シリコンカーバイドパワーの設計上の考慮事項

最近導入された650 V SiC MOSFET製品により、IGBTを簡単に置き換えてSiCの用途がさらに広がり、Si SJアプリケーションのシェアが縮小し、中電圧範囲で窒化ガリウム (GaN) の代替品が提供されるようになりました。

SiデバイスをSiCに置き換える場合、またはSiCを使用して新たに設計する場合、エンジニアは成功を確実にするために、SiCのさまざまな特性、機能、利点を考慮する必要があります。以下は、Wolfspeedの電力専門家によるSiC設計のヒントの一覧です。

R_DS(ON) 温度による変化

SiCの主な利点は、広い温度範囲にわたってR_DS(ON) が1.3 ～ 1.4倍しか変化しないことです。一方、SiまたはGaNデバイスでは、R_DS(ON) は、25ºCの定格から120ºC ～ 140ºCの範囲の実際の接合温度まで2倍から3倍になることがあります (図1)。したがって、データシートを注意深く確認し、正しいI²Rまたは伝導損失を指定することが重要です。

図1: 60 mΩ のSiまたはGaNデバイスは120 mΩ を超える熱くなる可能性があります。
一方、90 mΩ のSiCデバイスは120 mΩ の熱くなります。

膝電圧なし

IGBTは、最大定格電流での熱設計ポイントに合わせて最適化されています。その点の下には、V_CE(sat) 指数「膝」電圧曲線があります (図2)。SiC MOSFETのV_DS 特性は線形であり、定格電流より低いどのポイントでも伝導損失が低くなります。

図2: Tj = 150
Cでのモジュール内の50 A IGBTと50 A SiC°MOSFETの比較。定格電流の3分の1では、SiCの損失はIGBTの半分になります。

これは、駆動サイクルがほとんどの場合定格出力を下回るEVドライブトレインを設計するときに特に留意すると役立ちます。並列で使用すると、IGBT V_CE(sat) 曲線によって問題が悪化します。

したがって、設計者は熱設計ポイントとミッション プロファイルがどこにあるかを慎重に検討する必要があります。

有効スイッチング周波数

有効スイッチング周波数 (ESF) は、ハードスイッチ アプリケーションにおいて、動作電圧でのデバイスの指定最大電力消費を超えることなく、定格I_C100 、50% 方形波デューティ サイクルでデバイスが維持できる最大周波数として定義されます。または：

ESF = P_Dmax(1 — デューティ サイクル)
                  E_T

ここで、
P_Dmax は最大消費電力値、
デューティサイクル は50%、
E_T は800 V、175ºC、データシートに指定されたゲート抵抗（R_g）での総スイッチングエネルギーです。

40 mΩ のWolfspeed SiC MOSFETの理論上のESFは、40 mΩ のSiデバイスのESFと比較して10倍高くなります。これはSiCの能力を垣間見ることができる一方で、冷却、磁気、コストによりスイッチング周波数に実際的な制限が課せられます。

冷却コストは増加しますが、インダクタとコンデンサのパッシブBoMコストはスイッチング周波数とともに減少します。IGBTの場合、最適な周波数は約18 kHzで、冷却とパッシブBoM節約曲線が交差します。伝導損失が低いSiC MOSFETの場合、コストのトレードオフのスイートスポットは約60 kHzです (図3)。

図3: 周波数の最適化では、冷却とBoMコストによるスイッチング周波数の実際的な制限
を考慮に入れます。

特にシステムがグリッドに接続されている場合、インダクタを最小化することには限界があることを設計者は認識する必要があります。SiCデバイス自体はIGBTよりも高価ですが、周波数が最適化された設計により、システム レベルで20% ～ 25% のコスト削減が実現します。

アプリケーションの最適化

MOSFETの性能指数 (FoM) は、以下の式で定義されます。その背後にある考え方は、 R_DS(ON) が低いほど伝導損失が低くなり、ゲート電荷 Q_g、 が低いほどスイッチング損失が低くなるというものです。総損失は、それらの積である FoMが最小化されると最小化されます。

FoM = R_DS(ON) x Q_G

Wolfspeedの最高電力密度電源モジュール2種類の出力電流と出力電力とスイッチング周波数特性を調べると、設計者はアプリケーションに最適な製品を慎重に選択する必要があることがわかります (図4)。450-A CAB450M12XM3 モジュールは非常に低いRに最適化されています_DS(オン)ただし、400 A CAB400M12XM3モジュールはFoM向けに最適化されています。15 kHzを超えると、400 Aはより高い電流とより高い電力を供給します。

図4: この概念的な例では、F_南西 15kHzです。
クロスオーバーポイント以降、CAB400M12XM3は
CAB450M12XM3よりも高いアンペア数。

通常20 kHz未満で動作するモーター ドライブの場合、高アンペア モジュールが効果的ですが、48 kHz ～ 60 kHzの範囲でスイッチングする太陽光発電インバータの場合、400 Aモジュールの方が適しています。

五_DS 耐久性とディレーティング

IGBTの定格は通常1.2kVで、V _DS 破壊電圧は1.25 kV近くになります。WolfspeedのSiC MOSFETは定格が1.2 kVですが、通常はブレークダウン電圧が数百ボルト高くなります。設計者が宇宙放射線の影響を考慮して出力を下げる必要がある航空宇宙用途では、SiCの堅牢性が利点となります。

逆回復

設計者はソフトスイッチングや非対称設計ではそれほど注意を払わないかもしれないが、逆回復（Q _rr) は、降圧、昇圧、トーテムポールPFCなどの対称設計にとって重要です。Wolfspeed 650 V SiC MOSFETは、逆回復時間T_rr が16 nsの場合、Q_rr が11 nCになります。これに対し、一般的な650 V Si MOSFETは、T_rr が725 nsの場合、Q_rr が13 µCになります。

ケルビンソースピン

ケルビン ソース ピン (MOSFETダイのソース接続に可能な限り近いケルビン接続) は、MOSFETの内部ボンド ワイヤによるインダクタンスを軽減するために使用されます。SiCデバイスの高スイッチング周波数の利点を維持するには、ケルビン ソース ピンが重要です。

ケルビンソースピンもスイッチング損失に影響します。たとえば、30 A I_DS では、ケルビンピンがなくソースインダクタンスが12 nHのTO-247-3 SiC MOSFETの総スイッチング損失は430 µJに近くなります (図5)。TO-247-4パッケージの同じ製品（ケルビン ソース ピン付き）では、同じI_DS でのスイッチング損失はわずか150 µJです。TO-263-7や表面実装D2PAK-7などの小型パッケージに移行すると、固有のソース インダクタンスと損失がさらに減少します。

図5: ケルビン ソース ピンは、ゲート ドライバ ループのインダクタンスを回避し、スイッチング エネルギー損失を削減するのに役立ちます。

ゲートドライブの考慮事項

SiC MOSFETを駆動する場合、設計者は、デバイスのオン/オフに正のゲート ドライブを使用するシリコンとは異なり、ハード ターンオフを確実にするために負のゲート ドライブが必要であることを覚えておく必要があります。覚えておくべきその他のSiC固有の要素は次のとおりです。

• •  より高速なdV/dtと定格コモンモード過渡耐性 (CMTI) > 100 kV/µs
• •  最大1.7 kVのピーク連続動作電圧（V_IORM）
• •  駆動能力は一般的に高出力で最大10A
• •  伝播遅延とチャネル不一致時間は通常10 ns未満
• •  スイッチング速度が速く、しきい値が2Vとわずかに低いため、アクティブミラークランプが必要
• •  SiCダイサイズが小さいため短絡保護が高速（<1.8 µs）

これ以外では、SiCデバイスの駆動はSiベースのデバイスの駆動とほとんど同じです。

EMIへの対処

SiCデバイスのターゲットスイッチング周波数は通常高く、立ち上がり時間と立ち下がり時間はSi製品よりもはるかに短いため、エンジニアはこれがより大きなEMI問題を引き起こすと考える傾向があります。

ただし、Siと比較して、低周波ノイズや必要な差動モードEMIフィルタのサイズには影響はありません。入力端子の伝導モードノイズには影響がありますが、それはメガヘルツの範囲のみです。この高周波EMIは、Siベースのデバイスと同様に、EMI抑制用の高周波材料とコンデンサを使用することで減衰させることができます。

幅広い用途

SiCデバイスは現在、200 kW UPS、180 kW EVドライブトレイン、10 kWソーラーインバータから220 W LED SMPSに至るまでのさまざまなアプリケーションで使用されており、それらはすべて、いくつかのSiC設計上の考慮事項と通常の優れた設計原則を念頭に置いて設計されています。