SiC FETの温度による抵抗値の変化 - 正しい比較を行うために

  • 2020年11月29日
  • ユナイテッドSiC

概要

SiCスイッチのデータシートを比較することは困難です。SiCのMOSFETは、オン抵抗の温度係数が低いため有利に見えることがありますが、これはUnitedSiCのFETと比較して基礎的な損失が大きく、全体的に効率が低いことを示しています。

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1440年頃、ジョン・リドゲートの「馬とガチョウと羊の間の論争」で初めて記録されたことわざにもあるように、「比較はいやなものである」。家畜は別として、現代のパワーコンバータの設計者は、「最高の性能」のために競合する多数の主張から、冷静にアプリケーションのパワースイッチを比較しようとしなければなりません。問題は、リンゴとリンゴを比較することで、農業の例え話を続けていますが、他の手段とのトレードオフを考慮せずに、単一の電気的パラメタが優れているとは言えないからです。スイッチのオン抵抗が良い例です。同じ定格電圧で、メーカー推奨のゲート駆動電圧で、同じ接合部温度とドレイン電流で、同じパッケージの部品を比較しなければなりません。

Si-MOSFET、SiC-MOSFET、SiC FETSが位置を争う

数百ボルト以上の高電圧では、Si MOSFET、SiC MOSFET、UnitedSiC FETがしのぎを削っており、データシートには通常、特定の定格電圧、接合部温度、ゲート駆動電圧におけるRDS(ON) 値が記載されています。例えば、UnitedSiCが最近発表した部品UJ4C075018K4Sでは、VGS=12V、25℃から175℃で、すべて20Aのドレイン電流でのオン抵抗値が示されています。ここから、この部品のある温度でのRDS(ON) の温度係数を容易に導き出すことができ、Tj=125℃では約+70〜75%になることがわかります。

650VのSiC MOSFETのチャンピオンは、他の類似デバイスではTj=125Cで通常+20-25%の値になっていると指摘するかもしれません。それは3倍も良いのでしょうか? まず、ダイ内のセルがホットスポットや熱暴走を起こさずに電流を共有するためには、温度係数を正の値にする必要があります。同様に、設計者は、自然な電流共有でデバイスを並列化できるようにするために、正の値に頼っています。

SiC MOSFETの抵抗はその反転チャネルによって支配される

SiC MOSFETの温度係数RDS(ON )の値が低いのは、実はより深い効果が起きていることを示しています。MOSFETやJFETは、サブストレート、ドリフト層、JFET領域、チャネルなど、異なる領域を電子が流れる「シングルキャリア」デバイスです。650VのSiC MOSFETでは、反転チャネルが全抵抗値の大半を占めており、これは実際に温度とともに減少します。チャネル抵抗は、(フリーキャリアの数×反転層の電子移動度)に反比例し、温度が上がるとしきい値電圧が下がり、チャネル内のフリーキャリアの数が増えるため、抵抗が減少します。この効果は、デバイスの残りの領域、すなわちJFET、ドリフト層、サブストレートの抵抗の正の温度係数によって相殺され、トータルのTc値はわずかに正となります。SiC JFETでは、JFET、ドリフト層、サブストレートの正の温度係数を相殺する反転チャネルが存在しません。一方、低電圧のSi MOSFETは全オン抵抗のわずかな部分しか占めていないため、SiC MOSFETに比べて温度係数値が高くなっていますが、重要な点は、非理想的なSiC反転層に伴う損失がSiC FETにはないということです(図1)

図 1: 典型的な SiC MOSFET トレンチ構造。 UnitedSiC FET には、損失の大きい SiC MOS 反転チャネルが存在しないため、オン抵抗の温度係数は高くなるが損失は低くなることを示しています。

SiC FETは全体の導通損失が低い

絶対値を見てみると、決定的なことがわかります。図2 に示すように、650/750V デバイスのRDS(ON) を 比較すると、UnitedSiC FET は 25°C で SiC MOSFET の約 3 分の 1 のオン抵抗で、150°C でも 2 倍よくなっています。同じアクティブ ダイ面積では導通損失が約半分になります。

図2:UnitedSiC FETはオン抵抗のTcは高いが、絶対値は低い

最終的な効果は、UnitedSiC FETの全体的な導通損失が減少し、RDS(ON) の健全な正の温度係数により、セルと並列デバイス間の効果的な電流共有が保証されることです。比較が有効であることを確認し、効果の背後にあるメカニズムを理解することは明らかに有益であり、実用的に重要なこと、すなわち全体的な損失の低減を明らかにすることができます。