将来を見据えたパワースイッチングソリューション。
2024/03/22
自動車、産業、およびインバータといったアプリケーションでは、より高い出力電力レベルでの効率の向上に対する需要が高まっています。電気自動車（EV）にとって、この向上は、より効率的なモータードライブとより高速なバッテリー充電器を通じて、性能と航続距離を延長する上で不可欠です。産業においては、効率の向上は世界のエネルギー消費量を削減し持続可能性を高めるために重要であり、そのために現在、DCマイクログリッド技術の効率面での利点に注目が集まっています。環境に優しい再生可能エネルギーにおいては、高効率が太陽光発電、水力発電、風力発電の普及を促し、限られた天然資源から最大限のエネルギーを引き出します。
この重要な効率目標を達成するため、パワーエレクトロニクスは、コストパフォーマンスのバランスを取り、全体のサイズを縮小することを目指しつつ、より高いスイッチング周波数とより高い電圧へと移行しています（図1）。
図1：スイッチング周波数が高いほどソリューションのサイズは小さくなるが、トランジスタ技術の選択は出力電力とコスト上の制約によって決まる。
しかし、このような移行は次世代の半導体デバイスの統合を必要とし、新型のパワーMOSFETやワイドバンドギャップSiC、GaNが定期的にリリースされています。
これによって、パワースイッチングトランジスタ技術の絶え間ない進歩が顕著な環境において、どのようにして繰り返し再設計することを必要とせずにこれらの新世代を活用し、パワーステージを将来にわたって使用できるようにするのか、という課題が設計エンジニアに突きつけられます。
典型的な電源設計の要件を例として見てみましょう。
高効率で小型のEV用の先進的な三相バッテリー充電器のためのソリューションが必要です。パワーステージは双方向で、ACからDCおよびDCからACの両方向で同等の効率でなければなりません。AC側はアクティブ力率制御（PFC）を備え、DC側はスイッチング損失が低く、最大800VDCの電圧のバッテリーパックと接続できる必要があります。誘導性部品のサイズと重量を削減するには、設計上で高いスイッチング周波数で動作させる必要があります。
図2：双方向EVバッテリー充電器設計の考え得るソリューション。
三相PFC、フルブリッジ双方向LLC、アクティブ整流器を組み込んだ考え得るソリューションを図2に示します。このソリューションには14個のパワートランジスタが必要ですが、最適なコストパフォーマンスを実現するには、MOSFET、SiC、および場合によってはGaNデバイスを組み合わせることができます。
すべてのパワートランジスタには個別のゲートドライバが必要で、ハイサイドトランジスタ（Q1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11、およびQ13）にはガルバニック絶縁も必要です。ゲートドライバに個別のOut+ピンとOut-ピンがある場合、スイッチング特性を最適化するために、オンとオフのサイクルで異なるゲート抵抗を使用することができます。また、絶縁された Vpos と Vneg の電圧は、オンサイクル中にトランジスタを完全に強化し、オフサイクル中にゲート容量を急速に放電するように選択できます。負の「オフ」電圧により、ソースインダクタンス1による誤ったターンオンが排除され、スイッチングの信頼性も高まります。ここに問題があります。スイッチング技術やトランジスタの世代が異なれば、推奨ゲート駆動レベルや絶対最大ゲート駆動レベルも異なります（図3）。
図3：技術や世代によって異なるトランジスタのゲート駆動電圧。
+15/-9Vの非対称電源電圧を備えたIGBT用に最適化されたゲートドライバ設計は、負の絶対最大値までのヘッドルームが1Vしかない第1世代または第2世代のSiCに大きなストレスを与え、第3世代のSiCトランジスタではまったく機能しません。同様の問題は、第1世代SiCから第2世代または第3世代SiCへの移行が必要な設計にも存在します。+20Vの正電圧レールは、新世代の絶対最大値と同じかそれ以上になるため、早期故障につながります。
各新世代のパワートランジスタは、より低いゲート駆動電圧レベルで完全に強化されるか完全に消耗される傾向にありますが、最適なゲート駆動電圧レベルはメーカー、開発の反復、トランジスタの種類によって依然として異なります。 絶縁ゲートドライバの電源電圧（VposおよびVneg）は、絶縁トランスまたは絶縁DC/DCコンバータのいずれかによって供給されるため、ゲートドライバ自体はすべてのトランジスタの種類に使用できても、パワートランジスタの選択ごとに異なるソリューションが必要になります。つまり、ピン互換の第2ソーススイッチングトランジスタを使用しても、絶縁型電源の大幅な設計変更が必要になる可能性があります。
必要なのは、まだリリースされていない新世代を含む、さまざまなトランジスタオプションに合わせてゲートドライバ回路を最適化できるプログラマブル絶縁型非対称電源です。
図4：SOICパッケージ内にプログラマブル非対称安定化出力を備えた絶縁型DC/DCコンバータ。
RECOMのリリースした製品、RxxC2T25Sはまさにそのような製品です。これは、統合型絶縁トランスを備えたSOICパッケージのSMD DC/DCコンバータです（図4）。出力はフィードバック分圧回路の抵抗値を変更することで、+2.5V～+22.5Vと-2.5V～-22.5Vの範囲で個別に設定できます。つまり、1つの電源ソリューションで+15/-9、+20/-5、+18/-4、+15/-3、またはその他の出力電圧の組み合わせを（組み合わせた出力が18～25Vの範囲にある限り）提供できます。
これにより、設計者は、PCB設計を変更することなく、BoM抵抗値を変更することによって、第1および第2のソースパワートランジスタ供給源を簡単に切り替えることができます。これは、例えば+14.5/-3.5Vの最適なゲート駆動電圧を備えた全く新しい世代のパワートランジスタがリリースされた場合、このソリューションが将来にわたって使用できることを意味します。また、出力電圧は独立して調整されます。これは、可能な限り最高のスイッチング効率を得るために、ゲートを絶対最大レベルに非常に近い電圧に駆動する場合に不可欠です。
電力レベルがキロワットレベルに増加するにつれて、ゲートドライバおよびゲートドライバ電源周りの環境はより厳しくなります。先進的なWBGパワートランジスタ技術のスイッチング損失は低いものの、動作周囲温度は高いことが予想されます。高電圧のハードスイッチングにより、非常に高いdv/dtスルーレートが生み出されるため、堅牢なスイッチングの信頼性には、優れたCMTI（コモンモード過渡耐性）、低絶縁容量、および高絶縁が不可欠です。
RxxC2T25Sは、1.5W負荷で-40°C～+100°C、0.6W負荷で最大+125°Cの動作周囲温度、±150kV/µsの優れたCMTI、わずか3.5pFの絶縁容量、および3kVAC/1分間の絶縁（および±1200VDC反復ピーク電圧にも対応）を備えています。出力は短絡、過負荷、過熱に対して完全に保護されています。
低電圧ロックアウト機能により、DC-OKピンは入力電圧と出力電圧の両方が安定してからアクティブになるため、このピンをゲートドライバのイネーブルピンに接続することで、最初のスイッチングサイクルから状態を安定させることができます（図5）。
図5：RxxC2T25Sを使用した完全な絶縁型ゲートドライバソリューション。R1～R4は出力電圧を設定する。
以上のことから、RxxC2T25Sは設計者が待ち望んでいたソリューションであると言えます。絶縁型ゲートドライバアプリケーション向けに特別に設計された堅牢なSMD部品で、期待されるすべての技術的特徴と、出力電圧を自由に選択できるという利点を備え、既存のソリューションだけでなく将来の設計でも最大の効率を引き出すことができます。
1負のゲート駆動電圧（ローサイドスイッチャーも同様）の必要性の詳細な分析については、RECOM Webサイトで入手可能なホワイトペーパー「IGBT、SIC MOSFETを使用した堅牢なトランジスタ回路の設計」を参照してください。
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