シリコンカーバイド (SiC) 技術により、さまざまなアプリケーションにわたっていくつかのシステムとサブシステム コンポーネントが改善されました。シリコンカーバイドは、シリコンと比較して、スイッチングの高速化、温度に対するRDS(on) の平坦化、ボディダイオードの性能の向上により、優れた電力密度と効率を実現しています。この記事では、WolfspeedのSiCコンポーネントにより、オフラインSMPSシステムが効率、電力密度、全体的なシステムコストの面で特にSiおよびGaNデバイスと比較して優れている点について説明します。
SMPSのトレンドとSi、シリコンカーバイド、GaNの比較
オフラインSMPSは通常、データ センター、通信基地局、電力マイニング システムなどのACDC電源システムです。データセンターは発電量の約10% を消費しており、SiCを導入することでエネルギーを1% でも節約できれば、原子力発電所3基 (それぞれ1 GWで稼働) に相当することになります。
業界標準の第1世代データ センター電源アーキテクチャと比較すると、第2世代では、AC入力から無停電電源装置と配電ユニットが削除され、DCバスが12 Vから48 Vに変更され、DCバス (48 V) にバッテリ バックアップ システムが追加されました。これらの変更により、システム全体の効率は85% に向上し、原子力発電所27基に相当するエネルギー量を節約できました。
OCP3.0またはHE通信整流器を含む第2世代データ センターの一般的な仕様は次のとおりです。
- 入力電圧範囲: 180～305 VAC
- 出力: 3,000 W
- 出力電圧: 48 V
- 効率: ピーク時97.5%、30% ～ 100% の負荷で96.5%
- ホールドアップ時間: 20ミリ秒
- 動作温度範囲: 0˚C～55˚C
効率は負荷率によって異なりますが、一般的に、力率補正 (PFC) には99% 以上の効率が必要であり、DC/DCコンバータ システムには98.5% 以上の効率が必要です。高効率と高電力密度という新しい要件を満たすには、電源設計者はトポロジと電源コンポーネントを綿密に検討する必要があります。これは、Si、SiC、GaN-on-Siなどのテクノロジを比較することで実現できます。
SiまたはSiC MOSFETとGaN高電子移動度トランジスタ (HEMT) の物理的な違いを比較すると、 図1 に示すように、GaN HEMTの横方向構造では、より高い電力と異なる形式の電流フローに対応するためにフットプリントの拡大が必要ですが、シリコンの構造は垂直です。例えると、これは、電流を上向きに押し上げる垂直の「ホース」と、電流を水平に流す「雨どい」を比較するようなものです。
さらに、GaN HEMTは過電圧状態でもアバランシェ現象を起こさず、壊滅的な故障を引き起こすことはありません。また、短絡能力が非常に低く（数百ナノ秒）、格子熱膨張係数の不一致により欠陥が発生する可能性があります。
図1: Si/SiCとGaN HEMTデバイスの構造比較
RDS(on) が温度に対してどのように動作するかを分析すると、SiCが他の技術よりも優れていることがわかります。また、ほとんどのデータシートでは室温 (25˚C) でのRDS(on) を宣伝していますが、設計者は120˚C ～ 140˚Cの間で変化する可能性のある実際の接合部温度を計画する必要があります。また、RDS(on) はI2R損失（伝導損失）と相関関係にあることに注意することが重要です。つまり、SiCの60mΩ定格は、SiおよびGaNの40mΩに相当するということです。
SiCとSiおよびGaN-on-Siとの比較をより定量的に見るために、 図2 は、SiCコンポーネントを組み込むと温度特性、電圧、サイズ/パッケージがどのように改善されるかを示しています。
パラメータ |
シリコンカーバイド |
GaNオンSi |
シリコン |
|
RDS(on) 対温度 |
~1.4× |
~2.6× |
>2× |
|
熱伝導率 |
3× |
1× |
1× |
|
電圧範囲 |
600V - 10,000V |
40V - 600V |
5V - 10,000V |
|
温度定格 |
175℃以上° |
150℃° |
150℃° |
|
ダイサイズ |
1× |
2× - 3× |
2× - 4× |
|
料金 |
1× |
1.3× - 2× |
0.5 - 0.75× |
|
フィールド時間 |
7兆円以上 |
約2,000万 |
計算するには多すぎる |
|
パッケージ |
標準 |
カスタム |
すべて |
|
統合 |
電源装置のみ |
ゲートドライバ、保護 |
シンプルからハイまで |
図2: Si、SiC、GaN-On-Siの技術力の比較
Vgs、接合部温度Tj、RDS(on)、静電容量、スイッチ中の回復など、他のいくつかのパラメータもテクノロジ間で比較できます。SiCはすべてのカテゴリーで勝っているわけではありませんが、ほとんどのカテゴリーで優れています。温度に関しては、SiCはTj,max が最も高く、全体的な堅牢性が向上しますが、熱接合抵抗 (Rth) は最も低くありません。ただし、SiCのRDS(on) はほとんどの動作温度で最も低いため、損失が少なくなり、効率が高くなり、最大の電力供給が可能になります。GaNにはアバランシェ能力がないため、SiCの単一パルスアバランシェエネルギーにより、より優れた堅牢性と保護が得られます。さらに、Vgs,th が高くなると、ノイズ耐性が向上し、駆動が容易になります。スイッチング性能に関しては、GaNは最も低いQrr と静電容量を提供できますが、SiCはそれに続きます。これはスイッチング損失と効率に関係するため重要です。一般的に、Siは駆動が容易ですが、スイッチング性能と損失の点で競合することはできません。GaNはスイッチング性能に関しては優れていますが、堅牢性に欠けています。一方、SiCは優れた熱特性と最小限の損失を備えた、総合的に堅牢な効率ソリューションを提供します。
図3 は、IPW60R055CFD7（Si）、C3M0060065J（SiC）、IGT60R070D1（GaN）の直接比較を示しています。
部品番号 |
VGS(th) 最小(V) |
TJ_max (℃) |
RDS(オン) (mΩ 標準) 25°C |
RDS(オン) (mΩ 標準) 75°C |
RDS(オン) (mΩ 標準) 125°C |
コストレスト (pF) |
コサー（pF） |
Qrr (nC) |
抵抗率（k/w） |
|
IPW60R055CFD7 |
3.5 |
150 |
46 |
64.4 |
88.8 |
1172 |
114 |
770 |
0.7 |
|
C3M0060065J |
1.8 |
175 |
60 |
63.0 |
70.0 |
132 |
95 |
62 |
1.1 |
|
IGT60R070D1 |
0.9 |
150 |
55 |
80.0 |
108.0 |
102 |
80 |
0* |
1 |
図3: Si、SiC、GaNの主要パラメータの比較
PFCトポロジとコンポーネントの選択
従来、PFCテクノロジにはLCコンポーネントを備えたブリッジ整流器が必要であり、構成はシンプルですが、サイズが大きく重くなります。今日の業界では、整流器とブースト コンポーネントを含むアクティブ ブーストPFCトポロジが利用されています。この構成は実装が一般的であり、適切なコストで十分なパフォーマンスを提供しますが、最新の効率基準を達成するのは困難です。業界では現在、ブリッジレストーテムポールPFC設計（図を参照）の使用へと進化しています。 図4) により損失が低減し、電力密度が向上します。ここで、SiC MOSFETは効率を大幅に向上させ、将来の設計者のニーズを満たすことができます。
図4: トーテムポールブリッジレスCCM PFC
設計で検討すべきブリッジレスPFCソリューションはいくつかあり、その中にはSi、SiC、GaNにまたがるMOSFETテクノロジーも含まれます。部品数/コスト、電力密度、ピーク効率、ゲート制御要件を分析すると、SiC MOSFETを使用した連続導通モード (CCM) トーテムポールPFC設計が、高効率、高電力密度のアプリケーションに最適です。図5 さまざまなトポロジとテクノロジーの詳細な比較を示し、SiCベースのCCMトーテムポール配置の明確な利点を強調します。
|
|
#PFCチョーク |
#パワー半導体 |
電力密度 |
ピーク効率 |
料金 |
コントロール |
ゲートドライブ |
|
Si従来型CCM PFC |
1 |
3+ |
中くらい |
98.3% |
低い |
1 |
1 |
|
SiアクティブブリッジCCM PFC |
1 |
6 |
中くらい |
98.9% |
最高 |
2 |
2 |
|
SiデュアルブーストブリッジレスPFC |
2 |
6 |
より低い |
98.6% |
中くらい |
1 |
1 |
|
Siデュアルブースト ブリッジレスPFC SR |
2 |
6 |
より低い |
98.9% |
高い |
3 |
1 |
|
Si HブリッジPFC |
1 |
6 |
高い |
98.6% |
中くらい |
2 |
2 |
|
Si CrMトーテムポール ブリッジレスPFC |
2 |
6 |
中くらい |
98.9% |
最高 |
4 |
3 |
|
SiC CCMトーテムポール セミBL PFC |
1 |
4 |
最高 |
98.8% |
中くらい |
2 |
2 |
|
SiC CCMトーテムポール ブリッジレスPFC |
1 |
4 |
最高 |
99.1% |
高い |
3 |
3 |
|
GaN CCMトーテムポール セミBL PFC |
1 |
4 |
最高 |
98.8% |
高い |
2 |
3 |
|
GaN CCMトーテムポール ブリッジレスPFC |
1 |
4 |
最高 |
99.2% |
最高 |
3 |
4 |
|
GaN CRMトーテムポール ブリッジレスPFC |
2 |
6 |
中くらい |
99.1% |
最高 |
4 |
5 |
図5: ブリッジレスPFCソリューションとテクノロジーの比較
以前と同じ主要パラメータを比較すると、GaNは依然として最高のスイッチング性能を発揮しますが、Rが大幅に高くなります。 DS(オン) 温度が上昇し、電力供給能力が低下します。また、Vthが非常に低いと、駆動が困難になり、ノイズが発生しやすくなります。効率に関しては、SiCベースのCCMトーテムポールPFC構成は、SiベースのHブリッジ トポロジよりも高い効率を実現でき、GaNと同等の効率を実現できます。しかし、最終的には、信頼性と動作温度の向上、そしてアバランシェ機能により、トーテムポールPFC設計にとってより堅牢で信頼性の高い選択肢となります。
Siソリューションのコストは最も低いですが、トーテムポール構成ではGaNよりもSiCを実装する方が安価であり、優れたパフォーマンスをリーズナブルな価格で実現できます。Wolfspeed SiC C3M0060065Jと3kWトーテムポールPFCの同等のGaNコンポーネント5つを比較してコスト分析を実行したところ、電源スイッチ、バイアス電源、ゲート ドライバと絶縁、電流検出、PFCチョーク、冷却コスト (ヒートシンク) を比較すると、一部のGaNデバイスのコストはSiCよりも84% も高くなる可能性があることがわかりました。
CRD-02AD065Nは、C3M MOSFETを使用し、80plus Titanium規格 (ピーク効率98.8%) を達成しながら、全負荷状態で全高調波歪みを5% 未満に抑えるWolfspeed 2.2 kWトーテムポールPFCモジュールです。設計ファイルと関連するトレーニング資料は、WolfspeedのWebサイトで入手できます。
DC/DC変換のためのコンポーネントとトポロジの選択
80plus Titaniumに必要な高効率を実現できるもう1つのアプローチは、LLC共振コンバーターです ( 図6 を参照)。この構成では、一般に、ゼロ電圧ターンオン、低電流ターンオフ（スイッチング損失が低い）、高周波スイッチング、低電圧オーバーシュート（EMIに優しい）、および制御の柔軟性が実現されます。これにより、LLCは効率と電力密度の点で同等になります。
主要なパラメータの比較では、PFC構成で見られるものと同様の結果が表示されます。SiCはGaNと同様のスイッチング性能を持ち、全温度範囲にわたってRDS(on) が優れており、接合部温度定格が高く、アバランシェ機能も優れているため、LLCで使用されるパワーデバイスとしてより信頼性の高い選択肢となります。
CRD06600DD065Nは、Wolfspeedによる500 kHz LLCコンバータ設計の例であり、最大6.6 kWで400 VDC (閉ループ) または390～440 VDC (開ループ) を出力し、ピーク効率は98% を超えます。関連する回路図/PCBファイルはWolfspeedのWebサイトで入手でき、設計者がこのトポロジを開始してガイドするのに役立ちます。
したがって、LLCコンバータの場合、SiCはSiと同様の電力を供給しますが、より高いスイッチング周波数を可能にすることで磁気部品が統合され小型化されているため、はるかに小型で軽量なフォーム ファクタで供給します (比較については 図7 を参照)。実験結果によると、Si MOSFETとSiC MOSFETを並行して実行した場合、温度に対するRDS(on) の平坦性、高速スイッチング、およびゲート駆動電力損失の低さにより、SiC部品 (Wolfspeed製C3M0060065) の方が効率が高いことがわかりました。負荷が重くなると、伝導損失が高くなり、スイッチングが遅くなるため、Si部品は熱暴走状態に陥ります。
図7: 効率と出力電力の観点から見たSiとSiCの実験結果。SiCとGaNで同様のテストを実行すると、LLCコンバーターの一次側で両方とも同等の効率を示すことがわかります。
最終まとめ
結論として、オフラインSMPSシステム用の80plus Titaniumには非常に高い効率が求められますが、SiCは堅牢性をさらに高めることでこれを実現し、信頼性の高いアプリケーションを実現します。SiCは、温度に対するRDS(on) の明らかな利点、より高い接合部温度定格、アバランシェ機能、業界標準のフットプリントを備え、99% を超える効率を実現できるため、トーテムポールPFCおよびLLCコンバータ アプリケーションで使用される電源デバイスに最適な選択肢となります。SiCは、多くのアプリケーションにわたって電力業界を変革する確立されたテクノロジーになりました。WolfspeedはSiC MOSFETを発明して以来、Wolfspeed SiC電力のフィールド使用時間が7兆時間を超え、市場をリードし続けているSiCコンポーネント/モジュールの完全なポートフォリオを誇っています。
