マルチテクノロジーアプローチによるSMPS効率の最適化

スイッチモード電源（SMPS）の効率と堅牢性は、電気自動車（EV）充電インフラ、ソーラーインバータ、産業用モータ駆動装置などの用途に適しています。しかし、より高い動作電圧と電流、伝導損失と熱損失の低減、さらに小型フォームファクタへの要求が高まっているため、設計者は先進のSiC（シリコンカーバイド）MOSFET技術を取り入れる必要があります。最適な電力変換システムを実現するには、この技術をMOSゲートサイリスタおよび高速回復ブリッジ整流器と慎重に組み合わせる必要があります。

この記事では、EV充電器の事例を用いてSMPS要件の概要を説明します。続いて、IXYS/LittelfuseのSiC MOSFETを紹介し、その機能を検証します。さらに特定の回路機能に最適化された異なるデバイス技術を組み合わせることで、より効率的で小型の電力変換システムが実現されることを示します。

公共高速EV充電インフラを例とした最新SMPSの概要

効率性はSMPSの代表的な特性ですが、最近のハイパワーアプリケーションはこれらの設計を新たな極限にまで押し上げています。最大350kWを供給するレベル3システムのような公共の直流（DC）急速充電器の要件を検討しましょう。効率が1%低下すると、3.5kWの電力が無駄になり、運用コストと熱負荷の両方が大幅に増加します。

高効率の実現には、高性能SiC MOSFETが中心的な役割を果たします。低導通抵抗を維持しながら高周波でスイッチングできるため、受動部品を小型化し、変換損失を低減することができます。残念ながら、これらの要素は、SiC MOSFETを過渡電圧サージの影響を受けやすくしています。そのため、高効率設計には通常、より高度な保護対策が必要となります。

また、SiC MOSFETはレベル3充電器全体にとって最適なソリューションというわけではありません。たとえば、公共充電器では、冷却水ポンプやネットワーク通信などシステム機能を支える補助電源システムが必要です。これらのシステムは、主充電経路が遮断されても稼働し続けなければなりません。この用途では、高信頼性のシリコン（Si）ダイオードベースのデバイスがより適切な選択肢となる場合があります。

DC急速充電ステーションの各セクションの要件を理解し、適切なデバイス技術を慎重に選択することが不可欠です。

大電力DC/DC変換への低抵抗SiC MOSFETの使用

レベル3急速充電器のDC/DC変換段は、最新のSMPS設計が直面する課題を如実に示しています。最大1キロボルト（kV）の出力電圧を持つこの段では、従来、高電圧Si絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）または高電圧SiC MOSFETの使用が必要でした。どちらのアプローチも、効率の低下を招く可能性がありました。IGBTは高いスイッチング損失により、また一部の初期世代のSiC MOSFETは比較的高い伝導損失により、効率が低下していました。たとえば、初期世代の高耐圧SiC MOSFETの中には、オン抵抗（R_DS(ON)）が100mΩのものがありました。

LittelfuseのIXSJxxN120R1 SiC MOSFETファミリは、この課題に対する有力なソリューションを提供します。このファミリは、最大1200ボルトのブロッキング電圧と、18mΩという低いR_DS(ON)を兼ね備えています。この低い抵抗値により、伝導損失が最小限に抑えられ、優れた熱性能を実現します。

このデバイスは、2,500V_AC絶縁（1分間）を備えた絶縁セラミックパッケージに収められています。この設計により、接合部とヒートシンク間の熱抵抗が低減され、ヒートシンクへの浮遊容量が最小化されることで電磁干渉（EMI）を低減します。また、統合の容易さのために、おなじみのTO-247-3Lパッケージが採用されています。

代表的な例がIXSJ43N120R1です（図1）。このデバイスは、+25°Cで45Aの連続ドレイン電流I_Dに対応し、R_DS(ON)は36 mΩ（標準値）です。また、79nCの低ゲート電荷と2453pFの入力容量により、小型磁気部品を使用した設計に適しています。

図 1: IXSJ43N120R1 1,200 V SiC MOSFET は絶縁型TO-247-3Lパッケージに収められており、+25°Cで45Aの連続ドレイン電流I_Dを定格とし、R_DS(ON)は 36 mΩ（標準値）です。（画像提供：Littelfuse）

高電圧遮断能力を維持しながら伝導損失を低減するIXSJxxN120R1ファミリにより、コンバータ構成の簡素化、熱負荷の低減、システム全体の効率最大化を実現します。

アクティブフロントエンド性能におけるスイッチング損失の最小化

DC急速充電器の他の部分では、導通抵抗よりもスイッチング損失の方がより重要になる場合があります。アクティブフロントエンドでは、ACをDCに変換すると同時に、力率補正（PFC）および高調波歪みの要件を満たすように電流波形を整えます。この段では、インダクタとフィルタのサイズを最小限に抑えるために高いスイッチング周波数に依存しているため、スイッチング損失は全体の効率に大きな影響を与えます。

LittelfuseのLSIC1MO120E SiC MOSFETシリーズは、こうした高周波アプリケーション向けに最適化されています。これらのデバイスは、1200ボルトの遮断能力と低い動的損失を兼ね備えており、DC急速充電器やその他の送電系統システムのPFCブーストコンバータに適しています。

たとえば、LSIC1MO120E0080（図2）は、+25°Cで39Aの連続ドレイン電流（I_D）定格を有し、80mΩ（標準値）という優れたR_DS(ON)とサイクル当たり252µJという低スイッチングエネルギーを両立させています。-55°C～+175°Cという広い接合部温度範囲により、周囲条件が大きく変化する屋外設置において、設計マージンがさらに拡大されます。

図 2：LSIC1MO120E0080 SiC MOSFETは高周波アプリケーション向けに最適化されています。（画像提供：Littelfuse）

LSIC1MO120Eシリーズは非絶縁型TO-247-3パッケージで提供されます。スイッチング損失を最適化したLSIC1MO120Eをフロントエンドに、伝導損失を最適化したIXSJxxN120R1をDC/DC段に組み合わせることで、設計者は急速充電パワーチェーン全体の効率を最適化できます。

MOSゲートサイリスタによる高度な回路保護

信頼性の高い動作を保証するため、DC急速充電システムは、送電系統に起因するサージだけでなく、故障時のDCリンクからの急激なエネルギー放電にも耐えなければなりません。これらの危険から敏感なシステムを保護するために、多くの場合クローバ式回路保護がよく使用されますが、電力レベルが上昇するにつれて、これらの保護システムにはより高い電流処理能力とより速い応答時間が必要となります。24-SMPDパッケージのMMIX1H60N150V1（図3）などのMOSゲートサイリスタは、これらの要件に最適です。

図3：MMIX1H60N150V1 MOSゲートサイリスタは24-SMPDパッケージで提供されます。（画像提供：IXYS/Littelfuse）

DC充電器のクローバ回路での使用において、以下の3つの特性が特に優れています。

• 高いサージ耐性：1マイクロ秒（µs）で32キロアンペア（kA）、10µsで11.8kAの定格を有し、後段のSiC MOSFETを損なうことなく、大きなサージを吸収できます。
• 高速トリガ特性：50ナノ秒（ns）の遅延時間と100nsの電流立ち上がり時間により、過電圧イベントがコンバータに伝播する前に素早くクランプします。
• 内蔵逆並列ダイオード：この機能により双方向の故障電流を扱うことができ、DCリンク障害に対する重要な保護となります。

これらの特性を併せ持つMMIX1H60N150V1は、高出力DC急速充電システムを保護するための堅牢な選択肢となります。

ブリッジ整流器によるシステムの可用性と補助電源の確保

公共のDC急速充電器では、1次電源経路以外にも、冷却ポンプ、決済端末、ディスプレイ、通信リンクなどのシステム用の補助電源が必要です。VBE60-06Aブリッジ整流器（図 4）は、このような重要な機能に求められる高可用性を実現するように設計されています。

図 4：VBE60-06A ブリッジ整流器は、取り付けを容易にするためのネジ穴が設けられています。（画像提供：IXYS/Littelfuse）

高性能ファストリカバリダイオード（HiPerFRED）技術に基づき開発されたVBE60-06Aは、低伝導損失とソフト逆回復特性を兼ね備えています。特に以下の3つの特性が、要求の厳しいインフラアプリケーションでの使用を支えています。

• 高電力容量：600ボルトの逆方向ブロッキング電圧と60Aのブリッジ出力電流により、広範囲の温度条件下で連続動作が求められる屋外機器において、十分なディレーティングマージンを提供します。
• 低EMI：わずか35nsの逆回復時間とソフトリカバリ特性を組み合わせることで、スイッチング損失を最小限に抑え、EMIの原因となる高周波放射を低減します。感度の高い通信電子機器や制御電子機器を統合したシステムにおいてEMIの低減は極めて重要です。
• 堅牢な動作：この整流器は、過渡状態でも信頼性の高い性能を発揮するアバランシェ定格を採用しています。業界標準のSOT-227Bミニブロックパッケージは、3000ボルトの絶縁性を実現し、システムの安全性を向上させ、高電圧アセンブリへの統合を簡素化します。

補助サブシステム向けに信頼性が高く電磁気的に安定した整流電源を供給することで、VBE60-06Aは、公共充電ネットワークに不可欠な稼働時間と可用性の目標をサポートします。

SMPSアプリケーション向けの完全なシステムソリューションの設計

EV急速充電器向けに議論されたシステムレベルの設計原則は、他の要求の厳しいSMPSアプリケーションにもそのまま適用可能です。たとえば、ソーラーインバータでは、エネルギーハーベスティングを最大化するには、最大電力点追従（MPPT）とインバータ段における伝導損失とスイッチング損失の両方を最小限に抑えることが重要です。適切なSiC MOSFETを組み合わせて使用することで、両方の目標を達成することができる一方、MOSゲートサイリスタによる堅牢なサージ保護は、システムの寿命と稼働時間を守ります。

産業用モータ駆動装置にも同様の課題があります。高周波スイッチングにより、振動を抑えながらモータを精密に制御できますが、熱応力も増加します。低損失のSiC MOSFETは、これらの要求を制御し、効率を改善して運用コストを削減するのに役立ちます。同時に、電気的に過酷な産業環境では、MOSゲートサイリスタが提供する高速動作および大電流保護が求められ、継続的な産業運用に必要な信頼性を確保します。

さらに、ソーラーインバータと産業用モータ駆動装置の双方は、制御、監視、その他の重要システム向けに補助電源を使用しています。これらの機能には、信頼性が高く電磁気的に安定した電源が必要であり、堅牢な定格、ソフトリカバリ、低EMIを備えた整流器がその役割を果たすことができます。

最後に、ここで紹介したすべてのソリューションは、少なくとも-40°C～+150°Cまでの広い動作温度範囲を持ち、一部のデバイスはさらに過酷な温度にも対応します。広い動作温度範囲は、EV充電器やその他のSMPSシステムが設置される過酷な環境下でも、デバイスの信頼性を維持することができます。

まとめ

信頼性が高く効率的なDC急速充電器を設計するには、さまざまな高性能デバイスが必要です。各機能ブロックは、スイッチング効率から伝導損失、長期信頼性など、部品に独自の要求を課します。Littelfuseは、スイッチング、整流、および保護を網羅する製品ラインアップでこれらの多様なニーズに対応し、技術者が完全なシステムレベルのソリューションを構築できるようにします。このような利点はSMPSアプリケーション全体に及び、設計者が多様な市場における厳しい要件を満たすためのツールを提供します。