SiCパワー半導体を使用して高性能スイッチングコンバータの効率を向上

シリコンカーバイド（SiC）パワーデバイスは、定評あるシリコン（Si）コンポーネントに比べ、コストの削減と効率の向上が期待できます。しかし、設計者の中には、SiC半導体はかなり高価で制御が複雑だと認識している人もいるでしょう。

Microchip TechnologyのSiCデバイスを例にとり、SiC技術の基本的な利点を概説することから始めて、その懸念を払拭してみましょう。その後、SiCパワー半導体について説明し、開発プロセスをより管理しやすくするシミュレーションツール、構成可能なデジタルゲートドライバ、リファレンス設計を紹介します。

小型、軽量、効率的、高費用対効果

産業プラント、電気自動車（EV）、再生可能エネルギーなど、多くの高性能電気アプリケーションでは、エネルギー変換効率を継続的に改善し、資源を節約し、コストを下げなければなりません。SiC MOSFETは、実績のあるSi絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）と比較して、最大2000Vのシステム電圧と3kWを超える電力レベルに対していくつかの優れた利点を提供します。

急峻なスイッチングエッジと少ないオーバーシュートを特徴とするSiC半導体は、IGBTと比べてスイッチング周波数30kHzで最大70%低いスイッチング損失を実現します（図1）。これにより、システム効率が向上し、電磁干渉（EMI）が低減されるため、力率補正（PFC）やラインフィルタの必要性が最小限に抑えられます。

図1：IGBT（上）と比べ、SiC MOSFET（下）はスイッチング周波数30kHzでスイッチング損失を70%以上低減します。（画像提供：Microchip Technology）

高スイッチング周波数、高電圧、低電流で動作するため、誘導部品や容量部品が小さくなります。これにより、重量、ワイヤサイズ、BOMコストが削減されます。SiC半導体はSiトランジスタよりも高温での安定性が高く、熱放散に優れているため、ヒートシンクを小型化して体積を最小限に抑えることができます。

SiC MOSFETはアバランシェエネルギーが高いため、アンクランプ誘導スイッチング（UIS）のユースケースに強いです。SiC MOSFETは一般的に非常に信頼性が高く、高い電力密度を達成し、過渡短絡にも耐えます。

高速、低損失のSiCショットキーバリアダイオード

Microchip TechnologyのSiC半導体は、光起電性インバータ、バッテリ充電、エネルギー貯蔵、モータドライブ、無停電電源装置（UPS）、補助電源装置、スイッチモード電源装置（SMPS）などのアプリケーションにおいて、システム効率の向上、フォームファクタの小型化、動作温度の向上を求める設計者に革新的な選択肢を提供します。

MicrochipのSiCショットキーバリアダイオード（SBD）は、サージ電流、順方向電圧、熱抵抗、熱キャパシタンス、低逆電流、低スイッチング損失のバランス値で設計されています。

SBDは、700Vのピーク繰り返し逆電圧（V_RRM）と88Aの順電流（I_F）を扱うことができる、共通カソードとTO-247-3パッケージのMSC050SDA070BCTデュアルSBDのようなディスクリート設計で利用可能です。MSC50DC70HJフルブリッジモジュールは複数のネジ端子で700V、50Aに対応し、MSCDC50X1201AG 3相ブリッジモジュールはスルーホールはんだ付け用に設計されています。

高電圧、大電流の高耐久SiC MOSFET

最新のSiC MOSFETは、約10～25J/cm²という高いUIS能力を備えています。MSC080SMA120B4のような標準的なNチャンネルシングルトランジスタはTO-247-4パッケージに収められ、最大1200Vで37Aのスイッチングを行い、干渉のないゲート制御のために独立したケルビンソース接続を備えています。

SiC MOSFETパワーモジュールは、2桁および3桁kWレンジのスイッチングコンバータアプリケーションに最適です。たとえば、MSCSM120AM02CT6LIAGハーフブリッジモジュールは、ネジ端子と非常に低いリークインダクタンスを特長としています。また、最大1200Vの負荷回路電圧と最大947Aの連続電流を安全にスイッチングできる2つのNチャンネルMOSFETを搭載しています。

MSCSM120TAM31CT3AG 3相ハーフブリッジは、最大1200Vのドレインソース間電圧（V_DSS）、最大89Aのスイッチング電流（I_D）、395Wの最大許容損失（P_D）に対応します。内蔵のSBDフリーホイールダイオードは、ゼロ逆回復、ゼロ順方向回復、温度に依存しないスイッチングを特長とします。

デジタルプログラマブルゲートドライバ

低インダクタンスSiCモジュールの動作に必要なすべてのハードウェアおよびソフトウェア部品は、MicrochipのAccelerated SiC Development Kit（ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01）に含まれています。このキットには、1200VのSiCモジュールを制御するために設計された、すぐに使用できるデジタルデュアルチャンネルSiCゲートドライバプラグインボードが含まれています。ゲートドライバは、MicrochipのIntelligent Configuration Tool（ICT）とプログラミングアダプタを使用して、最適なパフォーマンスが得られるようにプログラムできます。

ドライバボードは、適切なアダプタカードを使用してSiCモジュールに直接プラグインされ、マルチレベルオン/オフ動作用の小型ハーフブリッジユニットを形成します（図2）。ゲートドライバは、高度なスイッチング制御をサポートし、堅牢な短絡保護機能を備え、+/- V_gsのゲート電圧を含め、完全にソフトウェアで設定可能です。

図2：ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01では、アダプタカードでSiCパワーモジュールとゲートドライバボードを接続し、小型ハーフブリッジ電源ユニットを形成します。（画像提供：Microchip Technology）

迅速かつ適切な開発

アプリケーション用にSiC半導体を簡単、迅速、確実に設計するもう1つの方法は、MicrochipのMPLAB SiC Power Simulatorを使用することです。この回路シミュレータは、区分的線形電気回路シミュレーション（PLECS）に基づいており、設計者が試作品を作る前にSiCデバイスを評価するのに役立ちます。これは、DC/AC、AC/DC、DC/DCアプリケーションなどの一般的なパワーコンバータトポロジのラボ試験データを使用して、SiCデバイスの電力損失を計算し、接合部温度を推定します。

オンラインのMPLAB SiC Power Simulatorは、回路トポロジの選択、部品選択のガイド、動作パラメータの定義および、電圧、電流、消費電力、温度の信号曲線のシミュレーションを提供します（図3）。

図3：オンラインのMPLAB SiC Power Simulatorは、左側に回路とシステムのパラメータを、右側にシミュレーションされた信号曲線を示します。Vienna 3相ブリッジ回路の電圧と電流のカーブが示されています。（画像提供：Microchip Technology）

Microchipは、設計ファイルを含む多くのドキュメント化されたSiCベースのリファレンス設計を提供しており、エンジニアが迅速に設計を開始できるよう支援しています。これには、以下のようなe-モビリティや産業用アプリケーション向けの電源、充電器、蓄電システムなどが含まれます。

• EV充電用11kW双方向DC/DCブリッジ
• 30kW Vienna 3相PFC
• 150kVA 3相SiCパワースタックのリファレンス設計

まとめ

MicrochipのSiCパワー半導体は、2桁および3桁kWのスイッチングコンバータアプリケーションで高いシステム性能を発揮し、小型で高密度の設計を可能にします。さらに、設計者は、協調シミュレーションツール、構成可能なデジタルゲートドライバ、豊富なリファレンス設計の恩恵を受け、独自の回路設計を迅速に成功させることができます。