材料使用SiC(碳化硅)的功率半导体元件正式开始商品化。目前已有多家半导体厂商推出了肖特基势垒二极管,在高性能电源装置中,该元件已成为不可或缺的元件。
使用SiC功率元件可减少导通和开关两方面的损失。而且还能提高开关频率,因此可减小电感器及电容器等周边部件的尺寸,从而提高电源装置整体的功率密度。但采用SiC功率元件也随之带来了问题。在“第56届应用物理学相关联合演讲会”(2009年3月30日~4月2日,筑波大学)举行的研讨会“为实现低碳·脱石油社会做出贡献的SiC功率元件的开发现状”上,汽车厂商及电源厂商的工程师以及大学研究人员等指出了采用SiC功率元件后出现的问题。
采用SiC功率元件后出现的最大问题是电磁干扰(EMI)。安川电机的山田健二表示,在采用功率为600V/30A、开关频率为10kHz的SiC功率元件试制逆变器后,在100MHz附近观测到了远远超过CISPR11规定值的电磁干扰成分。原因在于SiC肖特基势垒二极管中恢复电流的振荡增大。与Si肖特基势垒二极管相比,SiC肖特基势垒二极管具有更高速的工作特性。这一特性虽然可使开关损失等降低,但却会导致振荡增大。
日产汽车的涉谷彰弘也提到了相同的问题。该公司采用SiC肖特基势垒二极管试制出燃料电池车使用的逆变器。该逆变器要实现实用化,还需要在降低成本的同时,抑制高速开关带来的振荡。对此,涉谷提出可通过采用缓冲电路等手段来解决。
在采用SiC功率元件开发逆变器时,对电磁干扰对策感到头疼的不仅仅是上述两家公司。东京都立大学的清水敏久表示:“企业来到我的研究室后几乎都问‘EMI问题如何解决?’”。
由于采用SiC功率元件可提高开关频率,减小电源装置的尺寸。所以有很多企业都想将开关频率提高至数十至200kHz的水平。但是,如果将开关频率提高至200kHz,开关电压的时间变化也会随之达到10,000V/秒。而且,为了减小电源装置的尺寸,多个电路元件的间隔就会变小,从而使寄生电容成分增加。这样一来,再与上述振荡成分结合,就会发射出高水平的电磁干扰。清水敏久说道:“发射到电源装置外部的噪声固然也是问题,对装置内部造成的不良影响更大。可能会导致控制/驱动电路出现误操作。”
因此,清水敏久提出了两项对策。一个是减缓SiC功率元件的开关波形。“不能一味求快。需要减小d2/dt2”。另一个是改进噪声滤波器的电路拓扑。即使采用SiC功率元可使电源装置减小,但在采用抑制EMI的噪声滤波器后,外形尺寸还是会变大。因此,需要开发通过小型噪声滤波器也可高效去除噪声的电路拓扑。
清水敏久指出:“SiC功率元件还存在成本较高等问题。但这些问题解决得较慢。必须在推进SiC功率元件开发的同时,努力优化构成电源装置的控制电路及周边电路。”