4端子パッケージを採用したSiC MOSFET : SCT3xxx xRシリーズ4端子パッケージ採用によりスイッチング損失を従来品比35％低減

SCT3xxx xRシリーズは、サーバ用電源や太陽光インバータ、電動車の充電ステーションなどの高効率が求められるアプリケーションに向けたトレンチゲート構造のSiC MOSFETで、4端子パッケージを採用しています。今回、6機種（650Vおよび1200V耐圧）がリリースされました。

SiC MOSFET：SCT3xxx xRシリーズのポイント

ポイント1：トレンチゲート構造によりプレーナ構造よりも微細化が可能なため、SiC本来の特性に近い低オン抵抗が期待できる。

ポイント2：SiC MOSFETが持つ高速スイッチング性能を最大限に引き出すことができる4端子パッケージ：TO-247-4Lを採用。従来の3端子パッケージ：TO-247Nと比べ約35％のスイッチング損失削減が可能。

ポイント3：SiCデバイスの駆動に最適なゲートドライバICや各種電源IC、ディスクリート製品を搭載したSiC MOSFET評価ボードが用意されており、簡単にデバイス評価ができる。

ポイント4：SCT3xxx xRシリーズSiC MOSFETおよび評価ボードは、インターネット販売されており、ネット商社から購入可能。

4端子パッケージ：TO-247-4Lと、従来の3端子パッケージ：TO-247Nの構造の違い

下図は、新規採用の4端子パッケージ：TO-247-4Lと、従来の3端子パッケージ：TO-247Nの構造の違いを模式化した図です。

従来の3端子パッケージ：TO-247Nは（左）、ソース端子が持つインダクタンス成分の影響によりゲート電圧の低下が起こり、スイッチングスピードが低下する課題がありました。今回、SCT3xxx xRシリーズで採用した4端子パッケージ：TO-247-4Lは（右）、ゲートドライバ用のソース端子（ドライバソース）と、電力経路となるソース端子（パワーソース）を個別にした構造にすることで、ゲートドライブのインダクタンス成分による影響を小さくすることができます。結果として、TO-247-4LパッケージのSiC MOSFETは、従来の3端子パッケージに比べてスイッチング損失を低減できます。

4端子パッケージ：TO-247-4Lは、スイッチング損失を約35％低減

4端子パッケージ：TO-247-4Lにより、SiC MOSFETの高速スイッチング性能を最大限に引き出すことができるため、特にターンオンでの損失を大幅に改善できます。ターンオン損失とターンオフ損失を合計すると、従来の3端子パッケージとの比較において約35％の損失低減が見込めます。

MOSFETは一般的に電圧駆動型であり、ゲート端子への電圧をオンオフすることでスイッチング動作を制御します。図1に従来（TO-247N）のMOSFETにおける一般的なゲート駆動回路例を示します。

駆動回路には回路基板のインダクタンスと、MOSFETのソース端子のインダクタンスL_SOURCEが含まれており、このパラメータを考慮することがとても重要です。従来のスイッチング速度ではドレイン－ソース間を流れるドレイン電流I_Dの変化により、電流を生じさせる電位の差である起電圧が発生します。

V_Gが印加されMOSFETがターンオンするとI_Dは増加し、L_SOURCEに図中（?）の方向にV_LSOURCEが発生します。この電圧はターンオン時の駆動回路網に含まれており、MOSFETのターンオン動作に必要な電圧V_{GS_INT}を式（1）のように減少させてしまい、結果としてターンオン速度の低下を招いています。

V_{GS_INT}=V_G-I_G×R_{G_EXT}-L_SOURCE×dI_D?dt 　　…式（1）

ターンオフ時も同様の理由から、式（1）で示されるI_GおよびdI_D?dtが負となることから、R_{G_EXT}とL_SOURCEに電圧上昇（?）を発生させ、V_{GS_INT}の増加によるターンオフ速度の低下を引き起こします。

図2は、この起電圧の影響を取り除くことが可能な4端子パッケージTO-247-4LのMOSFETの駆動回路例です。ドライバソース端子は、V_Gの信号のSOURCE側を直接チップにつなげることにより、この起電圧V_LSOURCEの影響を取り除き、スイッチング速度の改善を図ったものです。

下図は、4端子パッケージ：TO-247-4Lと従来の3端子パッケージ：TO-247Nのターンオンスイッチング特性の比較（左）と、ターンオンとターンオフのスイッチング損失（右）を示したグラフです。

左側のスイッチング波形から4端子パッケージ（赤）では、V_DS、I_DSともに大幅な遷移時間の高速化が確認できます。右側のスイッチング損失の比較においても同様に、4端子パッケージ（赤）の方が損失が少なく（波形の面積で見る）なっています。

ターンオンとターンオフの損失を合計すると、約35%のスイッチング損失低減が確認できます。

適するアプリケーションは？

近年、AIやIoTの導入に伴いクラウドサービスへのニーズが高まり、世界的にデータセンターの需要が拡大しています。データセンターなどで使用されるサーバにおいては、大容量化・高性能化が進む中、消費電力低減が大きな課題になっています。そのため、より損失の少ないSiCデバイスに注目が集まっています。SCT3xxx xRシリーズは、サーバ、基地局、太陽光インバータ、蓄電システム、電動車の充電ステーション等のアプリケーション非常に適した性能を備えています。

今回リリースされたラインアップ

今回リリースされたSiC MOSFET SCT3xxx xRシリーズは、650V品3機種、1200V品3機種の計6機種です。各詳細は、機種名のリンクからアクセスできます。

品名	ドレイン・ ソース間電圧 VDS[V]	ドレイン・ ソース間オン抵抗 RDS(on) @25℃ [mΩ(typ.)]	ドレイン電流 ID@25℃ [A]	ドレイン損失 PD [W]	動作温度範囲 [℃]	パッケージ
SCT3030AR	650	30	70	262	-55～+175	TO-247-4L
SCT3060AR		60	39	165
SCT3080AR		80	30	134
SCT3040KR	1200	40	55	262
SCT3080KR		80	31	165
SCT3105KR		105	24	134

評価を簡単かつ迅速にするには評価ボードを利用する

P02SCT3040KR-EVK-001はSiC MOSFET評価ボードで、SiCデバイスの駆動に最適化されたゲートドライバIC（BM6101FV-C）や各種電源IC、ディスクリート製品を搭載しており、簡単にデバイス評価を行うことができます。

TO-247-4Lパッケージ品はもちろん、同一条件での評価ができるようにTO-247N品の実装も可能です。また、この評価ボードを用いることで、ダブルパルス試験、Boost回路、2レベルインバータ、同期整流型Buck回路などの評価ができます。P02SCT3040KR-EVK-001はネット商社にて販売されています。また、サポートページが用意されていますので参照してください。

※起電圧：電磁誘導、熱電効果、光電効果や化学反応などにより生じる電位差のこと。本文では電磁誘導による電位差を表す。