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AC/DC

SiC-MOSFETを使った絶縁型擬似共振コンバータの設計事例

設計に使う電源IC:SiC-MOSFET用に最適化

設計にあたって、最初に設計に使う電源ICについて説明します。「はじめに」に記したように、この章では、「疑似共振コンバータ」の設計と、パワートランジスタに「SiC-MOSFET」を使うという新しい2つの課題があります。したがって、設計に使う電源ICは、SiC-MOSFETをスイッチとして使うことができる疑似共振コンバータICになります。

電源用ICを使った設計でSiC-MOSFETを使うには専用の電源用ICが必要

設計に使う電源ICは、ロームの「BD7682FJ-LB」というICです。BD7682FJ-LBは、AC/DCコンバータ用の疑似共振コントローラで、SiC-MOSFETをドライブするために最適化された世界初*のICです。(*2015/3/25時点)

ここで、お気づきかと思いますが、SiC-MOSFETをスイッチに使うには、SiC-MOSFETをスイッチに使うために設計された電源用ICが必要です。これは、SiC-MOSFETのゲートドライブは、Si-MOSFETと同じではないことを意味しています。すぐに「何が違う?」という疑問がわくと思いますので、電源ICの説明に入る前に、SiC-MOSFETとSi-MOSFETのゲートドライブの違いを先に説明します。

主な違いは、SiC-MOSFETはドライブ時のVGSが若干高く、内部ゲート抵抗が高めなので外付けゲート抵抗Rgは小さな値を使用する、という点です。Rgについては外付け抵抗なので回路設計の範疇になります。しかし、ゲートドライブ電圧はICの仕様に依存することがほとんどなので、方法がないわけではないのですが、SiC-MOSFET用に最適化された電源ICを選択するのが良策だと思います。

具体的には、一般的なIGBTやSi-MOSFETのドライブ電圧はVGS=10V~15Vで、電源ICも、例えば「AC/DC PWM方式フライバックコンバータ設計手法」で使ったAC/DCコンバータ用PWMコントローラIC:BM1P061FJのゲートドライブ電圧(OUT端子H電圧)は、10.5V(min)~14.5V(max)で、typは12.5Vという仕様になっています。

それに対して、SiC-MOSFETはVGSが20V以上で徐々に飽和するため、VGS=18V前後でのドライブが推奨されています。今回使うBD7682FJ-LBのゲートドライブ電圧(OUT端子クランプ電圧)は、16.0V(min)~20.0(max)で、typは18.0Vです。

以下のグラフは、BM1P061FJでの設計に使ったN-ch 800V 5AのSi-MOSFET:R8005ANX(左)と、今回使うN-ch 1700V 3.7AのSiC-MOSFET:SCT2H12NZ(右)のオン抵抗 vs VGS特性です。上記ICのゲートドライブ電圧が、それぞれのMOSFETが飽和する手前ぐらいのVGSになっているのがわかると思います。

20170607_graf_01

この比較は、同等の仕様および条件ではないので、上述のVGSの違いをイメージするためのものとしてください。

設計に使う電源IC:SiC-MOSFET駆動用AC/DCコンバータ制御IC:BD7682FJ-LB

先の説明で、BD7682FJ-LBがSiC-MOSFET用として最も重要な点は理解いただけたと思いますので、ここからは概要と特長を説明します。

<特長>

  • 小型8ピンSOP-J8パッケージ
  • 低EMI疑似共振方式
  • 周波数低減機能
  • 低スタンバイ時消費電流:19uA
  • 低無負荷時消費電流(軽負荷時バースト動作)
  • 最大周波数(120kHz)
  • CS端子Leading-Edge Blanking
  • VCCのUVLOおよびOVP保護
  • サイクルごとの過電流保護回路
  • ソフトスタート
  • ZTトリガマスク機能およびOVP保護
  • 入力減電圧保護機能(ブラウンアウト)
  • SiC-MOSFET用ゲートクランプ回路

<重要特性>

  • 動作電源電圧範囲(VCC):15.0V~27.5V
  • 通常動作電流: 0.80mA(typ.)
  • バースト時動作電流: 0.50mA(typ.)
  • 最大発振周波数: 120kHz(typ.)
  • 動作温度範囲: -40℃~105℃

20170607_graf_02

主たる特長は、SiC-MOSFET用であることと疑似共振方式です。疑似共振方式はソフトスイッチング動作によってPWM方式と比較して低ノイズで、高効率でEMIの低減が可能です。

また、690VACという高電圧でも動作可能な保護機能を多数搭載しており、広範な産業機器アプリケーションに対応できます。電源電圧端子の過電圧保護、入力電圧端子ブラウンイン・ブラウンアウト(低電圧入力動作禁止機能)、過電流保護、二次側電圧過電圧保護などを搭載しています。

20170607_graf_03

SiC-MOSFETは高耐圧アプリケーションにおいて、Si-MOSFETと比較して、スイッチング損失および導通損失が少ない、温度による特性変動が小さいといった利点があります。この利点により、電力変換の高効率化、放熱器の小型化、高周波動作によるトランスやコンデンサの小型化など、近年の重要課題である省電力化と小型化に有用です。

右の図は、AC/DCコンバータにおけるSiC-MOSFETとSi-MOSFETの効率比較です。図が示す通り、最大6%の効率改善が期待できます。

20170607_graf_04

また、今回使うBD7682FJ-LBの他に、FB端子過負荷保護、VCC端子過電圧保護の機能により3機種のバリエーションがあります。

  FB端子OLP VCC端子OVP
BD7682FJ-LB AutoRestart Latch
BD7683FJ-LB Latch Latch
BD7684FJ-LB AutoRestart AutoRestart
BD7685FJ-LB Latch AutoRestart

最後に、特性や性能には直接関係ないのですが、これらは産業機器市場に向けた長期供給保証対応製品です。優れた性能と産業機器に必要な保護機能など備えた電源ICですので、こういったサポートも大事なポイントだと思います。

次回は、疑似共振方式について説明を予定しています。

キーポイント

・電源用ICを使った設計でSiC-MOSFETを使うには専用の電源用ICが必要。

・SiC-MOSFETとSi-MOSFETのゲートドライブ電圧VGSは異なる。

・設計にはSiC-MOSFET駆動用AC/DCコンバータ制御ICであるBD7682FJ-LBを使う。


PWM方式フライバックコンバータ設計手法