それは世代の問題

  • 2022年8月19日
  • ユナイテッドSiC

人間でいうところの世代というのは、結構ゆっくりやってくるもので、記憶にあるところでは「団塊」、「X」、「ミレニアルズ(Y?)」、「Z」、そして今は奇妙にも「A」なっています。文字数が足りなくなったのでしょう。しかし、半導体では世代交代が早く、SiC FETは2020年11月に750VのSiC FETが発売され、現在では第4世代まで来ています。

第3世代デバイスは市場をリードし、シリコンやGaNデバイスに対する優位性について多くのことが語られてきましたが、SiCは理論的な性能限界からまだ程遠いため、第4世代SiC FETカスコードは必然的にさらに優れた性能で世に出ることになりました。しかし、より低損失でより高速なスイッチングが要求されるため、オーバーシュートやリンギングを回避するための慎重な取り扱いが求められ、EMIの緩和が重要な考慮事項となります。ここでは、改良点を振り返りながら、アプリケーションの課題について説明します。

Gen 4の改良に注目

第4世代SiC FETは、第3世代に比べていくつかの点で改良されていますが、最も簡単に説明できるのが「レーダー」チャートです。

6mΩ程度のデバイスを比較対象とした場合、まず注目すべきは750Vに上昇した電圧定格です。これは、動作電圧のピークが400Vをはるかに超え、サージやスパイクでさらに高くなる可能性のある整流アプリケーションにおいて、有用な安全マージンを提供します。逆回復エネルギーQrrはほぼ半減し、ハードスイッチ・アプリケーションでの損失を大幅に削減し、スイッチングエネルギーの総量も同様に削減されます。ダイナミックエネルギーの節約は、ダイの小型化によるもので、より優れた性能指数 RDS(on) x A を実現し、ダイサイズを Gen3 より 35%縮小することで、ウェハーの歩留まりも向上し、経済性を高めています。また、ダイサイズを小さくしても、ジャンクションからケースまでの熱抵抗を適切に保つため、銀焼結によるダイアタッチと高度なウェーハ薄化技術を採用しています。750V/6mΩの低オン抵抗FETの短絡耐量は、ボディダイオードサージ電流定格と同様に2倍以上になっています。興味深いことに、温度によるオン抵抗の増加はGen 3よりも大きいものの、より低い値から始まり、この効果が実際に短絡耐時間定格に役立っているのです。また、ターンオンとターンオフのスイッチングエネルギーの温度係数は、第3世代がマイナスであるのに対し、第4世代はプラスですが、Eon自体の値は第3世代より第4世代の方が低く、Eoffについては定格動作条件と温度にわたって両者はほぼ同じです。

EMI対策

動的損失の低減にはSiC FETの高速性が必要ですが、高いdi/dtとdV/dtは回路の寄生インダクタンスとの相互作用により、高いEMIを発生させる危険性を伴います。このため、リンギングやオーバーシュートが発生し、電圧マージンが減少してEMC対策が問題となるため、通常、エッジレート制御が必要とななります。従来のソリューションでは、ゲートを駆動するために直列抵抗を導入していましたが、これは効率を損ない、遅延時間を増加させ、高周波ソフトスイッチング回路の最小オン時間や制御範囲を狭めることになります。より良い解決策は、ドレインとソースをつなぐ小さなRCスナバで、余分な損失を発生させることなくオーバーシュートを制限し、リンギングを抑制することができます。驚くほど小さなRC値で、さまざまな条件下でさまざまなデバイスの出発点として推奨されるいくつかの値については、ウェブサイトのユーザーガイドをご覧ください。ソフトスイッチ・アプリケーションでは、コンデンサだけで十分です。

SiC FETの並列化はゲート回路の発振を引き起こす可能性があり、スナバはエッジレートを下げることでこれを防ぐのに役立ちますが、各デバイスやオン/オフ駆動状態に対して別々のゲート抵抗を使用することも推奨されています。また、ゲート接続に直列フェライトビーズを使用することも、高周波用のDCリンクデカップリングや、最適化された電圧とローカルデカップリングによる堅牢なゲートドライバとともに、安全な解決策となります。

第4世代SiC FETの支持母体

各世代は前世代よりも洗練されていると言われているように、12歳にも満たない「A世代」は、すでに大多数の「ブーマー」よりもITに精通しているのです。Gen 4 SiC FETには、多くのサポートデータ、アプリケーションノート、UnitedSiCオンラインFET-Jet Calculator™が付属しており、デバイス選択の指針となり、利用可能な性能向上のための実際の数値を示すことができます。