SiC（シリコンカーバイド）MOSFETで高電圧スイッチドモード電源システムの損失を低減

電気自動車（EV）や太陽光発電（PV）インバータから蓄電池や充電ステーションに至るまで、パワーエレクトロニクスのアプリケーションの数と多様性は拡大を続けています。これらのアプリケーションでは、動作電圧の上昇、電力密度の向上、低損失化、高効率化、信頼性の向上が求められています。SiC（シリコンカーバイド）のようなワイドバンドギャップ（WBG）技術をベースとしたパワーデバイスを使用することで、これらの要件を満たすことができます。

SiCを選ぶ理由

Siと比較して、SiCのようなWBG半導体材料には、スイッチドモード電源システムに最適な設計選択肢となる特長があります。バンドギャップとは、物質の価電子帯から伝導帯に電子を移動させるのに必要なエネルギーのことです。SiCはバンドギャップが広いため、より高い動作電圧を実現できます。その他の重要な特性には、熱伝導率、「オン」抵抗、電子移動度、飽和速度などがあります。

熱伝導率は、半導体接合部から外部環境への熱伝達の速さを測定します。SiCの熱伝導率はSiのほぼ3倍です。このため、SiCデバイスの冷却が容易になり、より高い温度定格が得られるとともに、SiC半導体は同程度の電圧定格を持つSiデバイスよりも薄くすることができます。その結果、所定の電圧と定格電力のデバイスがより小型化できます。

SiCにより、設計者は同じダイサイズで電流を流す面積を増やすことができ、デバイスの抵抗を下げることができます。この結果、SiCデバイスの最も重要な利点である、同じ定格電圧のデバイスにおけるチャネルオン抵抗（R_DS(ON)）の減少がもたらされます。R_DS(ON)の低下は、伝導損失の低下につながり、結果として高効率を実現できます。

SiC半導体は電子移動度が高いため、Siデバイスよりも高い周波数で動作することができます。電源回路をより高いスイッチング周波数で動作させることで、トランス、チョーク、インダクタ、コンデンサなどの受動部品の小型化による大幅なコスト削減が可能になります。この小型化により、これらの部品の体積も小さくなり、全体的な電力密度が向上します。

飽和速度とは、高電界における電子の最大速度のことです。SiC半導体に場合、電子速度がSi半導体の2倍であり、スイッチング時間の高速化とスイッチング損失の低減をもたらします。

SiC MOSFETの最新事例

SiCの核となる利点を基に、Vishayは1200V MaxSiCシリーズSiC MOSFETを発表しました。このシリーズは、独自のMOSFET技術を使用し、トラクションインバータ、太陽光発電のエネルギー変換と貯蔵、車載充電器、充電ステーションなどの産業用アプリケーション向けに、標準パッケージで45、80、および250ミリオーム（mΩ）のR_DS(ON)値を実現しています。このシリーズは、高速スイッチング速度と、3マイクロ秒（µs）の短絡耐量（SCWT）を特長としています。

MaxSiC MOSFETは、最大ドレイン - ソース間電圧（V_DS）1200ボルトの定格を持つNチャンネルデバイスで、-55～150°Cの温度で動作します。各R_DS(ON)値に対して、デバイスは2種類の標準スルーホールパッケージで提供されます。最大消費電力とドレイン電流は型番によって異なり、最大消費電力は227ワット、連続ドレイン電流（I_D）は49アンペア（A）です（表1）。

ここで挙げたMaxSiC MOSFETは、3リードまたは4リードのTO247-ADパッケージで提供されます（図1）。

図1：MaxSiC MOSFETは、3リードおよび4リードのTO-247ADパッケージで提供されます。（画像提供：Vishay）

4リードパッケージでは、ゲートドライブ接続にケルビン接続リードが追加され、ソースリード接続におけるドレイン電流電圧降下の影響を最小限に抑えます。

MaxSiC MOSFETは、400ボルトおよび800ボルトの自動車用バッテリシステム、太陽光発電電源、充電ステーションなど、600ボルトを超えるスイッチングと227ワットまでの電力レベルを必要とするアプリケーションに適しています。

まとめ

Vishay MaxSiC MOSFETは、自動車および電力産業向けの革新的なハイパワーデバイスです。標準的なSiデバイスよりも高電圧仕様と低チャネル抵抗を提供し、低損失と高効率を必要とする設計に最適です。