新しいC3M 650V MOSFETでBOMコストを削減

米国だけでなく世界中で消費量が増える原因の一部は、電気自動車 (EV) を含む輸送手段の電化と、世界中のコンピューティング リソースの増加 (数十億台のパーソナル コンピューティングと、増加するサーバー ファームに依存するモノのインターネット (IoT) の接続デバイス) です。

すべてのアプリケーション市場、特にEVとコンピューティングは、消費電力のコストと占有スペースを削減することで、同等以上の機能をより低コストで提供し、競争力を保ちながら持続的に市場の需要に応えることで恩恵を受けます。

EV市場で成功するには、企業は航続距離を延ばし、部品表 (BOM) コストを削減して、定着した内燃機関 (ICE) と効果的に競争する必要があります。航続距離を延ばすには、メーカーはより大容量のバッテリー システムを必要としますが、これはバッテリー サイズを大きくするか、電力効率を高めることで実現できます。残念ながら、バッテリーのサイズが大きくなると車両の重量も増加し、電力消費も増加します。逆に、同じサイズのバッテリーからより多くの電力を供給して電力効率を向上させると、重量が軽くなり、電力がより節約され、最も重要なことに、消費者の「航続距離不安」が軽減されます。

一方、IT分野では、データ センターの電力、冷却、不動産のコストが、初期のハードウェア コストを簡単かつ急速に上回ります。80+ Titaniumなどの新しいエネルギー効率基準は、システム効率を高めることでこれらのコストを削減することを目的としていますが、より複雑なトポロジで使用される追加コンポーネントにより、BOMコストを上昇させずに達成することは困難です。

シリコンカーバイドによるコスト削減と効率向上

こうした懸念に対する解決策は、EVの充電器やサーバーおよび通信機器の電源にすでに広く採用されている半導体技術であるシリコンカーバイド (SiC) にあります。シリコン (Si) に比べて優れた利点があるため、サイズが制限されたアプリケーションでより高い電力密度を必要とする設計に最適です。

シリコンカーバイドは、高電力密度アプリケーションに適した高い電力効率と高い熱伝導性を実現します。SiCベースの設計は、熱をより適切に処理し、より高い周囲温度で動作できるため軽量であり、かさばる熱管理ソリューションを必要としません。また、より高いスイッチング周波数が可能になり、より小型で軽量な磁性部品やその他の受動部品が必要になります。

Wolfspeedの第3世代650V SiC MOSFETのご紹介

Wolfspeedは、最高レベルのシステム効率を実現する第6世代ショットキー ダイオードの導入により、650V SiCにおける技術的リーダーシップを確立しました。ウルフスピードは3の導入でそのリーダーシップを継続しています^rd世代15mΩおよび60mΩ（R _DS(オン) 25歳°C) 650V MOSFETこれにより、シリコンカーバイドの利点をさらに活用して、スイッチング損失を低減し、電力効率と電力密度を高めることができます。

新しいデバイス – C3M0015065D、 C3M0015065K、 C3M0060065D、 C3M0060065J、そして C3M0060065K – －40℃の広い温度範囲で動作可能°Cから175° Cは、スルーホール (TO-247-3、TO-247-4) および表面実装 (TO-263-7) パッケージで提供されます。

損失を低減するために注目すべき重要なパラメータは、オン状態の抵抗が低いことです。ウルフスピードの新しいMOSFETは、全動作温度範囲にわたってディスクリートパッケージで業界で最も低いオン抵抗を提供し、60mΩのMOSFETはR _DS(オン) 175でわずか80mΩ° C.

デバイスの逆回復電荷 (Qrr) は極めて低く、60 mΩ MOSFETは62 nCのQrrを提供し、スイッチング損失を削減し、より高いスイッチング周波数を実現して、システム内のトランス、インダクタ、コンデンサ、およびその他の受動部品のサイズと重量を削減します。

スイッチング周波数が上昇するにつれてスイッチング損失を増加させる別の要素としてのデバイス容量の懸念に対処するために、Wolfspeedは、例えば小信号出力容量C_オス 60 mΩ モデルではわずか80 pF、15 mΩ モデルでは289 pFです。

デバイス モデルは、R_DS(on)、連続ドレイン電流I_D の指定値、および使用可能なパッケージが異なります 表1。

表1: 新しいC3M 650V MOSFETの主な仕様

BOMコストを削減

新しい650V SiCデバイスは、いくつかの方法でコストの削減に役立ちます。Wolfspeedのデバイスは、シリコンベースの650V MOSFETと比較して、伝導損失が最大50%、スイッチング損失が最大75% 低いにもかかわらず、電力密度が3倍高く、より高い効率を実現してコストを節約するだけでなく、磁気部品や冷却装置にかかるBOMコストも削減します。

たとえば、電気自動車 (EV) の6.6 kW双方向オンボード充電器 (OBC) の一般的なAC/DCセクションは、4つの650V IGBT、いくつかのダイオード、および700 µH L1インダクタで構成されており、BOMコストの70% 以上を占めています。4つの650V SiC MOSFETを使用して実装されたこの設計では、わずか230 µHのL1が必要です。これにより、IGBTベースの設計に比べてBOMコストが約18% 削減されます。

磁気部品のコストが大幅に削減されたため、OBCのDC/DCセクションでも同様の節約が見られます。

図1: システム全体のBOMコスト比較では、WolfspeedのSiC MOSFETベースの充電器ソリューションにより15% の節約が実現していることがわかります。

このアプリケーションでは、Wolfspeedのデバイスを使用すると全体的な一般的なBOMコストが約15% 低くなり、ピーク システム効率は97% になります (Siベースのシステムの94% と比較して) (図1)。

リファレンスデザインで市場投入までの時間を短縮

Wolfspeedはリファレンス デザインによって自社のデバイスを幅広くサポートしており、その点では新しいMOSFETも例外ではありません。前述のOBCアプリケーション向けに、同社のグローバル アプリケーション エンジニアリング チームは、380 V ～ 425 VのDCリンクと250 V ～ 450 Vのバッテリー側出力を備えた6.6 kWの双方向設計を作成しました。

AC/DC側では、非常に効率的でコスト効率の高いトーテムポール トポロジが使用されています。これは、複雑さとコンポーネント数を犠牲にすることなくSiベースの実装では実現できなかったものです。一方、DC/DC側では、スイッチング周波数が150 kHz ～ 300 kHzの高範囲に達し、一般的なシリコン実装よりも最大3倍高速になります。

製品およびリファレンス設計ソリューション

リファレンスデザイン

Wolfspeedの650V SiC MOSFET、関連部品、リファレンス デザインを調べて、WolfspeedのSiC MOSFETテクノロジーが、今日の最新デバイスの要求に応える優れた製品の構築にどのように役立つかについて詳しく学んでください。

高効率、高電力密度のオンボード充電アプリケーションをターゲットとした6.6 kW双方向コンバータにおけるWolfspeedの650 V、60 mΩ (C3M™) SiC MOSFETのデモンストレーション  デモボードは、双方向トーテムポールPFC（AC/DC）ステージと、可変DCリンク電圧を備えたCLLCトポロジに基づく絶縁双方向DC/DCステージで構成されています。  高スイッチング周波数動作を利用することで、デモボードはより小型、軽量になり、全体的にコスト効率が向上します。   Wolfspeedの6.6kW高電力密度OBCデモボードは、90VAC-265VACを入力として受け入れ、充電モードと反転モードの両方で96.5%以上の効率で250VDC-450VDCを出力できます。  このデモボードの主な対象アプリケーションには、EV充電とエネルギー貯蔵が含まれます。  ドキュメントには部品表（BOM）、回路図、ボードレイアウト、アプリケーションノートが含まれます。

Wolfspeed C3M™ SiC MOSFETおよびショットキーダイオードの定常状態および高速スイッチング性能を評価および最適化します。  同期/非同期バックまたはブーストコンバータ、ハーフブリッジ、フルブリッジなどの多様な電力変換トポロジーで評価ボードを分析します（注意：フルブリッジトポロジーには2つの評価キットが必要です）  ボードには、C3M™ SiC MOSFETの3リードおよび4リードTO-247パッケージ用のフットプリントが備わっている。  SiCショットキーダイオードのTO-247およびTO-220パッケージの両方に対応  評価ボードを降圧または昇圧コンバータトポロジで動作させるために追加のコンデンサは必要ありません。  各C3M™ SiC MOSFETに対してボード上で利用可能な2つの専用ゲートドライバ  TO-247-4パッケージにテストハードウェアを含む1200 V、75mΩ C3M™ SiC MOSFET（2個）が含まれています。

高電力密度アプリケーションをターゲットとした6.6 kW高周波DC-DCコンバータにおけるWolfspeedの650 V、60 mΩ (C3M™) SiC MOSFETのデモンストレーション  デモボードは、一次側がフルブリッジステージに基づき、二次側が非同期整流ステージに基づくDC-DC LLCトポロジで構成されています。  高周波動作を利用することで、デモボードはより小型、軽量になり、全体的にコスト効率が向上します。   Wolfspeedの6.6kW高周波デモボードは、380VDC～420VDCを入力として受け入れ、96%以上の効率で400VDCを出力できます。  このデモボードの主な対象アプリケーションには、産業用電源とEV充電器が含まれます。  ドキュメントには部品表（BOM）、回路図、ボードレイアウト、アプリケーションノートが含まれます。

Wolfspeedの最新（C3M）に基づく2.2kWブリッジレストーテムポールPFCトポロジの高効率で低コストのソリューション™) 650 V 60 mΩ SiC MOSFET  あらゆる負荷条件下でTHDが4% 未満でありながら、98.5% を超える効率を実現し、チタン規格を快適に達成します。  革新的な抵抗ベースの電流検出ソリューション  あらゆる負荷条件においてゼロクロス時のインダクタ電流の歪みが少ない  低周波スイッチの代わりに汎用ダイオードを使用することで部品表（BOM）を削減  このデモボードの主な対象アプリケーションには、サーバー、通信、産業用電源ユニット（PSU）が含まれます。  ドキュメントには部品表（BOM）、回路図、ボードレイアウト、アプリケーションノートが含まれます。