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SiCパワーデバイスとは? SiC-MOSFET

 

1. デバイス構造と特徴

Siでは高耐圧のデバイスほど単位面積当たりのオン抵抗が高くなってしまう(耐圧の約2~2.5乗で増加)ため、600V以上の電圧では主にIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が使用されてきました。
IGBTは伝導度変調といって少数キャリアである正孔をドリフト層内に注入することによってMOSFETよりもオン抵抗を小さくしていますが、一方で少数キャリアの蓄積によってターン・オフ時にテイル電流が発生し大きなスイッチング損失の原因となっていました。
SiCではドリフト層の抵抗がSiデバイスよりも低いため、伝導度変調を使用する必要がなく、高速なデバイス構造であるMOSFETで高耐圧と低抵抗を両立できます。
MOSFETでは原理的にテイル電流が発生しないため、IGBTからの置き換えの場合、スイッチング損失の大幅削減と冷却器の小型化を実現できます。
また、IGBTでは不可能であった高周波駆動によって受動部品の小型化にも貢献します。
600V~900VのSi-MOSFETに対してもチップ面積が小さいこと(小型パッケージに実装可能)やボディダイオードのリカバリ損失が非常に小さいなどの利点があります。
産業機器の電源や、高効率パワーコンディショナーのインバータ・コンバータ部などに向けて応用が広がっています。

ターンオフロスの大幅削減・高周波化による機器の小型化/チップ面積の削減・リカバリロスの大幅削減

2. 規格化オン抵抗

SiCは絶縁破壊電界強度がSiの10倍であることから低い比抵抗、薄い膜厚のドリフト層で高い耐圧を実現できます。
このため同じ耐圧同士で比較すると規格化オン抵抗 (単位面積当たりオン抵抗) の小さなデバイスが可能です。
例えば900VではSi-MOSFETの35分の1、SJ-MOSFETの10分の1のチップサイズで同じオン抵抗を実現できます。
小さなパッケージで低オン抵抗を実現できるほか、ゲート電荷量Qg、容量なども小さくなります。
SJ-MOSFETは900V程度までの製品しか存在していませんがSiCでは1700V以上の耐圧も低いオン抵抗で実現することができます。
IGBTのようなバイポーラデバイス構造 (オン抵抗は低くなる一方スイッチングが遅い) をとる必要がないため、低オン抵抗、高耐圧、高速スイッチングの全てを兼ね備えたデバイスを可能にします。

Blocking Voltage

3. Vd-Id特性

SiC-MOSFETはIGBTのような立ち上がり電圧がないため小電流から大電流まで広い電流領域で低導通損失を達成できます。
またSi-MOSFETは150°Cにおいてオン抵抗が室温の2 倍以上に上昇しますがSiC-MOSFETでは上昇率が比較的低いため熱設計がしやすく、高温においても低オン抵抗を実現できます。

Vds - Id (Ta=150℃)

4. 駆動ゲート電圧とオン抵抗

SiC-MOSFETはドリフト層抵抗がSi-MOSFETよりも低い一方で、現在の技術レベルではMOSチャネル部分の移動度が低いため、チャネル部の抵抗がSiデバイスと比較して高くなっています。
このため、高いゲート電圧ほど低いオン抵抗を得ることができます (Vgs=20V以上で徐々に飽和)。
一般的なIGBTやSi-MOSFETで用いられる駆動電圧Vgs=10~15Vでは本来の低オン抵抗の性能を発揮できませんので、充分な低オン抵抗を得るために、Vgs=18V前後での駆動を推奨します。

駆動ゲート電圧とオン抵抗

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