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SiC化でQrrはどのくらい下がる？


SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計


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SiC化による逆回復損失の低減

図1　SiC MOSFETではボディ・ダイオードの構造上，$Q_{rr}$は1桁から2桁小さく，おおよそ1/100の損失に抑えられる．ハード・スイッチングでも大きな損失を伴わずに高効率を維持できる．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］住谷 善隆
詳細:［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点【セッション1】実験！SiC/GaN FETを高速かつ安全に駆動する回路設計技術

SiC MOSFETは従来のSiスーパージャンクション構造とは異なり，ボディ・ダイオードにおける逆回復特性が大きく改善されています． この逆回復現象はハード・スイッチングにおいて損失の主要因となるため，その抑制は高効率回路設計の鍵です．

スーパージャンクションMOSFETでは，ボディ・ダイオードが導通した後に電流が逆方向に流れる「逆回復電流」が顕著に観測されます． 測定結果では，この逆回復電荷（$Q_{rr}$）は6μCに達する場合もあり，高電圧回路では大きなエネルギ損失です．

一方，SiC MOSFETではボディ・ダイオードの構造上，$Q_{rr}$は1桁から2桁小さく，おおよそ1/100の損失に抑えられます． これによりハード・スイッチングでも大きな損失を伴わずに高効率を維持できます．

臨界電流モードとデッドタイム

スイッチング素子間で貫通電流を防ぐため，デッドタイムを設けるのが一般的です．この期間に電流はボディ・ダイオードを通じて流れ，逆回復現象が発生します．特にクリティカル・コンダクション・モード（臨界電流モード）では，Q2からQ1へ切り替える際に一時的に両方OFFとなり，Q1のボディ・ダイオードにコンダクションが発生します．

この切り替え点でスーパージャンクション素子では大きな逆電流が観測されます．SiCではこの現象が抑えられ，電流波形も滑らかに切り替わるため損失が小さくなります．

高効率化と小型化への貢献

SiCの導入によってコンティニュアス・コンダクション・モード（電流連続モード）でも動作が安定し，制御性に自由度が生まれます．この結果，電源回路は小型化，高効率化が実現できます．

たとえば，実測されたPFC回路においてはAC230V入力で99$\%$以上の効率を達成しています． このように，SiC MOSFETはハード・スイッチングを行う回路において非常に効果的です．

まとめ

SiC MOSFETは逆回復電荷が小さく，ハード・スイッチング回路の損失を大幅に低減できます． これにより電源回路の高効率化と小型化が実現し，次世代パワー・エレクトロニクス設計において不可欠な要素となっています．

逆回復電荷（Qrr）とは何か

逆回復電荷（$Q_{rr}$）とは，パワー半導体デバイスにおいてダイオードが逆バイアスに切り替えられた際に，一時的に逆方向に流れる電荷量を表す指標です． この現象は，過去にボディ・ダイオードを流れていた正方向電流に蓄積されたキャリアが原因で発生します．

スイッチング素子がオフになった直後でも，これらのキャリアが消失するまでデバイスに逆方向の電流が流れます． この逆電流は無視できない損失を引き起こし，特に高周波動作時には発熱や効率低下の原因になります．

Qrrが及ぼす影響

$Q_{rr}$が大きいと，下記のような影響が回路全体に及びます．

  1. スイッチング損失が増加する
  2. 素子の温度上昇が大きくなり，冷却設計が難しくなる
  3. 回路全体の効率が低下する
  4. 電磁ノイズ（EMI）の発生要因となる

これらの影響により，高性能なパワー・エレクトロニクス機器では$Q_{rr}$を抑えることが設計の重要なポイントになります．

SiCの優位性

SiC MOSFETはバンドギャップが広く，キャリア寿命が短いため，ダイオード部で蓄積される電荷量が少なく済みます． そのため$Q_{rr}$はSiデバイスと比較して1/10?1/100と非常に小さい値に抑えられます．

また，スイッチング速度も高速であるため，デッドタイム中に発生する貫通電流や逆回復電流も最小限に抑えられます． これによりスイッチング動作の自由度が向上し，従来は制限されていた動作モードにも対応可能です．

Qrrを考慮した設計上のポイント

$Q_{rr}$を抑えた回路設計を行う上では以下のような工夫が求められます．

  1. SiCまたはGaNなどのワイドバンド・ギャップデバイスを採用する
  2. デッドタイムの最適化を行い，不要な逆電流を防止する
  3. クリティカル・コンダクション・モードでの動作時にボディ・ダイオードの通電時間を短縮する
  4. PFC回路やZVS制御と組み合わせて損失をさらに低減する

まとめ

逆回復電荷（$Q_{rr}$）はスイッチング損失の主要因であり，その抑制は回路効率に直結します． SiCデバイスを活用することで，この課題を根本から解決でき，高周波・高効率な電源設計が可能になります．

〈著:ZEPマガジン〉

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著者紹介

  • 2003年　パデュー大学大学院を卒業
  • 2007年　リニアテクノロジー株式会社にFAEとして入社
  • 2017年　アナログ・デバイセズ株式会社 車載ビジネス・デブロップメント・スペシャリスト．主に新製品の企画や開発に携わる

著書

  1. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
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