MPS SiCダイオードで高周波スイッチドモード電源の損失を最小化
著者 Art Pini 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2024-09-19
マルツ掲載日：2024-12-23
連続伝導モード(CCM)を用いた力率補正(PFC)のような高周波スイッチモード回路には、スイッチング損失の低いダイオードが必要です。CCMモードの従来のシリコン(Si)ダイオードでは、これらのスイッチング損失は、ターンオフ時にダイオード接合部に蓄積された電荷によるダイオードの逆回復電流によって発生します。これらの損失を最小化するには、一般に、平均順方向電流の大きいSiダイオードが必要となり、物理的なサイズとコストの増加につながります。
シリコンカーバイド(SiC)ダイオードは、その逆回復電流が本質的に容量性であるため、CCM PFC回路ではより適した選択肢です。SiCデバイスにおける少数キャリア注入の低減は、SiCダイオードのスイッチング損失がゼロに近いことを意味します。
さらに、マージドPINショットキー(MPS)SiCダイオードは、従来のSiCショットキーダイオードと同様に、デバイスの順方向電圧降下を低減します。これにより、伝導損失をさらに最小限に抑えることができます。
この記事では、CCM PFC回路における低損失スイッチングの課題について簡単に説明します。次に、Vishay General Semiconductor–Diodes DivisionのMPSデバイスの例を紹介し、損失を最小限に抑えるための適用方法について説明します。
低損失スイッチング要件
通常、300ワット以上の電力定格を持つAC/DCスイッチモード電源は、無効電力とライン高調波レベルを規定するIEC61000-4-3などの国際規格を満たすためにPFCを使用しています。PFC電源、特に高周波で動作するスイッチング電源に使用されるダイオードは、電源の定格電力と、回路の伝導およびスイッチング動作に関連する損失を処理できなければなりません。Siデバイスには顕著な逆回復損失があります。
Siダイオードが伝導状態から非伝導状態に切り替わるとき、接合部から電荷キャリアが除去される間は伝導状態を維持します。この結果、ダイオードの逆回復時間の間、大きな電流が流れ、これがSiダイオードのターンオフ損失となります。
SiCショットキーダイオードの逆回復は容量性放電に限定され、より高速に発生するため、ターンオフ損失が効果的に排除されます。SiCダイオードは順方向電圧降下が高く、伝導損失の原因となる可能性もありますが、電圧降下は制御できます。
SiCダイオードはまた、より高い温度範囲と高速スイッチングに対応できるという利点もあります。温度範囲が高いほど電力密度が高くなり、パッケージの小型化が可能になります。高速スイッチングは、ショットキー構造とSiCの逆回復時間が短いことにより実現されます。より高いスイッチング周波数で動作させると、インダクタとコンデンサの値が小さくなり、電源の体積効率が向上します。
SiC MPSダイオード
SiC MPSダイオードは、ショットキーダイオードとPINダイオードの両方の便利な機能を兼ね備えています。この構造により、高速スイッチング、低オン状態電圧降下、低オフ状態リーク、良好な高温特性を持つダイオードが実現しています。
純粋なショットキー接合を使用するダイオードは、可能な限り低い順方向電圧を提供しますが、一部のPFCアプリケーションのサージ電流など、高電流時に問題が発生する可能性があります。
MPSダイオードは、ショットキー構造の金属ドリフトゾーンの下にPドープ領域を埋め込むことで、サージ電流性能を向上させています(図1)。これにより、ショットキーダイオードアノードでは金属とのP-オーミックコンタクトが形成され、軽度にドープされたSiCドリフト層またはエピ層とはP-N接合が形成されます。
図1：SiCショットキーダイオード(左)とMPSダイオード(右)の構造の比較。(画像提供：Vishay Semiconductor)
通常の状態では、MPSダイオードのショットキー構造がほぼすべての電流を伝導し、ダイオードはショットキーダイオードのように動作し、それに伴うスイッチング特性を持ちます。
高い過渡サージ電流が発生した場合、MPSダイオードを横切る電圧は内蔵のP-Nダイオードの閾値電圧を超えて上昇し、P-Nダイオードは伝導を開始し、局所抵抗を低下させます。これにより、P-N接合領域を流れる電流が分流し、電力損失が制限され、MPSダイオードの熱ストレスが軽減されます。このように高電流でドリフトゾーンの伝導率が上昇することで、順方向電圧は低い値に保たれます。
SiCデバイスのサージ電流性能は、デバイスのユニポーラ特性と比較的高いドリフト層抵抗によって実現されています。MPS構造もこの性能パラメータを向上させ、Pドープ領域の幾何学的配置、サイズ、ドーピング濃度が最終的な特性に影響を与えます。順方向電圧降下は、リーク電流定格とサージ電流定格の妥協点となります。
逆バイアス下では、Pドープ領域によって、電界強度が最大となる領域全体が下方に押し下げられ、欠陥のある金属バリアから離れ、ほとんど欠陥のないドリフト層に入るため、全体的なリーク電流が減少します。これにより、MPSデバイスは、同じリーク電流とドリフト層の厚さで、より高い降伏電圧で動作することができます。
VishayのMPS構造は薄膜技術を使用しており、レーザーアニールによりダイオード構造の裏面を薄くすることで、従来のソリューションと比較して順方向電圧降下を0.3ボルト低減しています。さらに、ダイオードの順方向電圧降下はほぼ温度に依存しません(図2)。
図2：純粋なショットキー(破線)とMPSダイオード構造(実線)の順方向電圧降下の比較から、MPSダイオードは順方向電流が増加しても、より安定した順方向電圧降下を維持することがわかります。(画像提供：Vishay Semiconductors)
このプロットは、温度をパラメータとした順方向電流の関数として、両タイプのダイオードの順方向電圧を示しています。純粋なショットキーダイオードの順方向電圧降下は、電流が45アンペアを超えると指数関数的に増加します。MPSダイオードは、順方向電流が増加しても、より安定した順方向電圧降下を維持します。MPSダイオードの順方向電流レベルが高いほど、順方向電圧は温度の上昇とともに低下することに注意してください。
MPSダイオードの例
Vishayの先進的なSiC MPSダイオードは、1200Vの逆方向ピーク電圧定格と、5～40Aの順方向電流定格を有しています。たとえば、VS-3C05ET12T-M3(図3)は、TO-220-2ケースにスルーホール実装されたダイオードで、定格順方向電流は5A、フル定格電流時の順方向電圧は1.5Vです。ダイオードの逆方向リーク電流は30mAで、+175°Cの最大動作接合部温度定格を有しています。
図3：VS-3C05ET12T-M3 SiC MPSダイオードはスルーホールパッケージで提供され、定格順方向電流は5A、フル定格電流時の順方向電圧は1.5Vです。(画像提供：Vishay Semiconductor)
このダイオードファミリは、高速、ハードスイッチングアプリケーションに最適で、広い温度範囲で効率的な動作を実現します。
MPS SiCダイオードアプリケーション
MPSダイオードは一般的に、DC/DCコンバータなど、さまざまなスイッチドモード電源回路に適用されています。これらのDC/DCコンバータは、太陽光発電アプリケーションでよく見られるフルブリッジ位相シフト(FBPS)およびインダクタ-インダクタキャパシタ(LLC)トポロジを使用しています。もう1つの一般的な用途は、PFC回路を利用したAC/DC電源です。
力率は皮相電力に対する有効電力の比率であり、入力電力が電気機器においてどれだけ効率的に使用されているかを測定します。力率は1が理想的です。力率が低いということは、皮相電力が有効電力より大きいということであり、特定の負荷を駆動するのに必要な電流が増加します。
力率の低い負荷の高いピーク電流は、送電線に高調波を発生させることもあります。電力供給会社は通常、ユーザーの力率の許容範囲を指定します。AC/DC電源は、PFCを含めて設計することができます(図4)。
図4：昇圧コンバータを備えたAC/DC電源に実装される典型的なアクティブPFCステージの例。(画像提供：Vishay Semiconductor)
図4では、ブリッジ整流器B1がAC入力をDCに変換しています。MOSFET Q1は、PFC IC(図示せず)によって「オン」と「オフ」を切り替える電子スイッチです。MOSFETが「オン」の間、インダクタを流れる電流は直線的に増加します。このとき、SiCダイオードは出力コンデンサ(COUT)の電圧によって逆バイアスされ、SiCダイオードの逆方向リーク電流が小さいため、リーク損失が最小限に抑えられます。MOSFETが「オフ」のとき、インダクタは順方向バイアス出力整流ダイオードを介してCOUTに直線的に減少する電流を供給します。
CCM PFC回路では、スイッチングサイクル全体にわたってインダクタ電流がゼロになることはありません。CCM PFCは、数百ワット以上を供給する電源では一般的です。MOSFETスイッチはPFC ICによってパルス幅変調(PWM)されるため、電源回路の入力インピーダンスは純抵抗(力率1)に見え、ピーク電流と平均電流の比(クレストファクタ)は低く保たれます(図5)。
図5：CCM PFC昇圧回路の瞬時電流と平均電流。(画像提供：Vishay Semiconductor)
インダクタ電流がゼロになり、ダイオードが非バイアス状態で切り替わる不連続動作モードや臨界電流動作モードとは異なり、CCM回路ではインダクタ電流がゼロになることはないため、スイッチの状態が変わるとインダクタ電流がゼロでなくなります。
ダイオードが逆状態に切り替わると、逆回復が損失に大きく寄与します。MPS SiCダイオードを使うことで、これらの損失をなくすことができます。MPS SiCダイオードの使用によるスイッチング損失の減少は、ダイオードとアクティブスイッチの両方について、チップサイズとコストの削減という利点をもたらします。
まとめ
Siと比較して、VishayのMPS SiCショットキーダイオードは、より高い順方向電流定格、低い順方向電圧降下、および逆回復損失の低減を提供し、これらはすべて、高い温度定格の小型パッケージで提供されます。そのため、スイッチドモード電源設計に適しています。
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