ウルフスピードのシリコンカーバイドがオフラインスイッチングモード電源を可能にする方法
炭化ケイ素 (SiC) 技術は、さまざまな用途において多くのシステムやサブシステムコンポーネントを改善してきました。シリコンと比較した場合、炭化ケイ素はより優れた電力密度、効率性を示し、高速スイッチング、温度によるフラットなRDS(on)、さらには優れたボディダイオード性能を実現しています。本記事では、WolfspeedのSiCコンポーネントが、特にSiやGaNデバイスと比較した場合、効率性、電力密度、そして全体的なシステムコストにおいてオフラインSMPSシステムをどのように向上させるかを探っていきます。
Si、シリコンカーバイド、GaN間のSMPSトレンドと比較
オフラインSMPSは、データセンター、通信基地局、電力採掘システムのようなACDC電力システムを指します。データセンターは生成された電力の約10%を消費しており、もしSiCを実装してエネルギーをわずか1%でも節約できれば、それは3基の原子力発電所（それぞれ1GWで稼働）に相当するエネルギー節約となります。 業界標準の第1世代データセンター電力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（UPS）と電力分配ユニット（PDU）を削除し、DCバスを従来の12Vから48Vに変更し、DCバス（48V）にバッテリーバックアップシステムを追加しました。これらの変更により、システム全体の効率は85%に増加し、27基の原子力発電所に相当するエネルギーを節約する結果となりました。 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以下の通りです：
- 入力電圧範囲: 180-305 VAC
- 出力: 3,000 W
- 出力電圧：48 V
- 効率: 最大97.5%、30%から100%の負荷で96.5%
- ホールドアップ時間：20 ms
- 動作温度範囲: 0˚C から 55˚C
効率は負荷率によって異なりますが、一般的に電力因数補正（PFC）には99%以上の効率が要求され、DC/DCコンバーターシステムには98.5%以上の効率が要求されます。このような高効率と高電力密度の新しい要件を満たすためには、電力設計者はトポロジーや電力コンポーネントを詳細に検討する必要があります。これには、Si、SiC、およびGaN-on-Siなどの技術の比較が含まれます。 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に示されるように、GaN HEMTの側面構造は、より高い電力を収容するためにフットプリントの増加が必要であり、異なる電流の流れ方を示しています。一方、シリコンの構造は垂直になっています。このアナロジーとしては、垂直に電流を押し上げる「ホース」と、水平に電流を流す「雨樋」とを比較するようなものです。 さらに、GaN HEMTは過電圧条件下でアバランチ（急激な電流増加）を発生させることができず、それが壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。また、短絡能力は非常に低く（数百ナノ秒程度）、格子熱膨張係数の不整合により欠陥が発生する恐れがあります。
図1: Si/SiCおよびGaN HEMTデバイスの構造比較
温度に関するRDS(on)の動作を分析すると、SiCが他の技術より優れていることが明らかです。さらに、ほとんどのデータシートでは室温（25˚C）でのRDS(on)が宣伝されていますが、設計者は実際の接合温度が120˚Cから140˚Cまで変動する可能性があることを考慮する必要があります。そして、RDS(on)がI2R損失（導通損失）に関連していることに注意することが重要です。これは、SiCの60mΩの定格が、SiやGaNにおいては40mΩに相当することを意味します。 SiCがSiおよびGaN-on-Siとどのように比較されるかをより具体的に見るために、図2は温度特性、電圧、およびサイズ/パッケージがSiCコンポーネントを組み込むことでどのように改善されるかを示しています。
パラメータ |
SiC |
Si上のGaN |
シリコン |
| RDS(on) と温度 | ~1.4× | ~2.6× | >2× |
| 熱伝導率 | 3× | 1× | 1× |
| 電圧範囲 | 600V - 10,000V | 40V - 600V | 5V - 10,000V |
| 温度評価 | 175°C以上 | 150°C | 150°C |
| ダイサイズ | 1× | 2× - 3× | 2× - 4× |
| コスト | 1× | 1.3× - 2× | 0.5 - 0.75× |
| フィールド稼働時間 | >7兆 | ~2,000万 | 計算不能なほど多い |
| パッケージング | 標準 | カスタム | 全て |
| 統合 | パワーデバイスのみ | ゲートドライバ、保護 | 簡易から高度まで |
図2: Si、SiC、GaN-On-Siの技術能力比較
いくつかの技術間で比較できるパラメータには、Vgs、接合温度 Tj、RDS(on)、容量、およびスイッチング時の回復特性などがあります。SiCはすべてのカテゴリで勝るわけではありませんが、ほとんどの点で優れています。温度に関して言えば、SiCは最も高い Tj,max を持っており、これにより全体的な堅牢性を向上させますが、最も低い熱接合抵抗（Rth）は持っていません。しかし、SiCはほとんどの動作温度において RDS(on) が最も低く、これが損失の低減と効率向上につながり、最大の電力供給を可能にします。GaNにはアバランチ能力がないため、SiCの単一パルスアバランチエネルギーはより優れた堅牢性と保護性を提供します。さらに、高い Vgs,th はノイズ耐性を向上させ、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 と容量を提供できますが、SiCもそれに近い性能を示します。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。全般的に、Siは駆動が容易ですが、スイッチング性能と損失においては競争力がありません。GaNはスイッチング性能に優れていますが堅牢性に欠け、SiCは全体的な堅牢性と効率性で優れたソリューションを提供し、優れた熱特性と最小限の損失を実現します。 図3は、IPW60R055CFD7（Si）、C3M0060065J（SiC）、および IGT60R070D1（GaN）を直接比較したものを示しています。
部品番号 |
VGS(th) 最小(V) |
TJ_max (℃) |
RDS(on) (mΩ 標準) 25°C |
RDS(on) (mΩ 標準) 75°C |
RDS(on) (mΩ 標準) 125°C |
Coss tr (pF) |
Coss er (pF) |
Qrr (nC) |
Rth (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の主要パラメータ比較
PFC トポロジーおよびコンポーネント選択
従来、PFC技術には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、これにより構成が簡単になる一方で、かさばり重くなるという欠点がありました。今日の業界では、整流器と昇圧コンポーネントを含むアクティブ昇圧PFCトポロジーが採用されています。この構成は実装が容易で、適切な性能を適度なコストで提供しますが、最新の効率基準を達成するには課題があります。現在の業界は、損失を低減し、電力密度を向上させるブリッジレス・トーテムポールPFC設計（図4に示されています）の採用に進化しています。この分野において、SiC MOSFETは効率を著しく向上させ、次世代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
設計を検討する際、ブリッジレスPFC（力率改善回路）ソリューションには、Si、SiC、GaNといった幅広いMOSFET技術があります。部品数とコスト、電力密度、ピーク効率、ゲート制御要件を分析した場合、SiC MOSFETを活用した連続導通モード（CCM）トーテムポール型PFC設計が、高効率、高電力密度の用途において明らかに最適な選択肢となります。図5では、さまざまなトポロジーと技術の詳細な比較が示されており、SiCベースのCCMトーテムポール構成の明確な利点が際立っていることを強調しています。
#PFCチョーク |
#パワー半導体 |
電力密度 |
ピーク効率 |
コスト |
制御 |
ゲートドライブ |
|
| Si 従来型CCM PFC | 1 | 3+ | 中 | 98.3% | 低 | 1 | 1 |
| Si アクティブブリッジCCM PFC | 1 | 6 | 中 | 98.9% | 最高 | 2 | 2 |
| Si デュアルブーストブリッジレスPFC | 2 | 6 | 低 | 98.6% | 中 | 1 | 1 |
| Si デュアルブーストブリッジレスPFC SR | 2 | 6 | 低 | 98.9% | 高 | 3 | 1 |
| Si HブリッジPFC | 1 | 6 | 高 | 98.6% | 中 | 2 | 2 |
| Si CrMトーテムポールブリッジレスPFC | 2 | 6 | 中 | 98.9% | 最高 | 4 | 3 |
| SiC CCMトーテムポールセミブリッジレスPFC | 1 | 4 | 最高 | 98.8% | 中 | 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 | 3 | 3 |
| GaN CCMトーテムポールセミブリッジレスPFC | 1 | 4 | 最高 | 98.8% | 高 | 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 | 99.1% | 最高 | 4 | 5 |
図5: ブリッジレスPFCソリューションおよび技術の比較
以前と同じキー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持つものの、温度によるRDS(on)が大幅に高くなり、それが電力供給能力を妨げています。また、極めて低いVthでは駆動が難しく、ノイズの影響を受けやすくなります。効率性については、SiCベースのCCMトーテムポールPFC構成がSiベースのHブリッジトポロジーよりも高い効率を持ち、GaNと同等の効率を実現することができます。しかし最終的には、その信頼性の向上や動作温度、アバランチ耐性によって、トーテムポールPFC設計において、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が最も低いものの、トーテムポール構成においてはGaNよりもSiCの実装が安価であり、高性能を適正な価格で提供することができます。WolfSpeed SiC C3M0060065Jと同等な5つのGaNコンポーネントを3-kWトーテムポールPFC向けにコスト分析したところ、電力スイッチ、バイアス電源、ゲートドライバと絶縁、電流センサ、PFCチョーク、冷却コスト（ヒートシンク）を比較した際、一部のGaNデバイスではSiCと比べてコストが最大84%高くなる場合があることが判明しました。 CRD-02AD065Nは、WolfSpeedの2.2-kWトーテムポールPFCモジュールであり、C3M MOSFETを使用し、80plus Titanium規格（98.8%のピーク効率）を達成すると共に、フルロード条件下で総合高調波歪率を5%未満に抑えています。設計ファイルおよび関連トレーニング資料はWolfSpeedのウェブサイトで利用可能です。
DC/DC変換のためのコンポーネントおよびトポロジーの選択
80plus Titaniumに必要な高効率を達成するもう一つのアプローチは、LLC共振コンバータです（図6に示されています）。この構成では、一般的にゼロ電圧でのターンオン、低電流でのターンオフ（それによってスイッチング損失が低減）、高周波スイッチング、低電圧オーバーシュート（EMIに優しい設計）、および制御の柔軟性を提供します。これにより、LLCは効率と電力密度の観点で比較可能なものとなります。
図6: フルブリッジ/ハーフブリッジLLC共振コンバータ
重要なパラメータの比較では、PFC構成で見られたような類似の結果が示されます。SiCはGaNと似たスイッチング性能を持ちながら、温度全範囲にわたる優れたRDS(on)特性、高い接合温度定格、そしてアバランチ機能を備えており、LLCで使用される電力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コンバータ設計の一例で、最大6.6 kWの出力で400 VDC（クローズループ）、または390～440 VDC（オープンループ）を実現し、ピーク効率は98%以上です。関連する回路図やPCBファイルはWolfspeedのウェブサイトで入手可能であり、設計者がこのトポロジーを開始し、案内するのに役立ちます。 つまり、LLCコンバータにおいて、SiCはSiと同等の電力を提供しますが、スイッチング周波数の向上による統合された小型磁気技術の活用により、形状がより小型で軽量になります（図7の比較をご参照ください）。実験結果によれば、SiとSiC MOSFETを並べて動作させた場合、温度に依存しないRDS(on)特性、高速スイッチング、および低いゲート駆動電力損失により、SiC部品（Wolfspeed製C3M0060065）の方が効率が高いことが示されています。一方で、負荷が重くなると、Si部品は高い伝導損失と遅いスイッチングのため熱暴走に陥ります。
図7: SiとSiCの効率および出力電力に関する実験結果。また、SiCとGaNで類似のテストを実施した際、LLCコンバータの一次側において両者がほぼ同等の効率を示すことが分かっています。
最終まとめ
結論として、オフラインSMPSシステム向けの80plus Titaniumでは非常に高い効率が求められますが、SiCは高い信頼性を可能にする堅牢性という付加的な要素を備え、その要件を満たします。SiCは温度依存性におけるRDS(on) の優位性、より高い接合温度の許容範囲、アバランチ耐性、そして業界標準のフットプリントを持つため、トーテムポールPFCやLLCコンバーター用途に使用されるパワーデバイスとして最適な選択肢です。SiCは多くの用途においてパワー産業を変革している確立された技術であり、WolfspeedがSiC MOSFETを発明したことから、これまでに7兆時間以上のフィールド実績を持つWolfspeed SiC電力デバイスと市場をリードし続ける包括的なポートフォリオのSiCコンポーネント/モジュールが存在しています。
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