スイッチ モード電源 (SMPS) は効率と堅牢性により、電気自動車 (EV) 充電ステーション、ソーラー インバータ、産業用モーター ドライブなどの用途に特に適しています。ただし、より高い動作電圧と電流、より低い伝導損失と熱損失、よりコンパクトな外観が必要なため、設計者は高度な炭化ケイ素 (SiC) MOSFET テクノロジーを採用する必要があります。最良の電力変換システムを作成するには、このテクノロジーを MOS ゲート サイリスタおよび高速回復ブリッジ整流器と慎重に組み合わせる必要があります。
この記事では、電気自動車の充電ステーションを例として SMPS の要件を概説します。次に、IXYS/Litelfuse の SiC MOSFET が紹介され、その性能が検査され、さまざまなデバイス技術 (それぞれが特定の回路機能に最適化された) を組み合わせて、より効率的でコンパクトな電力変換システムを作成する方法が実証されました。
例として公共電気自動車高速充電ステーションを使用した最新の SMPS の概要
効率は SMPS の特徴的な機能ですが、最新の高出力アプリケーションはこれらの設計を新たな極限に押し上げています。最大 350 kW の電力を備えた 3 レベル システムなど、公共の直流 (DC) 急速充電ステーションの要件を考慮してください。 1% の効率損失は 3.5 キロワットの電力の無駄に相当し、運用コストと熱負荷が大幅に増加します。
高性能SiC MOSFETは、高効率を実現するための中核となります。低いオン抵抗を維持しながら高周波スイッチングを実行できるため、より小型の受動部品の使用が可能になり、変換損失が低減されます。残念なことに、これらの要因により、SiC MOSFET は過渡電圧サージの影響を受けやすくなります。したがって、効率的な設計には、より高度な保護スキームが必要になることがよくあります。
さらに、SiC MOSFET は 3 レベル充電ステーションのすべての部分にとって最適なソリューションではありません。たとえば、公共の充電ステーションには、冷却剤ポンプ、ネットワーク通信、その他のシステム機能用の補助電源システムが必要です。たとえ主要な充電経路が遮断されたとしても、これらのシステムは動作し続けなければなりません。この場合、信頼性の高いシリコン (Si) ダイオード デバイスがより良い選択となる可能性があります。
DC急速充電ステーションの各部品の要件を理解し、適切な機器技術を慎重に選択する必要があります。
低抵抗SiC MOSFETを採用し、高出力DC-DC変換を実現
3 レベル急速充電ステーションの DC-DC 変換ステージは、最新の SMPS 設計が直面する課題を示しています。最大 1 キロボルト (kV) の高出力電圧のため、このステージでは従来、高電圧シリコン絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) または高電圧シリコン カーバイド MOSFET の使用が必要でした。どちらの方法でも効率の損失が生じます。IGBT はスイッチング損失が高くなりますが、初期の一部の SiC MOSFET は導通損失が比較的高くなります。たとえば、一部の初期の高電圧 SiC MOSFET のオン抵抗 (RDS (ON)) は約 100 m Ω でした。
リテルヒューズの IXSJxxN120R1 SiC MOSFET シリーズは、この問題に対する説得力のある解決策を提供します。このシリーズの製品の阻止電圧は 1200 ボルトと高く、RDS (ON) は 18 m Ω です。この低抵抗特性により、伝導損失を最小限に抑え、優れた熱性能を実現できます。
これらのデバイスは、2500 VAC (1 分間) の絶縁電圧機能を備えた絶縁セラミックでパッケージされています。この設計は、ヒートシンクの浮遊容量を最小限に抑えることで、ヒートシンクへの熱抵抗を低減し、電磁干渉 (EMI) を最小限に抑えます。同時に、馴染みのある TO-247-3L パッケージを採用しており、統合が容易です。
IXSJ43N120R1 が代表的な例です (図 1)。 +25 °C におけるデバイスの定格連続ドレイン電流 ID は 45 A、RDS (ON) は 36 m Ω (標準値) です。また、ゲート電荷が 79 nC と低く、入力容量が 2453 pF であるため、より小型の磁石を使用した設計に適しています。
リテルヒューズ IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET の画像
図 1: IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET は絶縁型 TO-247-3L パッケージを採用しており、定格連続ドレイン電流 ID は 45 A、RDS (ON) は +25 °C で 36 m Ω (標準値) です (画像出典: リテルヒューズ)
IXSZXxN120R1 シリーズは、高電圧阻止機能を維持しながら導通損失を低減するため、設計者はコンバータ トポロジを簡素化し、熱オーバーヘッドを削減し、システム全体の効率を最大化できます。
アクティブなフロントエンドのパフォーマンスにおけるスイッチ損失を最小限に抑える
DC 急速充電ステーションの他の部分では、オン抵抗よりもスイッチ損失の方が重要な場合があります。アクティブ フロントエンドは、AC 電力を DC 電力に変換し、力率補正 (PFC) と高調波歪みの要件を満たすように電流波形を整形します。この段階では、インダクタとフィルタのサイズを最小化するためにより高いスイッチング周波数に依存しているため、スイッチング損失が全体の効率において重要な役割を果たします。
リテルヒューズの LSIC1MO120E SiC MOSFET シリーズは、これらの高周波アプリケーション向けに最適化されています。これらのデバイスは、1200 ボルトのブロッキング機能と低い動的損失を兼ね備えているため、DC 急速充電ステーションやその他の系統接続システムの PFC ブースト コンバータに非常に適しています。
たとえば、LSIC1MO120E0080 (図 2) の +25 °C での定格連続ドレイン電流 (II) は 39 A、R (DSON) は 80 m Ω (標準値)、サイクルあたりのスイッチング エネルギーは 252 μ J です。拡張されたジャンクション温度範囲は -55 °C ～ +175 °C であり、環境条件が大きい屋外設置に追加の設計マージンを提供します。