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2020.09.29 Siパワーデバイス

まとめ

ダブルパルス試験によるMOSFETのリカバリ特性評価

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今回は全体を通してのまとめを行います。

「ダブルパルス試験によるMOSFETのリカバリ特性評価」では、インバータ回路やTotem Pole型力率改善(PFC)回路等は、2つのMOSFETが直列接続されたブリッジ構成の回路であるため、上下アームを貫通する電流によってターンON損失が増大する現象があることに着目しました。

この現象は、スイッチングしているMOSFETと逆アームのMOSFETが持つボディダイオード(寄生ダイオード)のリカバリ特性に大きく影響を受けることから、ダブルパルス試験を利用して、MOSFETのボディダイオードのリカバリ特性の評価結果を示しました。

ダブルパルス試験では、2つの観点でターンON損失を比較評価しました。1つは標準的なSJ MOSFETとリカバリ特性が高速なSJ MOSFETであるPrestoMOS™の比較で、もう1つは高速リカバリ特性を特長とした異なるメーカーのSJ MOSFETの比較です。

この評価では以下の2つの結果が得られ、ターンON損失を低減させるためには、MOSFETのボディダイオードのリカバリ特性の評価を実施し、リカバリ特性に優れたMOSFETを選定することが重要であることを確認しました。

  • 1. 標準的なSJ MOSFETと高速リカバリ特性を特長とするPrestoMOS™の比較では、ターンON損失の主要因であるリカバリ電流Irrとリカバリ電荷QrrがPrestoMOS™のほうが大幅に小さく、スイッチング損失の低減に寄与する。
  • 2. 異なるメーカーの高速リカバリを特長とするSJ MOSFETの比較では、メーカー間でIrrとQrrに差があり、今回の3社のなかではPrestoMOS™が優れており、スイッチング損失を最も低減できる。

これらに加えて、リカバリ特性が高速でもターンON損失を低減できない場合があり、その要因である「セルフターンオン」の抑制も重要であることも示しました。セルフターンオンは、MOSFETの各ゲート容量(CGD,CGS)およびRGに起因して生じる現象で、ブリッジ構成においてスイッチング側のMOSFETがターンONした際に、本来OFFである還流側のMOSFETに意図しないターンONが生じ、貫通電流が流れ損失が増大します。

以下の図は、「セルフターンオン発生のメカニズム」で示したものですが、セルフターンオンが発生するとボディダイオードのリカバリ電流に加え、さらに大きな貫通電流が流れることを示しています。

MOSFETボディダイオードのリカバリ電流と、セルフターンオン発生による貫通電流を示した模式図。

上述の評価結果2で示したように、異なるメーカーの高速リカバリを特長とするSJ MOSFETの比較においてPrestoMOS™のターンオン損失が一番小さかったのは、リカバリ特性の高速性に加えて、各ゲート容量の比を最適化してセルフターンオンを抑制することを意図した設計がされているからです。

したがって、ブリッジ回路のスイッチング損失は、MOSFETのボディダイオードのリカバリ特性(IrrとQrr)に加え、セルフターンオンによる貫通電流の影響を受けるので、この両方の抑制が可能なMOSFETを選択することが、スイッチング損失低減のポイントになります。

以下に各記事のリンクとキーポイントをまとめました。

ダブルパルス試験とは

  • ・ダブルパルス試験は、MOSFETやIGBTなどのパワー系スイッチング素子の特性を評価するために広く用いられている試験方法。
  • ・対象の素子のスイッチング特性だけでなく、ボディダイオードや外付けのファストリカバリダイオードなどのリカバリ特性も評価することができる。
  • ・ターンON時にリカバリ特性に起因する損失が発生する回路を想定した場合の評価試験として非常に有効。

ダブルパルス試験によるリカバリ特性評価

  • ・ブリッジ回路において、ターンON損失はMOSFETが持つボディダイオードのリカバリ特性が悪いと増加する。
  • ・MOSFETのリカバリ電流Irrとリカバリ電荷Qrrを低く抑えたMOSFETは、ターンON損失EON_Lが小さい。
  • ・これは、高速リカバリタイプ同士の比較でも同様。
  • ・ブリッジ構成の回路の損失低減にはMOSFETのリカバリ特性の評価が重要。
  • ・セルフターンオン現象の発生によって、リカバリ特性が高速でもターンON損失を低減できない場合があることに留意する。

セルフターンオン発生のメカニズム

  • ・ブリッジ回路におけるセルフターンオンとは、MOSFETの急峻なVDSの上昇により発生するVGSの上昇によって、MOSFETが意図しないターンONをしてしまうこと。
  • ・ブリッジ構成の回路ではセルフターンオンにより貫通電流が流れると、ターンON損失が増加するので、リカバリ特性だけが優れたMOSFETを選定しても期待する損失低減ができない場合がある。
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