SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計

SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計

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オンボード・チャージャの回路構成と半導体デバイスの変化

車載のオンボード・チャージャは，外部電源から電力を受け取り車載バッテリへ充電する機能をもちます．基本構成としては，AC電源入力から始まり，PFC（力率改善）回路を経てDCに変換し，さらに絶縁型DC-DCコンバータによって電圧変換と電流制御を行い，最終的にバッテリへ充電されます．

これまでこれらの回路にはシリコン（Si）ベースのFETが広く使われていました．近年，PFCやLLC共振コンバータなどの高周波駆動が求められるブロックにおいて，SiCやGaNといったワイドバンド・ギャップ半導体が導入されるようになりました．特にトーテムポールPFC構成では，スイッチング速度と効率の両立が重要であり，SiC MOSFETの性能が活かされます．

SiC・GaNによるドライブ回路の最適化

SiCやGaNデバイスの導入により，ドライブ回路設計にも新たな最適化が求められます．スイッチング速度が飛躍的に向上した反面，ゲート電圧制御やレイアウトのノイズ対策が不可欠です．高速スイッチングにより$dV/dt$が大きくなり，浮遊容量や寄生インダクタンスが動作に強く影響します．

特にGaN FETはゲート耐圧が低く，正確なゲート・ドライブが要求されます．ディスクリート回路で設計する場合，ドライバICの選定，スルーレート制御，ゲート抵抗の値などを慎重に設計する必要があります．また，LLC回路のような共振型トポロジにおいては，$L_r$や$C_r$のパラメータを調整しながらGaNやSiCの高速性を活かす回路最適化が進められています．

小型・高効率化を実現する要素

SiCやGaNの導入によって，以下のような利点が得られます．

1. オン抵抗が低く，スイッチング損失を大幅に低減できる
2. 高周波駆動が可能で，磁性部品の小型化が図れる
3. 高耐圧特性により，PFC回路の高効率化が可能になる

これらの要素によって，車載チャージャの小型・軽量化，冷却系の簡素化が進められています．トーテムポールPFCやLLC回路において，SiCやGaNは既存Si FETに対し，技術的優位性を発揮します．

トーテムポールPFCの動作原理と必要性

トーテムポールPFCは，PFC回路においてトラディショナルなブースト方式とは異なる構成です．整流ブリッジを排し，ハーフブリッジ・インバータと同期整流素子を組み合わせることで，整流と昇圧を同時に行います．トーテムポール構成では，交互に動作するスイッチによって入力AC波形を正確に整形し，高力率と高効率を実現します．

この構成では，スイッチング素子に高速性と低オン抵抗が求められます．従来のシリコンFETでは実現が難しかった領域でも，SiC MOSFETの導入によって安定したPFC動作が可能となっています．

SiC導入による高周波スイッチングの実現

トーテムポールPFCのスイッチング素子には，片側に高周波スイッチ（アクティブ），もう一方に同期整流スイッチ（ロー・サイド）が使用されます．SiCデバイスは高速スイッチングに対応しながら，耐圧性にも優れるため，PFC回路での適用に非常に適しています．

また，ゼロ電圧スイッチング（ZVS）を達成することで，スイッチング損失を最小化できます．これにより，PFC段での熱設計を容易にしつつ，高効率な電力変換が実現できます．GaNデバイスもZVS駆動に適しており，特に低電力用途での応用が進んでいます．

設計上の課題と解決手法

トーテムポールPFCは制御が複雑であり，スイッチング・タイミングの誤差が力率低下や損失増加につながります．また，ACゼロ・クロス付近でのデッドタイム制御はノイズ対策と安定動作の両立が課題です．

1. 高精度なディジタル制御を導入し，タイミング誤差を抑える
2. 絶縁型ドライバを用いて高dv/dt耐性を確保する
3. ゲート・ドライブ回路のループ・インダクタンスを最小化する

これらの設計手法により，トーテムポールPFCの安定性と効率は大きく改善されます．SiCやGaNの特性を活かした最適なスイッチング設計が，今後の車載電源システムの中心になります．

〈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．
5. ［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．
6. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．