効率アップの鍵！寄生容量の影響を最小化するゲート・ドライバ設計


次世代パワー半導体 SiC/GaN MOSFETを高速駆動

MOSFETのゲートは容量性！キレよくスイッチングできるかが鍵

図1　SiCやGaNで作られたMOSFETは，従来のSi MOSFETに比べて高効率かつ高速に動く．そのパフォーマンスを引き出す鍵は，寄生容量の影響を考慮した駆動回路設計である．［著・提供］住谷 善隆．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．．詳細は［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点

SiC/GaN FETを高効率かつ高速に駆動する回路設計

SiC（シリコン・カーバイド）やGaN（ガリウム・ナイトライド）FETは，従来のシリコンFETに比べて高効率かつ高速に動作し，電力変換システムの高効率化を実現します．しかし，これらの特性を十分に引き出すためには，寄生容量の影響を考慮した駆動回路設計が重要です．本記事では，SiC/GaN FETの高速駆動に関わる技術要素と，寄生容量による影響を最小化するための回路設計のポイントを解説します．

SiC/GaN FETの寄生容量

SiC/GaN FETは，高電圧や高速スイッチングにおいて寄生容量（$C_{iss}$, $C_{oss}$, $C_{rss}$）が重要な影響を与えます．寄生容量とは，FETの内部や周囲に存在する不必要な容量で，スイッチング損失や効率低下の原因になります．

  1. 入力容量 （$C_{iss}$）
    2. ゲートとソース間の容量で，スイッチング速度に大きく影響します．$C_{iss}$が大きいと，ゲート駆動回路が過大なエネルギを必要とし，スイッチング速度が低下します．
  2. 出力容量 （$C_{oss}$）
    3. ドレインとソース間の容量で，出力の電圧変動に影響します．
  3. 帰還容量 （$C_{rss}$）
    4. ドレインとゲート間の容量で，FETの高速スイッチングに重要です．$C_{rss}$が大きいと，電圧変動がゲートにフィードバックされ，誤動作の原因になります．

これらの容量は，特に高電圧のドリフト層に依存し，$V_{DS}$（ドレイン-ソース間電圧）の変動に大きな影響を受けます．高効率な駆動を実現するためには，これらの容量を最小化する設計が必要です．

寄生成分の考慮

降圧回路や昇圧回路の設計においても，SiC/GaN FETの寄生成分を考慮する必要があります．FETの$C_{oss}$や$C_{iss}$の影響により，スイッチング時に大きな損失が発生することがあります．特に，寄生容量が原因で生じる電圧スパイクや誤動作を避けるため，駆動回路に対する適切な設計が不可欠です．適切なスナバ回路やドライバ回路を導入することで，スイッチング損失を低減し，安定した動作を実現します．

SiC/GaN FET駆動回路設計のポイント

高速スイッチングのメリットと課題

SiC/GaN FETの特徴の1つは，従来のシリコンFETに比べて高速なスイッチングが可能な点です．これにより，電源回路やインバータの効率が飛躍的に向上します．しかし，その高速性を引き出すためには，寄生容量の影響をしっかりと管理し，正確な駆動回路を設計することが求められます．

FET駆動回路の設計における寄生成分の影響

FET駆動回路において，寄生容量は回路全体の効率に影響を及ぼします．特に$C_{iss}$や$C_{oss}$は，スイッチング時のエネルギロスの原因となり，スイッチング速度の低下や誤動作の要因になります．これを避けるためには，駆動電圧を適切に制御し，寄生容量の充放電を効果的に管理する設計が必要です．例えば，降圧回路では，FETのON/OFF時に$C_{oss}$の影響を最小化するため，スイッチング速度を調整する工夫が求められます．

確実な駆動回路を設計するためのポイント

  1. リードの短縮
    2. リードが長いと高い$dI/dt$（電流変化率）による誤動作が発生しやすくなります．特にSiC FETのような高速スイッチング・デバイスでは，リードを短く保ち，寄生成分を最小限に抑えることが重要です．
  2. ドライバ回路の最適化
    3. ゲート・ドライバはFETのスイッチング速度に直接影響します．ドライバの出力インピーダンスや駆動電圧を適切に選定し，FETが安全かつ高速に動作するよう設計する必要があります．
  3. スナバ回路の導入
    4. スイッチング時に発生する電圧スパイクや過渡現象を防ぐため，適切なスナバ回路を導入することが推奨されます．これにより，FETの耐久性や効率が向上します．

まとめ

SiC/GaN FETの利点を最大限に引き出すためには，高速スイッチングに対応した駆動回路の設計が不可欠です．寄生容量の管理やスナバ回路の導入など，細部にわたる配慮が高効率なシステムを構築する鍵になります．ZEPマガジン

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著者紹介

  • 2003年　パデュー大学大学院を卒業
  • 2007年　リニアテクノロジー株式会社にFAEとして入社
  • 2017年　アナログ・デバイセズ株式会社 車載ビジネス・デブロップメント・スペシャリスト．主に新製品の企画や開発に携わる

著書

  1. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
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