トポロジの技術革新による電力密度の最大化

部品レベルの技術革新に加えて、トポロジの技術革新は、高電圧システムにおける電力変換の簡素化に寄与します。AC/DC 整流器は、電力密度を向上させ、設計を簡素化するために、ワイド バインドギャップ技術によって、周知のトポロジをいかに改善できるかを示す格好の例です。これまでエンジニアは、図 7 に示すように、AC 電圧を DC 電圧に整流するために、コンデンサ付きブリッジ ダイオード整流器を使用していました。

このような整流器の力率は、出力コンデンサと負荷の合計インピーダンスに応じて、一般的に 0.5 より低くなります。この設計では未使用電力 (無効電力) が多すぎるため、エネルギー効率は良くありません。

低力率の問題を解決するために、エンジニアがアクティブ力率補正 (PFC) 回路というアイデアを考え出しました。図 8 は昇圧 PFC 回路を示します。この回路では一般的にユニバーサル AC 電圧 (90V_AC～264V_AC) を受け取り、出力で調整された 400V 電圧に昇圧します。入力電圧センシングにより、コントローラは AC 正弦波形状を追従してインダクタ電流を調整し、ほぼ 1 の力率を達成します。

このタイプの昇圧 PFC 整流器は、スーパージャンクション シリコン MOSFET と SiC ダイオードによって、非常に高い効率 (98% 超) を実現することができます。

昇圧 PFC 整流器のフルブリッジ ダイオード整流器は、キロワット レベルの高電圧システムで、全体の効率損失の 1% 以上を消費するものです。たとえば、2kW の整流器では、フルブリッジ ダイオード整流器に 20W を超える損失が予測されます。単一のデバイスから 20W の損失を放散させることは非常に困難であるため、フルブリッジ ダイオード整流器の損失を低減するために、図 9 に示すトーテムポール ブリッジレス PFC が良い代替案を示しています。整流機能は昇圧コンバータに組み込まれており、(4 個のダイオードの代わりに) 2 個の MOSFET が追加されているだけなので、整流器 (2 個の低周波 FET を含む) の総損失は、元のブリッジ整流器の例よりもはるかに小さくなります。

連続導通モード (CCM) トーテムポール ブリッジレス PFC は、高電圧整流器に広く使用されているハードスイッチング コンバータです。そのため、トーテムポール ブリッジレス PFC にシリコン MOSFET を使用すると、シリコン MOSFET は Q_rr によって生じる高いスイッチング損失を受けてしまいます。図 10 に示すように、左上の MOSFET ボディダイオード電流が導通した後、Q_rr は 逆方向回復電流を生成し、左のハーフブリッジのデッドタイム中に左下の MOSFET C_oss を充電します。左下の MOSFET がオンになると、Q_rr に起因するエネルギーは左下の MOSFET に放散されます。Q_rr に関連する損失によって、フルブリッジ ダイオード整流器の損失低減が消費されます。

ほとんどの場合、新しいトーテムポール ブリッジレス PFC トポロジでは、ワイド バンドギャップ FET の存在が Q_rr に関連する損失問題を解決するのに効果的です。SiC MOSFET は、同じオン抵抗レベルのスーパージャンクション MOSFET に比べて 約 1/20 の Q_rr を達成することができ、GaN FET はゼロ Q_rr を達成することができます。整流器の例で部品とトポロジの技術革新を組み合わせると (ワイド バンドギャップ FET とトーテムポール ブリッジレス PFC を組み合わせると)、99% を超える効率 (1%超の効率向上) を達成し、電力密度の向上と設計の簡素化を実現することができます。