SiCパワーデバイス|応用編

DC-DCコンバータの実機検証

2022.07.26

この記事のポイント

・降圧型DC-DCコンバータ実機検証おいて、
– 軽負荷では、第4世代SiC MOSFETのスイッチング損失が小さいことにより効率が大きく改善。
– 重負荷では、第4世代は第3世代に対し損失が15W以上改善している。
– 特にハイサイドSiC MOSFETのスイッチング損失とリカバリー損失が大幅に低減し、全体損失の改善に貢献している。

前回の回路動作原理と損失解析に続いて、実機検証の結果を示します。

降圧型DC-DCコンバータにおける第4世代SiC MOSFETの使用効果:DC-DCコンバータの実機検証

前回説明した損失解析が実機において反映されるかどうかを確認するために、下記の仕様の降圧型DC-DCコンバータに第4世代SiC MOSFETを組み込んで実機検証を行いました。Table 1はDC-DCコンバータとSiCデバイスの諸元です。スイッチング速度を調整する外付けゲート抵抗Rg_extは、高速スイッチングとリンギングおよびサージのバランスを取り3.3Ωを用いています。Figure 4は、(a) DC-DCコンバータ回路と、(b) ハーフブリッジ部に使われている第4世代SiC MOSFET評価用ボードです(デカップリングキャパシタ内蔵)。インダクタL、出力キャパシタCoおよび入力バルクキャパシタは外付けです。また、比較用として第3世代のSiC MOSFETを用いました。

降圧型DC-DCコンバータにおける第4世代SiC MOSFETの使用効果:実機検証用DC-DCコンバータ回路

降圧型DC-DCコンバータにおける第4世代SiC MOSFETの使用効果:第4世代SiC MOSFET評価用ボード

Figure 5は、50kHzでのターンオン時とターンオフ時のVGS、VDS、IDの波形です(波形右列)。ターンオン時(波形右列緑破線囲み部)は左側に拡大しています。拡大波形から、ターンオン時の立ち上がり時間Triseは約20nsと非常に高速であることが分かります。

降圧型DC-DCコンバータにおける第4世代SiC MOSFETの使用効果:実測スイッチング波形

Figure 6は、このDC-DCコンバータの効率(左側)と損失(右側)の測定結果です。軽負荷(1kW付近)では、第4世代SiC MOSFETの特徴である固定損としてのスイッチング損失が小さいことにより、効率が大きく改善しています。また、重負荷(5kW付近)では、第4世代は第3世代に対し損失が15W以上改善していることがわかります。

降圧型DC-DCコンバータにおける第4世代SiC MOSFETの使用効果:効率、損失の測定結果

Figure 7はDC-DCコンバータとしての損失の内訳を理論解析した結果です。損失が約15W改善されたことが裏付けられています。また、特にハイサイドSiC MOSFET SHのスイッチング損失とリカバリー損失PQrrが大幅に低減し、全体損失の改善に貢献していることがわかります。

降圧型DC-DCコンバータにおける第4世代SiC MOSFETの使用効果:損失分析結果(計算値)(左:2kW、右:5kW)

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