますが、Q4がスイッチとなり、Q3が同期整流器として構成され、同じ高電圧DCレールが生成されます。同期式スイッチをダイオードとすると、回路の導通損失は、半導体のオン抵抗と、インダクタや接続部のオーム抵抗だけに制限されます。スイッチ技術の進歩により、例えばMOSFETでは比較的高出力までの回路には最適と思われるRDS(on) の値となっています。しかし、シリコン系のMOSFETでは、動的損失が大きくなりすぎて、回路が動作しなくなるという問題があります。主な問題は、昇圧同期整流器として動作しているときに、MOSFETのボディダイオードが回復するために消費される電力です。シュートスルーを避けるために、MOSFETのチャネルが積極的にオフになったりオンになったりする間には必ず「デッドタイム」があり、この間に積分ボディダイオードが「整流」によって導通し、問題の電荷を蓄積します。この効果は、各スイッチングサイクルでインダクタの電流がゼロにならない「連続導通」モードでのみ発生しますが、低導通損失のためにスイッチとインダクタのピーク電流とrms電流を実用的な値に抑えるため、高出力ではこのモードが好まれます。

ワイドバンドギャップのスイッチで実現可能なソリューション

したがって、トーテムポールPFCステージは、最初の提案から、ワイドバンドギャップ半導体の形で半導体技術が追いつくまでは、魅力的なトポロジーとしては脚光を浴びてきませんでした。シリコンカーバイドのMOSFETは、シリコン製のものに比べてボディダイオードの逆回復電荷が非常に少なく、またGaNのHEMTセルには全くないため、このトポロジーの出番が来ました。AC/DCフロントエンドで99%以上の効率が現実的に語られるようになりましたが、実際の実装では、SiC MOSFETとGaNの両方で、小数点以下の効率を引き出し、信頼性を維持するためには非常に特殊なゲート駆動条件が必要となり、多少の困難が伴います。

ゲート駆動の問題は、SiC JFETとシリコンMOSFETをカスコード接続したUnitedSiCのSiC FETを用いて設計することで解決します。現在、ゲートは「通常の」MOSFETまたはIGBTレベルで駆動することができ、時間や温度にほとんど影響されず、デバイスを完全にオンにしたときに安定したスレッショルドレベルで、絶対的な最大±値まで大きな安全マージンを確保することができます。さらに、SiC FETは、同じ電圧クラスのSiC MOSFETやGaNトランジスタと比べて、同じダイ面積でもオン抵抗が大幅に低いため、ウェハあたりのダイサイズが向上し、逆に同じオン抵抗であれば、ダイ面積が小さくて済むため、デバイスの容量が小さくなり、結果的にスイッチング損失が減少します。その結果、全体的な損失が減少し、ゲート駆動が容易になるとともに、GaNデバイスにはない高エネルギーアバランシェ定格による信頼性の低下がないという安心感が得られます。

「トーテム」という言葉は、アルゴンク語で「親族集団」を意味する「ododem」に由来しています。これは、エレガントなトポロジーと理想に近いSiC FETスイッチの幸せな組み合わせを意味しています。