AN-1536: APTMC120AM20CT1AG SiC パワー・スイッチを駆動するADuM4135 ゲート・ドライバの性能

はじめに

太陽光発電（PV）やエネルギー貯蔵などのアプリケーションにおいては、これまで求められてきた効率向上の必要性に加え、電力密度が増大する傾向にあります。この問題に対するソリューションが、シリコン・カーバイド（SiC）パワー・デバイスの形となって現れています。SiC デバイスはワイド・バンドギャップ・デバイスで、DC 動作電圧を 1000 V 以上に上げることが可能で、ドレイン・ソース・インピーダンス（R_DSON）も低くすることができます。また SiC デバイスは、絶縁性を上げ、それにより効率を向上させるというニーズにも応えます。さらに、SiC デバイスは寄生容量が小さく、それによるスイッチング時の電荷量も少ないため、100 kHz を上回る高速スイッチング速度を示します。しかし、短所の 1 つとして、ゲート・ドライバには 100 kV/μs を超える高いコモンモード過渡耐圧（CMTI）が必要となります。また、SiC のドレイン・ソース間の高速スイッチングによりデバイスのゲートでリンギングが発生する可能性があるという短所もあります。SiC を実装することで著しく電力密度が改善できる状況において SiC デバイスを高電圧で駆動する場合、このような短所によって問題が発生する可能性があります。この問題を解決できるゲート・ドライバと SiC の組み合わせの 1 つが、ADuM4135 と Microsemi 製APTMC120AM20CT1AG モジュールです。ADuM4135 ゲート・ドライバは、25 V の動作電圧（V_DD・V_SS 間電圧）時に 7 A（代表値）のソースおよびシンク電流駆動能力を持つ 1 チャンネル・デバイスです。CMTI の最小値は 100 kV/μs です。APTMC120AM20CT1AG パワー・モジュールは、ハーフ・ブリッジ SiC デバイスで、1200 V（定格値）のコレクタ・エミッタ電圧、17 mΩ の R_DSON、108 A の直流駆動電流の性能を示します。ゲート・ソース間電圧（V_GS）の定格は、−10 V ～ +25 V です。

試験構成

電気的構成

システムの試験回路構成を図 2 に示します。DC 電圧がフル・ハーフ・ブリッジ全体の入力に印加されます。入力段には 900 μFのデカップリング・コンデンサが付加されています。出力段は、83 μH と 128 μF のインダクタ・コンデンサ（LC）フィルタ段で、ここでフィルタリングを行って 2 Ω ～ 30 Ω の負荷 R1 に出力します。

表 1 に試験構成の電力部品を示します。具体的な構成を図 3 に示します。表 2 には試験で使用した装置構成の詳細を示します。

表 1. 試験構成の電力部品
Equipment	Value
U1	200 V to 900 V
C1	900 μF
L1	83 μH
C2	128 μF
R1	2 Ω to 30 Ω

表 2. 試験で使用した装置構成
Equipment	Manufacturer	Type
Oscilloscope	Keysight	DSO-X 3024T
DC Supply	Delta Elektronika	SM 660-AR-11 (two in serial)
Gate Driver Board	Watt&Well	ADUM4135-WW-MS-01 SN001
Waveform Generator	Agilent	33522A
Current Probe	Hioki	3275
Passive Voltage Probe	Keysight	N2873A 500 MHz
Passive High Voltage Probe	Elditest	GE3421 100 MHz

テスト結果

無負荷試験

表 3. 無負荷試験 − 図の割り振り
Test	V_HV (V)¹	Switching Frequency, f_SW (kHz)	Duty Cycle (%)	I_IN (A)²	Figures
1	600	50	50	0.26	図 4 and 図 5
2	600	100	50	0.22	図 6 and 図 7
3	900	50	50	0.37	図 8 and 図 9

¹ V_HV は HV+ と HV− の間の差動電圧。
²I_IN は U1 を流れる入力電流。

表 4. 無負荷試験 − 温度のまとめ
Test	V_HV (V)	f_SW (kHz)	Ambient Temperature (°C)	Heatsink Temperature (°C)	DC-to-DC Power Supply Temperature, High-Side (°C)	DC-to-DC Power Supply Temperature, Low-Side (°C)	Gate Driver Temperature, High-Side (°C)	Gate Driver Temperature, Low-Side (°C)
4	600	50	20	21.3	25.4	25.4	34	33.5
5	600	100	20	23.5	31.5	31.5	42	42
6	900	50	20	23	29	29	37	37

ADuM4135 の最新バージョンには、変更点がいくつかあります。2.2 nF のコンデンサが、パワー MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）Q1 と Q2 に追加されました。また、15 nFの C0G デカップリング・コンデンサが V_HV に追加されています。表 3 と表 4 に測定結果をまとめます。図 4 ～図 9 は結果をグラフで示したものです。試験 1 と試験 2 は 600 V で行ったもので、スイッチング周波数はそれぞれ 50 kHz と 100 kHz です。これに対し、試験 3 は 900 V、スイッチング周波数 50 kHz で行ったものです。

図 4. VHV = 600 V、fSW = 50 kHz、無負荷、ターン・オン — 図 4. V_HV = 600 V、f_SW = 50 kHz、無負荷、ターン・オン

図 5. VHV = 600 V、fSW = 50 kHz、無負荷、ターン・オフ — 図 5. V_HV = 600 V、f_SW = 50 kHz、無負荷、ターン・オフ

図 6. VHV = 600 V、fSW = 100 kHz、無負荷、ターン・オン — 図 6. V_HV = 600 V、f_SW = 100 kHz、無負荷、ターン・オン

図 7. VHV = 600 V、fSW = 100 kHz、無負荷、ターン・オフ — 図 7. V_HV = 600 V、f_SW = 100 kHz、無負荷、ターン・オフ

図 8. VHV = 900 V、fSW = 50 kHz、無負荷、ターン・オン — 図 8. V_HV = 900 V、f_SW = 50 kHz、無負荷、ターン・オン

図 9. V_HV = 900 V、f_SW = 50 kHz、無負荷、ターン・オフ

負荷試験

表 5. 負荷試験
Test	V_HV (V)	f_SW (kHz)	Duty Cycle (%)	I_OUT¹ (A)	V_OUT² (V)	P_OUT³ (W)	I_IN⁴ (A)	Figures
4	200	50	25	1.7	48	83	0.55	Figure 10 and Figure 11
5	600	50	25	6.9	145	1000	1.66	Figure 12 and Figure 13
6	900	50	25	8.7	215	1870.5	2.47	Figure 14 and Figure 15
7	900	100	25	8.2	200	1640	2.13	Figure 16 and Figure 17

¹ I_OUT は負荷抵抗 R1 を流れる出力電流。
² V_OUT は R1 に印加される出力電圧。
³ P_OUT は出力電力（I_OUT × V_OUT）。
⁴ I_IN は U1 を流れる入力電流。

基板の構成は、無負荷試験のセクションで説明した試験構成と同様です。

表 5 に負荷試験の測定結果をまとめます。図 10 ～図 17 は結果をグラフで示したものです。

図 10. V_HV = 200 V、f_SW = 50 kHz、P_OUT = 83 W、ターン・オン

図 11. VHV = 200 V、fSW = 50 kHz、POUT = 83 W、ターン・オフ — 図 11. V_HV = 200 V、f_SW = 50 kHz、P_OUT = 83 W、ターン・オフ

図 12. V_HV = 600 V、f_SW = 50 kHz、P_OUT = 1000 W、ターン・オン

図 13. VHV = 600 V、fSW = 50 kHz、POUT = 1000 W、ターン・オフ — 図 13. V_HV = 600 V、f_SW = 50 kHz、P_OUT = 1000 W、ターン・オフ

図 14. VHV = 900 V、fSW = 50 kHz、POUT = 1870.5 W、ターン・オン — 図 14. V_HV = 900 V、f_SW = 50 kHz、P_OUT = 1870.5 W、ターン・オン

図 15. VHV = 900 V、fSW = 50 kHz、POUT = 1870.5 W、ターン・オフ — 図 15. V_HV = 900 V、f_SW = 50 kHz、P_OUT = 1870.5 W、ターン・オフ

図 16. VHV = 900 V、fSW = 100 kHz、POUT = 1640 W、ターン・オン — 図 16. V_HV = 900 V、f_SW = 100 kHz、P_OUT = 1640 W、ターン・オン

図 17. VHV = 900 V、fSW = 100 kHz、POUT = 1640 W、ターン・オフ — 図 17. V_HV = 900 V、f_SW = 100 kHz、P_OUT = 1640 W、ターン・オフ

出力電圧（V_OUT）は R1 の両端の電圧を測定したものです。この試験結果は、V_GS に若干のミラー効果が表れることを示していますが、V_GSは SiC のゲートにおいて -5 V のレベルを維持しています。900 V のときは、V_DS にある程度のリンギングが見られますが、入力 DC 電圧の 100 V を下回っています。この設計によって、ADuM4135 が SiC MOSFET を駆動するのに問題のない性能を持っていることがわかります。

高電流試験

表 6.高電流試験
Test	V_HV (V)	f_SW (kHz)	Duty Cycle (%)¹	I_OUT² (A)	V_OUT³ (V)	P_IN⁴ (W)	I_IN⁵ (A)	Figures
4	300	50	25	21.8	70.14	1526	5	Figure 18 and Figure 19
5	400	50	25	27.1	93.8	2640	6.6	Figure 20 and Figure 21
6	600	50	25	40.5	141	6000	10	Figure 22 and Figure 23