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2020.02.19 Si 파워 디바이스

에어컨용 PFC 회로 : MOSFET와 다이오드에
의한 효율 향상의 예

특징을 활용한 어플리케이션 사례

이전 편에서는 LED 조명 회로의 효율 향상과 노이즈 저감의 예에 대해 설명했습니다. 이번에는 에어컨을 예로 들어보겠습니다. 최근 연간 에너지 소비율을 나타내는 APF (Annual Performance Factor)가 요구됨에 따라, 에어컨과 같은 가전 제품의 효율 향상은 중요한 과제로 주목받고 있습니다.

에어컨용 전류 연속 모드 PFC 회로 : MOSFET와 다이오드에 의한 효율 향상의 예

하기 회로는, 에어컨의 전류 연속 모드 (CCM) PFC 회로의 예입니다. 이 회로에서 Original 설계에 사용된 FRD (패스트 리커버리 다이오드)를 SiC SBD (쇼트키 배리어 다이오드)인 SCS112AM과 다른 FRD인 RFUS20TF6S로 변경한 경우와, 스위칭 트랜지스터를 Original IGBT에서 Hybrid MOS인 R6035GN으로 변경한 경우, 그리고 트랜지스터와 다이오드를 모두 변경한 경우의 효율을 비교해보겠습니다.

Original 설계의 FRD를 SiC SBD로 변경

하기는, 기존에 사용한 FRD를 SiC SBD로 변경한 경우의 효율과 손실을 비교한 데이터입니다.

위의 표는 모두 실측 데이터입니다. 효율은 0.1%~0.2% 정도 향상되었지만, 손실의 경우 Po=2094W에서는, 약 4.2W의 차이가 있습니다.

이 차이는, Original FRD에 비해, 교체한 SiC SBD의 trr (역회복 시간)이 짧다는 것이 주요한 이유입니다. 전류 연속 모드 PFC에서는, 다이오드의 trr (역회복 시간) 특성이 고속일수록 효율이 우수하다고 「전류 연속 모드 PFC : 다이오드에 의한 효율 향상의 예」 편에서 설명하였습니다. 또한, SiC SBD와 FRD의 역회복 특성의 차이에 대해서는 「SiC-SBD란? - Si-PND와의 역회복 특성 비교」 편에 상세하게 설명되어 있으므로, 참고하여 주십시오.

Original 설계의 IGBT를 Hybrid MOS로 변경

다음으로, 하기는 스위칭 트랜지스터의 차이에 따른 손실 비교 데이터입니다. 이때 다이오드는, SiC SBD입니다.

스위칭 트랜지스터를 IGBT에서 Hybrid MOS의 R6035GN으로 변경함으로써, 출력전력이 1000W일 경우, 손실이 4W 저감된 것을 확인할 수 있습니다.

그 이유로는 2가지가 있습니다. 먼저 Hybrid MOS의 스위칭이 고속이므로 손실이 작다는 점과, ON 저항이 작아 도통 손실도 작다는 점입니다.

상기 파형 데이터는, Hybrid MOS의 Turn-on 변환이 고속이므로, ○ 표시 부분에서 IGBT보다 손실이 적다는 것을 나타냅니다. 참고로, 이 IGBT는 초고속 타입이지만, 비교한 Hybrid MOSFET에는 미치지 못합니다.

우측의 그래프는, 트랜지스터 자체의 Ic (Id)에 대한 ON 저항 특성을 나타낸 것입니다. 20A 이상의 영역에서는 Hybrid MOSFET와 IGBT의 ON 저항이 거의 동일하지만, 20A 이하 영역에서는 IGBT보다 ON 저항이 낮아, 전체적으로 손실이 한층 더 작아지는 것을 기대할 수 있습니다.

녹색 라인의 R6030EN은 표준적인 Super Junction MOSFET (SJ MOSFET)로, 저전류 시의 ON 저항은 낮지만, 고전류 시에는 IGBT보다 높습니다. 이는, 표준적인 SJ MOSFET의 특성입니다. 이러한 특성 차이로, 대전류 대응을 위해 IGBT가 선택되지만, 저전류 영역에서는 손실이 커서 효율이 좋지 않다는 과제가 있습니다.

Hybrid MOS는 SJ MOSFET에서 파생된 제품으로, SJ MOSFET의 고속 스위칭 성능과 저전류 시의 저 ON 저항, 그리고 IGBT에 필적하는 대전류 시의 저 ON 저항 성능을 모두 겸비한 MOSFET입니다. 상세 내용은 「MOSFET와 IGBT의 장점을 겸비한 Hybrid MOS」 편을 참조하여 주십시오.

Hybrid MOSFET+SiC SBD로 변경하여 효율 향상

마지막으로, 다이오드와 스위칭 트랜지스터의 조합에 따른 효율 데이터를 살펴보겠습니다.

「Original」은, 본래의 설계에서 사용된 IGBT와 FRD의 조합입니다. 「SJ MOS+FRD」는 로옴의 표준 SJ MOSFET 3종류와 로옴의 FRD 1종류의 조합입니다. 「Hybrid MOS+FRD」는 모두 로옴의 제품입니다. 표에서 녹색으로 표시한 「Hybrid MOSFET+SiC SBD」도 모두 로옴의 제품입니다.

그래프는 표의 데이터를 나타낸 것으로, 결과적으로 Hybrid MOSFET+SiC SBD의 조합을 통해 가장 높은 효율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

PFC의 경우, 전류 연속 모드 (CCM)임계 모드 (BCM)에 따라, 손실 저감을 위한 접근 방법이 다소 달라집니다. 이러한 차이점을 고려하여 효율 개선을 검토합니다.

키 포인트

・전류 연속 모드 PFC에서는, IGBT+FRD를 Hybrid MOSFET+SiC SBD로 교체함으로써 효율 개선을 도모할 수 있다.

・이 예에서는, SiC SBD의 고속 trr 특성, Hybrid MOSFET의 저 ON 저항+고속 스위칭을 통해 효율을 향상시킨다.

실리콘 파워 디바이스의 특징을 활용한 어플리케이션 사례