ドレイン-ソース間ブレークダウン電圧の説明

パワーMOSFETは金属酸化膜半導体電界効果トランジスタです。ゲート端子は半導体上の薄いゲート酸化膜の上にあり、MOSFETのしきい値電圧を超えるゲート電圧によって導電チャネルが形成され、ドレイン電流が流れます。このMOSトランジスタの挙動は、いくつかの標準的なMOSFETの式で表されます。

これらのMOSFET方程式 (MOSFETトランジスタ方程式の完全な形として記述されることもあります) には、電流とゲート電圧を結び付けるドレイン電流の式が含まれています。ただし部品を選定する際、同じMOS構造に基づく定格の中で最も重要なのは、ドレイン-ソース間ブレークダウン電圧を正しく把握することです。

N型エンハンスメント モード プレーナMOSFET

N型エンハンスメント モード プレーナMOSFET

ドレイン ソース降伏電圧は、V(BR)DSS (場合によってはBVDSS) と表記され、MOSFETがオフ状態で降伏する前に阻止できる最大のドレイン ソース間電圧です。すべてのパワーMOSFETにはこの定格値が記載されており、設計者が最初に確認する数値の1つです。デバイスが導通および遮断する際に内部で何が起こっているかを理解するには、MOSFETの動作原理を参照してください。

ドレイン-ソース間電圧がV(BR)DSSを超えると、デバイス内部の逆バイアスされたPN接合に非常に高い電界が生じます。衝撃電離 (impact ionization) と呼ばれるプロセスにより、これらの電界によって電子-正孔対が生成され、それが急速に増殖します。これがアバランシェ効果です。その結果、電流が急増し、電力損失が増大して温度が急速に上昇し、デバイスが破壊されるおそれがあります。

信頼性の高い設計では、1つ重要な点があります。データシートに記載されているV(BR)DSSの値は、製造公差の範囲全体にわたって保証された最小値です。個々の部品は実際にはもう少し高い電圧でブレークダウンする場合がありますが、堅牢な設計では、単一サンプルの典型的な挙動ではなく、データシートに記載された最悪条件 (ワーストケース) の値を前提にします。

この記事では、シリコン パワーMOSFETに焦点を当てます。SiC MOSFETやGaN HEMTなどのワイドバンドギャップ デバイスは、アバランシェ挙動や温度係数が異なります。そのため、ここで示す経験則ではなく、それぞれのデータシート仕様に基づいて評価する必要があります。

MOSFETデータシートでVdsが掲載されている場所

MOSFETのデータシートには通常、電圧定格が関連する2箇所に記載されています。違いを知っておくと役立ちます。

  • ドレイン-ソース間電圧 (VDS)は、絶対最大定格表に記載されています。たとえば30 V、60 V、100 Vなどです。これは部品の「電圧クラス」を示す主要な指標であり、通常はデバイスを絞り込む際に使用する値です。
  • ドレイン-ソース間ブレークダウン電圧 (V(BR)DSS)は、静的/電気的特性表に保証最小値として記載され、規定条件下で測定されます。通常はVGS = 0 V、ID = 1 mAなどの小さな試験電流、25 ℃ です。

実際には、メーカーは絶対最大VDS定格を、保証最小V(BR)DSSと同じ値に設定します。これは「別々の2つの仕様」ではなく、同じ電圧限界を2つの目的で2箇所に示しているものです。1つは厳密な最大定格、もう1つは測定され、保証された電気的特性です。

例えば、インフィニオンによるOptiMOS™データシートのウォークスルーでは、破壊電圧はVGS = 0 VおよびID = 1 mA時の最低値が60 Vと指定されています。Infineon OptiMOS Power MOSFETのデータシート解説には、各データシートパラメーターと図に関する段階的な説明が記載されています。

定格に対する温度の影響を理解する

ブレークダウン電圧は固定値ではなく、接合温度によって変化します。V(BR)DSSは正の温度係数を持つため、デバイス温度が上がるにつれて、動作範囲全体 (たとえば −55 ℃～+175 ℃) でほぼ直線的に上昇します。データシートでは、この依存関係を専用のグラフで示しています。

実用上の要点は、多くの初心者の予想とは逆です。定格は温度上昇とともに増加するため、ブレークダウン電圧が最も低くなるのは最低温度のときです。データシートに記載されている25 ℃ の最小値は、通常条件下では実質的にワーストケースであり、低温始動時の状況には注意が必要です。温まっているときは仕様を十分に満たしているデバイスでも、低温時には電圧マージンが最小になります。

アプリケーションにおける電圧スパイクとアバランシェ エネルギー

実際の回路では、MOSFETには定常状態のバス電圧以上の電圧が印加されます。電流をスイッチオフするたびに、パッケージやPCB配線の寄生インダクタンス (またはフライバック コンバーターのようにトランスの漏れインダクタンス) によりスイッチオフ過渡が生じ、ドレイン-ソース間電圧が一時的に定常状態レベルを上回ります。

このようなスパイク電圧がV(BR)DSSを超えると、MOSFETはアバランシェ状態 (通常は非クランプ誘導スイッチング (UIS) の一種) に入り、高エネルギーの単一パルス中にはクランプ電圧が通常V(BR)DSSの約1.3倍に達します。十分に大きいアバランシェ電流は、デバイスの寄生バイポーラ トランジスタでラッチアップを引き起こし、ゲートが制御不能になる可能性もあります。したがって、アバランシェは推奨される動作条件ではありません。

また、アバランシェが一度だけ発生するのか、繰り返し発生するのかという点も重要です。単一パルスであれば、一時的にTJ(max) を超えても恒久的な損傷が生じない場合がありますが、繰り返されるアバランシェは別です。各事象でホットキャリアが注入されてゲート酸化膜に蓄積し、デバイスを徐々に劣化させます。その結果、個々のパルスが無害に見えても、遅延フィールド故障のリスクがあります。したがって、たまに発生する故障条件でのアバランシェは、アバランシェを通常の動作メカニズムとして前提にする設計とは、まったく異なる扱いになります。

ゲート駆動ネットワークを介したスイッチオフを遅くするか、ドレインとソース間にRCスナバを追加することで、スパイクを低減できますが、どちらの場合もスイッチング損失が増加します。メカニズムとアバランシェ特性については、インフィニオンのパワーMOSFETアバランシェ設計ガイドラインに詳細に記載されています。

データシートによっては、エネルギー定格EAS (デバイスが1回の事象で吸収できるエネルギー量) を用いて、アバランシェ現象を直接定量化しているものもあります。これは、熱限界 (接合部温度をTJ(max)まで上昇させるエネルギー) または統計的数値 (多数の部品を故障するまでテストして得られた保守的なマージン) として定義されます。

ただし、注意点があります。異なるメーカーや試験条件によるEAS 値は直接比較できません。同じ総エネルギーでも、試験インダクタンスや始動電流によって接合部のピーク温度が大きく異なる可能性があるため、 EASの値は、常に試験条件と併せて読む必要があります。

DCバス電圧別の推奨Vds

こうした過渡現象があるため、バス電圧と同じ電圧クラスは選ばず、必ず余裕を持たせます。広く用いられている経験則をいくつか示します。

  • 最悪の場合における定常状態のドレイン・ソース間電圧と定格V(BR)DSSの間には、少なくとも20%の安全マージンを設けてください。
  • 一般的なディレーティング目標は、動作電圧をV(BR)DSSの約90%以下に維持することです。
  • 大きなスイッチオフ過渡現象が予想される場合は、さらに大きなマージンを取ってください。たとえばモーター駆動インバーターでは、DCバス電圧の約2倍のV(BR)DSS定格を選ぶことも珍しくありません。

以下の表は一般的な出発点を示すにすぎません。適切なクラスは、常に回路の実際の過渡挙動によって決まります。

 

注: 右側の列は一般的な出発点を示すにすぎません。実際に必要なマージンは、回路の寄生インダクタンス、スイッチングdi/dt、ならびにターンオフ スパイクを抑えるためにスナバ回路やアクティブ ゲートドライブ シェーピングを用いるかどうかなど、いくつかの要因に依存します。バス電圧だけでなく、設計の実際の過渡挙動に対して必ず検証してください。

ただし、電圧マージンだけが安全性のすべてではありません。V(BR)DSSは、MOSFETの安全動作領域 (SOA) を規定する複数の制限の1つにすぎません。RDS(on)、パッケージの許容電流、電力損失、熱的不安定性などがそれぞれ独自の境界を課すため、データシートのSOA図は電圧定格だけよりも、安全動作の全体像を示します。

過剰な仕様設定も誤りです。一般に、電圧クラスが高いほどオン抵抗 (RDS(on)) が大きくなり、コストも上がります。そのため、必要以上に高い電圧クラスを選ぶと、設計の効率が下がり、コストも増えます。

推奨製品

MOSFETの電圧定格に関するよくある質問

ドレイン電流やゲート電荷など、MOSFETの重要なパラメーターには何がありますか？

ブレークダウン電圧以外にも、設計を左右するパラメーターがいくつかあります。

  • RDS(on) — オン状態抵抗。導通損失を決定します。
  • VGS(th) — ゲートしきい値電圧。
  • ID— 最大ドレイン電流と、デバイスの熱制限値。
  • Qg—ゲート電荷で、スイッチング損失とゲート駆動要件を左右します。
  • デバイスの寄生容量。
  • gfs — 相互コンダクタンス、ドレイン電流とゲート電圧を結びつける利得。これは通常、MOSFETが単純なスイッチではなく制御された電流源として動作する飽和領域で規定されます。
  • 逆回復 (Qrr) を含むボディダイオードの挙動。

これらが動作時にどのように関係するのかは、「MOSFETの動作原理」を参照してください。

ほとんどの電源設計ではNチャネルMOSFET、より具体的にはNチャネル エンハンスメントモードMOSFETが使用されます。これは、ゲート電圧がしきい値を超えるまで通常はオフであるため、スイッチング用途の標準的な選択肢となります。一方、デプレッションモード デバイスはゲート電圧が0 Vでも導通し、通常はニッチな用途でのみ使用されます。

スイッチング コンバーターやモーター ドライブでは、飽和領域から十分に外れた低抵抗のオーム (トライオード) 領域で動作させるエンハンスメントモードMOSFETが、ほぼ常に適切な選択肢です。

MOSFETの動作モード: エンハンスメント型とデプレッション型

MOSFETの動作モード: エンハンスメント型とデプレッション型

データシートの2つの表を確認してください。絶対最大定格には、ドレイン-ソース間電圧 (VDS) (すなわち電圧クラス) が記載されています。静的/電気的特性には、25℃においてVGS = 0 V、かつ小さなドレイン電流 (多くの場合 ID = 1 mA) で測定された、保証最小ブレークダウン電圧 (V(BR)DSS) が示されています。

ブレークダウン電圧は低温で最も低くなるため、25℃の値が設計上のワーストケースになります。

要件は次の順序で確認してください。

  1. 電圧クラス: 最悪条件の過渡現象に対して十分なマージンを確保します。
  2. RDS(on) ―導通損失。
  3. 電流容量と熱容量は、パッケージ、熱抵抗、および放熱性能に依存します。
  4. スイッチング特性 (ゲート電荷、ボディダイオード) : 周波数とトポロジーに合わせて選定します。

データシートの見出しにあるID(max) は理想化された冷却条件に基づいており、額面どおりに受け取るべきではありません。実際の電流許容範囲は、電力損失と温度上昇から判断してください。

スイッチングに関する具体的なガイダンスについては、 「MOSFETがスイッチとしてどのように動作するか」を参照してください。

インフィニオンは、 infineon.com上でオンラインのパラメーター検索および製品検索ツールを提供しており、電圧クラス、 RDS(on) 、パッケージ、アプリケーションに基づいてMOSFETをフィルタリングできるほか、シミュレーションモデルや選定ガイドも利用できます。

部品を比較する際の背景情報として、この記事でリンクされている2つのアプリケーションノートが参考になります。1つはOptiMOSデータシートの仕様の読み方に関する解説、もう1つは電圧マージンと堅牢性に関する決定のためのアバランシェ設計ガイドラインです。

OptiMOS™ ファミリーとそのアーキテクチャについては、「OptiMOS: Infineon's Power MOSFET Family Architecture Explained」で解説します。

パワーMOSFETは、スルーホール パッケージ (TO-220やD²PAKなど) と、幅広い表面実装パッケージ (SuperSO8/PQFN 5×6、PQFN 3.3×3.3、DirectFET™、ならびにTOLTのような上面放熱タイプ) があります。

パッケージはサイズ以上の影響があります。ボンディング ワイヤと銅クリップ接続では電流の扱い方が異なるため、部品が流せる最大電流を左右します。また、寄生インダクタンスと冷却経路にも影響します。

最大接合温度もパッケージによって異なります。小型のSMDパッケージの中には150℃ に制限されるものもありますが、同じダイでもTO-220やD²PAKでは175℃ 定格となる場合があります。

データシートに記載されている連続ドレイン電流ID(max) は、理想化された試験条件 (非常に効果的な冷却) から導出された値であり、実際の設計では通常到達できません。

より現実的な方法は、電力損失と温度に基づいてデバイスを選定することです。RDS (on) (およびスイッチング損失) に、パッケージの熱抵抗と放熱 (ヒートシンク) 条件を組み合わせ、接合温度が最大値を下回ることを確認します。

この方法で部品を選定し、さらにマージンを加えることで、ID(max) の数値だけを比較するよりも、実際の電流許容範囲をはるかに正確に把握できます。

必ずしもそうとは限りません。故障メカニズムは2つあります。熱故障は、接合部温度がシリコンの固有温度 (最新のパワーMOSFET技術では通常400℃ 付近) に達したときに発生します。

ラッチアップは別の、しばしばより高速なメカニズムです。アバランシェ中にデバイスの寄生ベース抵抗を流れる電流が、各MOSFETセルに組み込まれた寄生バイポーラ トランジスタを順方向バイアスし、制御不能にオンして、実質的にゲート制御が効かなくなります。

ラッチアップは、熱故障が起こるよりもはるか前にデバイスを破壊する可能性があります。これは、アバランシェを頼れる安全マージンとして扱うのではなく、設計によって最小化すべき理由の1つです。