パワーエレクトロニクス高電圧化への需要に対応

継続的な効率の追求は、自動車産業や再生可能エネルギー産業など、多くの分野における電子アプリケーションの設計に影響を与えています。電気自動車(EV)の効率向上は、バッテリ充電間の航続距離の延長につながり、再生可能エネルギーでは、効率の高い発電によって、太陽や風からより多くの自然エネルギーを使用可能な電気に変換します。

どちらの用途でもスイッチング電子デバイスが多用されており、効率化の推進により高電圧デバイスの需要が高まっています。高電圧と高効率の関係は、オームの法則によって支配され、回路で発生する電力（損失）は電流の2乗に比例して増加することになります。オームの法則は、電圧を2倍にすると回路に流れる電流が半分になり、損失が4分の1になることも示しています。電力会社はこの原理に基づき、送電損失を減らすために非常に高い電圧（英国では 275,000Vまたは 400,000V）で送電網を運用しています。

高い送電電圧を扱うために、電力会社は耐久性に優れた変圧器などの構成部品を使用していますが、自動車や再生可能エネルギーの用途では、どちらも電子デバイスを大量に使用するため対応が多少複雑になります。

半導体での高電圧の課題

スイッチングパワーエレクトロニクス・デバイスをベースにしたコンバータとインバータは、代替エネルギープラントおよびEVの両方において重要な構成部品です。これらのシステムではMOSFETとIGBTの両方が使用されますが、MOSFETはゲート駆動電力が低く、スイッチング速度が速く、低電圧での効率が高いため、MOSFETが主流となって、幅広いパワーエレクトロニクス・アプリケーションに導入されています。

パワーMOSFETには、ブロッキング、スイッチング、導通という3つの主な役割があり（図2）、デバイスは各フェーズの要件を満たす必要があります。

ブロッキングフェーズでは、MOSFETはアプリケーションの最大定格電圧に耐える必要がありますが、導通フェーズとスイッチングフェーズでは、損失とスイッチング周波数が重要です。導通損失とスイッチング損失の両方が全体的な効率に影響する一方で、スイッチング周波数の向上により、電気自動車および産業用アプリケーションの両方で重要な特性である、システムの小型化と軽量化が可能になります。

高電圧化への流れが従来のシリコンMOSFETの限界を押し上げています。しかし、導通損失の低減と高速スイッチングに必要な低R_DS(on)と高ゲート電荷量を得るのは難しく、コストも高くなります。そのため、パワーエレクトロニクス設計者は、より高い効率を達成するためにシリコンカーバイド（SiC）に注目しています。ワイドバンドギャップ技術であるSiCは、シリコンに比べて熱伝導率が高く、熱膨張係数が小さく、最大電流密度が高いなどの利点があり、シリコンに比べて優れた電気伝導性を示します。さらに、SiCの臨界降伏電界が高いということは、デバイスの厚さを薄くしても所定の電圧定格をサポートできることを意味し、大幅なサイズの縮小につながります。

現在、シリコンMOSFETの1500Vに対して、ほぼ10kVまでの電圧しきい値に耐えることができるSiC MOSFETが登場しています。また、SiCデバイスはスイッチング損失が低く、動作周波数が高いため、特に高電流、高温、高熱伝導率を必要とする高電力アプリケーションにおいて、優れた効率を達成できます。

オンセミ、高電圧化のニーズに対応

高耐圧デバイスに対する需要の高まりに応えて、オンセミは、SiCダイオード、SiC MOSFET、SiCモジュールなどの製品群を含む、エンドツーエンドの社内SiC製造能力を構築しました。

この製品ファミリには、高耐圧SiC MOSFETであるNTBG028N170M1が含まれています（図3）。このNチャネルプレーナデバイスは、高電圧での高速スイッチング・アプリケーション向けに最適化されており、V_DSSは1700V、拡張V_GSは‑15/+25Vです。

NTBG028N170M1は、最大71Aの連続ドレイン電流(I_D)と195Aのパルスドレイン電流(I_D)をサポートし、標準値28mWの優れたR_DS(ON)により導通損失を低減しています。わずか222nCの超低ゲート電荷(Q_G(tot))により、高周波動作時の低損失が保証され、デバイスは表面実装可能なD2PAK-7Lパッケージに収容されているため、動作中の寄生効果が低減されます。

オンセミのEliteSiCシリーズには、整流器などのパワーエレクトロニクスシステムのMOSFETを補完するさまざまな1700V定格SiCショットキー・ダイオードも含まれています。これらのダイオードはピーク繰り返し逆電圧（VRRM）が高く、低いピーク順電圧（VFM）や優れた逆方向リーク電流と併せて、設計エンジニアが高温で安定した高電圧動作を実現するのに役立ちます。

EliteSiCが効率的なパワーエレクトロニクス設計をサポート

パワーエレクトロニクス・デバイスに依存するアプリケーションでは、絶えず効率が追求されています。システム電圧が高くなる傾向は、従来型Si-MOSFETでは対応が困難となっており、SiCデバイスがフォームファクタを縮小しながら効率を向上させるという、進むべき道筋を示しています。オンセミの1700V NTBG028N170M1は、主要なパワーエレクトロニクスシステムの高電圧設計を可能にします。

EliteSiC技術の詳細については、こちらをご覧ください。