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SiC-MOSFETの特徴とSi-MOSFETおよびIGBT(IGBTs)との違い

公開日：2022年07月28日

トランジスタは電力変換回路において重要な役割を果たし、低損失とコンパクトなアプリケーションサイズを実現するために様々な改良が行われています。 SiCパワーデバイス半導体の利点は、低損失、高速スイッチング、高温動作など、すでに以前から導入されています。これらの利点が非常に有用であることは明らかです。本章では、SiC-MOSFETを他のパワートランジスタと比較してさらに理解を深めます。

SiC-MOSFETの特徴

同様の図はSiC-SBDの章でも耐電圧カバレッジ範囲を紹介するために用いられています。同様に、この図はSiC-MOSFETの耐電圧範囲をSi電源デバイスと比較して示しています。

現在、SiC-MOSFETの有効範囲は600V以上、特に1kV以上で定格されています。利点については、1kV以上の製品と現在の主流Si-IGBT(Si-IGBTs)を比較してみましょう。 IGBT(IGBT)と比較して、SiC-MOSFETはオフ時の損失を低減し、高周波動作を可能にし、アプリケーションの小型化を支援します。同じ電圧耐性を持つSJ-MOSFET(スーパージャンクションMOSFET)と比べてオン抵抗が低く、同じオン抵抗のチップ面積を減少させ、回復損失を大幅に低減できます。

以下の表は、600V~2000Vで定格された電力部品の特性をまとめたものです。

レーダー図では、RonAは単位面積あたりのオン抵抗(伝導時の損失)、BVは部品耐電圧、Errは回復損失、Eoffはオフスイッチからの損失です。 SiCはすでに非常に完璧であり、現在の比較では決して過大評価されていません。

次回の記事では、SiC-MOSFETの特徴をより詳しく紹介し、SJ-MOSFETやIGBT(米国内側の2000年)との比較を組み合わせます。

パワートランジスタの構造と特性の比較

前節の続きとして、さまざまなパワートランジスタの比較を続けます。この記事では構造と特性を比較します。

パワートランジスタの構造と特性の比較

以下の図は、各パワートランジスタの構造、電圧定格、オン抵抗、スイッチング速度を比較しています。

異なるプロセス技術や構造によって異なり、電気的特性も異なります。補足すると、DMOSは平面型MOSFETであり、一般的な構造です。 SiパワーMOSFETは、高い電圧耐性とオン抵抗の低減能力により、スーパー接合構造を持つMOSFET(以下、以下 SJ-MOSFET」 )はますます広く使われています。 SiC-MOSFETについては、ここでDMOS構造を示しますが、ROHMはすでに優れた特性を持つトレンチ型SiC-MOSFETの量産を開始しています。詳細は後ほどご紹介します。

特性の観点から、Si-DMOSはオン抵抗抵抗に課題があります。前述の通り、オン抵抗はSJ-MOSFET構造を採用することで改善されています。 IGBTはオン抵抗や電圧定格の面で優れた性能を発揮しますが、スイッチング速度には課題があります。 SiC-DMOSは電圧抵抗、オン抵抗、スイッチング速度において優れた性能を発揮し、高温条件下でも優れた性能を持つため、非常に有利なスイッチングデバイスとなります。

このチャートは各トランジスタの標準化されたオン抵抗と耐え電圧を示しています。図から、理論的にはSiC-DMOSは高い耐電圧を持ち、低オン抵抗のトランジスタを製造するために用いられることがわかります。現在、SiC-DMOSの特性は楕円形で定義されています。今後の開発により、性能はさらに向上すると期待されています。

次の記事から、SiC-MOSFETとの別途比較を紹介します。

SiC-MOSFETとSi-MOSFETの違い

この記事から始めて、SiC-MOSFETと他のパワートランジスタを一つずつ比較していきます。

この記事では、Si-MOSFETとの違いを紹介します。 SiC-MOSFETを使ったことがない方は、各パラメータを詳細に学ぶよりも、駆動法とSi-MOSFETの違いを理解する方が良いでしょう。ここでは、SiC-MOSFETドライバーとSi-MOSFETを比較する際に注目すべき2つの重要なポイントを紹介します。

Si-MOSFETとの違い:駆動電圧

Si-MOSFETと比較して、SiC-MOSFETはドリフト層抵抗が低くチャネル抵抗が高く、その結果、駆動電圧が高くなります。つまり、ゲート-ソース電圧Vgsが高いほどオン抵抗は低くなります。下図はSiC-MOSFETのオン抵抗とVgsの関係を示しています。

オン抵抗は約20V Vgsから変化(減少)し、徐々に低下して最低値近くまで落ちます。典型的なIGBTおよびSi-MOSFETの駆動電圧はVgs=10~15Vであり、SiC-MOSFETは低オン抵抗を完全に実現するためにVgs=18V前後で駆動することが推奨されます。言い換えれば、両者の違いの一つは、駆動電圧がSi-MOSFETよりも高い点です。 Si-MOSFETに置き換える際には、ゲートドライバ回路の検討も必要です。

Si-MOSFETとの違い:内部ゲート抵抗

SiC-MOSFETデバイス自体(チップ)の内部ゲート抵抗Rgは、ゲート電極材料の薄層抵抗とチップサイズに依存します。設計が同じであれば、チップサイズに反比例します。チップが小さいほどゲート抵抗は高くなります。同じ性能を持つSiC-MOSFETチップはSi部品よりも小型であり、その結果ゲート容量は小さくなりますが、内部ゲート抵抗は増加します。例えば、1200V 80mΩ 製品(S2301はベアチップ製品)の内部ゲート抵抗は約6.3オメガです。

これはSiC-MOSFETに限らず、MOSFETのスイッチング時間は外部ゲートのゲート抵抗と前述の内部ゲート抵抗の合計に依存します。 SiC-MOSFETの内部ゲート抵抗はSi-MOSFETよりも高いため、高速スイッチングを実現するために外部ゲート抵抗はできるだけ小さくし、数オメガにまで抑えられる必要があります。左も右も。

しかし、外部ゲート抵抗はゲートに加わるサージを打ち消す役割も果たすため、サージ保護とのバランスを慎重に保つ必要があります。

IGBTとの違い

前章ではSi-MOSFETとの違いに焦点を当て、SiC-MOSFETドライバ手法に関する2つの重要なポイントを紹介しました。この章ではIGBT(発散・トック・ト・イ・バリエーション)との違いを紹介します。

IGBTとの違い:VD-IDの特徴

VD-ID特性はトランジスタの最も基本的な特性の一つです。以下は25°Cおよび150°CでのVd-Id特性です。

25°C時の特性チャートをご覧ください。 SiCおよびSi MOSFETのIdはVdに対して線形に増加しますが、IGBTは上昇電圧を持つため、MOSFET部品のVdは低電流範囲で低くなります(IGBTの場合はコレクタ電流とコレクタ-エミッタ電圧です)。言うまでもなく、Vd-Id特性は伝導抵抗特性でもあります。オームの法則によれば、Idに対してVdが低いほどオン抵抗は小さくなります。特性曲線の傾きが急であればあるほど、オン抵抗は低くなります。

IGBTの低Vd(または低Id)範囲(この場合はVdから約1Vの範囲)はIGBTでは無視できるほどです。これは高電圧・高電流の用途では問題になりませんが、電気機器の電力需要が低出力から高出力まで幅広く変動する場合、低出力帯の効率は高くありません。

対照的に、SiC MOSFETはより広い範囲で低いオン抵抗を維持できます。

さらに、150°CでのSi MOSFET特性と比べて、SiCおよびSi-MOSFETの特性曲線の傾きが遅くなり、オン抵抗が増加します。しかし、SiC-MOSFETは25°Cでほとんど変動が見られず、25°Cで類似特性を持つ製品は大きな差を持ち、オン抵抗も高温でほとんど変化しません。

IGBTとの違い:ターンオフ損失特性

前述の通り、SiCパワーデバイスは優れたスイッチング特性を持ち、高出力と高速スイッチングの両方に対応可能です。ここでは、IGBTスイッチング損失特性との違いを具体的に説明します。

よく知られているように、IGBTがオフになると尾部電流が部品構造を流れ、スイッチング損失の増加はIGBT(スイッチング損失)の基本的な特性です。

オフ時の波形を比較すると、SiC-MOSFETはテール電流を通過しないため、対応するスイッチング損失は非常に小さいことがわかります。この場合、SiC-MOSFET+SBD(ショットキーバリアダイオード)の組み合わせはIGBT+FRD(快速回復ダイオード)に比べてターンオフ損失を88%削減します。

もう一つ重要な点は、IGBTの尾流は温度とともに増加することです。ちなみに、SiC-MOSFETの高速駆動には外部ゲート抵抗Rgの適切な調整が必要です。これは先ほども言及されていました。」 Si-MOSFETとの違い」この点はメディアでも取り上げられています。

IGBTとの違い:伝導損失特性

次に、スイッチオン伝導時の損失を見てみましょう。

IGBTがオンになると、電流は赤い破線で囲まれたIc(青い曲線)を流れます。これは主にダイオードの回復電流によるもので、スイッチオン時に大きな損失となります。 SiC-SBCを並列で使用することで、迅速な回復特性と組み合わせると、MOSFETスイッチング伝導時の損失が低減されます。 FRDがペアになると、IGBTのテール電流のようにスイッチング伝導損失は温度とともに増加します。

まとめると、スイッチング損失特性に関しては、SiC-MOSFETがIGBTを上回る性能であることは明らかです。

さらに、ここで提供されるデータはROHM試験環境下の結果に基づいています。ドライバーサーキットなど異なる条件によっても、異なる結果をもたらすことがあります。

ボディダイオードの特徴

前章ではIGBTとの違いについて説明しました。本章では、バルクダイオードにおけるSiC-MOSFETの順回復および逆再生特性について説明します。

図に示されているように、MOSFET(SiC-MOSFETに限らず)はドレインとソースの間にボディダイオードを持っています。構造的には、MOSFETはソースとドレインの間にpn接合(別名)によって形成されます。寄生ダイオードあるいは」内部ダイオードだ。」 MOSFETの場合、ボディダイオードの性能は重要なパラメータの一つであり、その性能は応用において重要な役割を果たします。

SiC-MOSFETボディダイオードの前方特性

下図はSiC-MOSFETのVds-ID特性を示しています。 SiC-MOSFETでは、ソースに基づいてドレインに負の電圧が印加され、バルクダイオードは順方向バイアスされます。この図では、Vgs=0Vの緑色の曲線が基本的に体外ダイオードのVf特性を表しています。 Vgsは0Vであり、MOSFETはオフ状態でチャネル電流を持たないことを意味します。したがって、これらの条件下ではVd-Id特性はボディダイオードのVf-If特性とみなすことができます。例えば、「炭化ケイ素とは何ですか? SiCはバンドギャップが広く、VfはSi-MOSFETよりもはるかに大きいです。

ゲートとソース間に18Vの電圧が印加され、SiC-MOSFETが導通すると、抵抗の低いチャネル部分(ボディダイオード部分ではなく)が支配的な低電圧で電流を受け取ります。構造的観点から様々な状態の理解を容易にするために、以下にMOSFETの断面図を示します。

SiC-MOSFETボディダイオードの逆回復特性

MOSFETボディダイオードのもう一つの重要な特徴は逆回復時間(TRR)です。 trrはダイオードスイッチング特性に関連する重要なパラメータであり、SiCショットキー障壁ダイオードに関する記事でも説明されています。言うまでもなく、MOSFETのバルクダイオードはpn接合を持つダイオードであり、逆回復時間(TRR)として特徴づけられます。以下は1000V定格のSi-MOSFETとSiC-MOSFET SCT2080KEのTRR特性の比較です。

図に示されているように、試料Si-MOSFETはより遅いtrrを持ち、より大きなIrrを通過します。対照的に、SiC-MOSFETのボディダイオードSCT2080KEは非常に高速です。 TRRとIRRはどちらもほとんど無視できるレベルであり、回復損失(ERR)は大幅に減少しています。

SiC-MOSFETの応用例

本章ではSiC-MOSFETの応用例をいくつか紹介します。また、過去の情報やプロトタイプレベルの内容も含まれており、これらの導入がSiC-MOSFET採用の利点や新機能の実現に役立つことを願っています。 SiC-MOSFETに加え、SiC-SBDやフルSiCモジュールの応用例もこちらで学べます。

SiC-MOSFETの応用例1:位相シフト式DC/DCコンバータ

以下はPower Assist Technology Ltd.と共同制作したデモデバイスです。

フルブリッジインバータセクションは、Si IGBT、第2世代SiC-MOSFET、前章で紹介した第3世代トレンチ構造SiC-MOSFETの3種類のトランジスタを用いて、同じサイズの位相シフトDCDCコンバータを形成し、製品効率の比較のためのデモンストレーションユニットとして機能します。

まず、SiC-MOSFET組成では、スイッチング性能の利点を活かして100kHzの高周波動作とパワーブーストを実現しており、これはSi IGBT(シリコンIGBT)では達成が難しいものです。さらに、第2世代(2G)SiC-MOSFETでは2つのトランジスタが並列に接続されて1つのスイッチを形成しますが、第3世代(3G)SiC-MOSFETはオン抵抗が低く、トランジスタの数が8個から4つに減少します。効率に関しては、第3世代(3G)SiC-MOSFETを使用した場合に最も理想的な結果が得られ、すべてのSiC-MOSFETはSi IGBTを上回ります。

SiC-MOSFETの応用例2:パルス電源

パルス電源は、短時間で瞬時の電力を提供するシステムであり、ガスレーザー、加速器、X線、プラズマ電源などに応用されています。既存のソリューションにはサイリスタやその他の真空管、Siスイッチが含まれますが、市場はより高い電圧耐性と高速を持つスイッチを求めています。この市場需要に応えるため、SiCの高電圧かつ高速性能を活用し、超高電圧かつ高速のスイッチングを実現しています。高速の観点から見ると、これはSi IGBTが達成するのが難しいことです。以下の例は、福島SiC応用技術研究株式会社、京都ニュートロニクス株式会社、日本科学技術庁と共同開発した製品で、CEATEC 2014およびTECHNO-FRONTIER2015で展示されました。