次世代パワーデバイス ( SiC / GaN )

パワーデバイスとは、電力システムに用いられる半導体素子で、現在は Si-IGBT や Si-MOSFET が多く用いられています。パワーデバイスのスイッチング動作を高周波化することにより、コイルやトランスなどの受動部品を小さくでき、「システムの小型化」を実現できます。しかし、Si-MOSFET や Si-IGBT では、高周波化すると、スイッチング動作時の損失が大きくなってしまい、「システムの高効率化」が実現できません。このことから、Si-IGBT や Si-MOSFET を用いた電力システムでは、「システムの小型化」と「システムの高効率化」の両立が困難でした。

一方、次世代パワーデバイスの SiC-MOSFET や GaN-MOSFET は、高周波スイッチング動作時の損失が非常に低いため、システムの変換効率を悪化させることなく受動部品の小型化が可能になります。そのため、次世代パワーデバイスとして SiC-MOSFET や GaN-MOSFET が注目されており、 EV やパッケージエアコン（ PAC )、サーバー用電源、産業機器用電源、UPS（無停電電源）、太陽光パワーコンディショナー等、幅広い用途で使われ始めています。図2は Si, SiC, GaN を用いたパワーデバイスの電力容量とスイッチング周波数を比較し、それらを用いた電力システムを有する代表的なアプリケーションを示しています。
パワーデバイスが Si から、SiC や GaN に変遷することで電力容量がより大きく、スイッチング周波数がより高い範囲にも対応できるようになります。
AKM の電流センサーは小型ながら 60Arms に対応、なおかつ高速応答のため、SiC や GaN を用いたアプリケーションの電流検出に適しています。
今後さらなる大電流化、高帯域化を進め、SiC / GaN のアプリケーションの広がりにも対応していきます。以下では、代表的なアプリケーションで主流となる、「トーテムポール PFC 回路」と「位相シフト DCDC 回路」について、その特長と最適な電流検出方式の選び方をご説明しています。

*PFC とは、Power Factor Correction を略したもので、力率改善のことを指します。

高調波電流抑制規定の制定にともない、スイッチング電源などに内蔵されています。従来は、ダイオードブリッジを用いた PFC 回路が主流でしたが、ダイオードブリッジ部の電力損失が大きく「システムの高効率化」が困難でした。この課題を解決するために、ダイオードブリッジの代わりに電力損失の小さいパワーデバイスを用いた「トーテムポール PFC 回路」が注目されています。( 図 3 ) 高周波時でも電力損失の小さい次世代パワーデバイスを用いることで、「システムの高効率化」と「システムの小型化」が両立できます。以下では、トーテムポール PFC 回路の特長を最大限活かすために電流検出部に求められる特性についてご紹介します。

位相シフト DCDC 回路は、DCDC 回路の中でも変換効率の高い回路です(図 4 参照)。位相シフト DCDC 回路は、電力損失の小さい次世代パワーデバイスを用いることで、トーテムポール PFC 回路と同様に高周波化による受動部品（主にトランス）の小型化が原理上可能です。トランスの小型化を進める上で問題となる磁気飽和を避けるための方法として、磁気飽和点の直前まで電流が流れるように制御する”ピーク電流制御”が知られています。この方式は、ピーク電流を遅延なく、精度良く測定することが重要です。この電流検出方式は主に CT が使われますが、今後さらに高周波化によってトランスの小型化を進めるためには 2 つの課題があります。