PE-15-049,PSE-15-071,SPC-15-102

高速スイッチングのためのSiCパワーMOSFETの

静特性と動特性の評価

周 瑞 ∗ 古田 潤 小林 和淑 (京都工芸繊維大学)

Evaluations of Static and Dynamic Characterization of Silicon Carbide Power-MOSFET for

High-speed Switching

Zhou Rui∗, Jun Furuta, Kazutoshi Kobayashi (Kyoto Institute of Technology)

We evaluate and compare the static and dynamic characterization of Silicon (Si) power MOSFET and Sili-

con Carbide (SiC) power MOSFET for the high-speed switching of SiC power MOSFETs．In order to equal-

ize measurement conditions，we use Si power MOSFET (FQP17N40，FAIRCHILD) and SiC power MOSFET

(SCTMU001F，Rohm) in the same package．As its static characterization，it shows that the threshold voltage

of Si power MOSFETs varies as Vds and the capacitance is smaller than that of Si power MOSFETs．From the

evaluation of dynamic characterization，it is assured that when the operation frequency is under 5MHz，there

is no difference between two elements while when in the case of 10MHz，only SiC power MOSFET can work

correctly．

キーワード：SiCパワーMOSFET，静特性，動特性，高速スイッチング

(Silicon carbide power-MOSFET， Static characteristic，Dynamic characteristic，High-speed switching)

1. はじめに

近年 SiC(シリコンカーバイド)は，家庭や工場で使われる電気エネルギーの熱損失等を大幅に削減可能な半導体材料として注目されている．SiCは Siに比べ，絶縁破壊電界強度，飽和電子速度，熱伝導度などが高い物性値を有している．これをパワー半導体デバイスに適用できれば，小型化とともに，電力変換時の損失を大幅に低減できると考えられている．(1) さらに，Siでは 150C程度とされている電子デバイスの動作上限温度を 400C以上とすることができるなどの利点がある (2)．

SiCパワーデバイスを用いた電力変換回路は自動車モータ駆動などの分野において使用されており，小型軽量化が要求されている (3)．その小型軽量化の方法として電力変換のスイッチング周波数の高周波化がある．スイッチング周波数の高周波化は，回路内のフィルタにおけるキャパシタ，インダクタを小容量なものに置き換えることを可能とし，電力変換回路の小型軽量化につながる．このような可能性から近年，高速高周波動作可能なパワーデバイスが開発されている．しかし，電力変換回路はパワーデバイスだけではなく，他の回路から構成されているため，単に高速動作特性を有するデバイスへの置き換えだけではなく，回路とデバイス特性の合わせ込みが高周波化の重要なポイントとな

る．パワーデバイスの回路応用を踏まえた，回路全体の動作特性の調整と設計が重要な課題である．

図 1 SiCパワーデバイスの適用分野 (4)

Fig. 1. The field of application of the SiC power device

回路の高周波化における課題の 1つに，パワーデバイスを駆動するゲートドライブ回路の設計がある (5)．本論文では，SiCパワーMOSFETを駆動するゲートドライブ回路に着目し，産業科学医療に利用可能な ISMバンド周波数 13．56MHzにおいてのスイッチングを目標とする．特に高速スイッチング動作が可能と考えられるパワー MOSFETに着目し (図 1(4) 参照)，Si 製パワー MOSFET と SiC パワー

1／ 6

MOSFETの静特性ならびに動特性の評価を行う．具体的には 10MHzとした高速スイッチングにおける波形の評価から比較検討する．

2. 評価するパワーMOSFET

パワー MOSFETは電力制御用スイッチとして用いられている．特に，動作速度，利得，可制御電力などの点で優れている nチャネルエンハンスメント形が多く用いられており，その特徴をまとめると，以下の通りである (6)．

1. 電圧制御素子なので，駆動電力が小さい．

2. キャリア蓄積効果がないのでスイッチング特性が良い．

3. 二次降伏現象がないので安全動作領域が広い．

本研究で評価したパワー MOSFETは，どちらも最大定格VDSS=400V であり，その他の定格も近いトランジスタのSi 製の FQP17N40 ( FAIRCHILD 社製) および SiC 製のSCTMU001F ( Rohm社製)である．寄生インピーダンスを考慮するために，ともに TO-220 パッケージ品のものを使用する．今回用いたパワー MOSFETについて，それぞれの特徴を以下に紹介する．

<2.1> Si製パワーMOSFET (FQP17N40)(7)

DC-DCコンバータ，モータドライブ用に市販されているパワー MOSFET であり，n チャンネル形である．絶対最大定格は，ドレイン-ソース間電圧：VDSS=400V，ドレイン電流：ID=16A (@25C)，ID=10.1A (@100C)，IDM=64A

(@pulse)，ゲート-ソース間電圧 VGSS=±30V，ジャンクション温度：150Cである．また，オン抵抗：RDSS=0.27Ω，入力容量：Ciss=1800pF，出力容量：Coss=270pF，帰還容量：Crss=30pF，スイッチング時間 (ターンオン時間 td(on)，上昇時間 tr，ターンオフ時間 td(off)，下降時間 tf) は，それぞれ 40ns，185ns，90ns，105nsである．図 2に使用した Si製パワーMOSFETの外観を示す．

図 2 SiパワーMOSFET：FQP17N40Fig. 2. Silicon power-MOSFET：FQP17N40

<2.2> SiC製パワーMOSFET (SCTMU001F)(8)

オーディオ用に開発され，DC-DCコンバータ，モータドライブ，パワーアンプなどオーディオ機器用途として，市販されているMOSFETである．絶対最大定格は，ドレイン-ソース間電圧：VDSS=400V，ドレイン電流：ID=20A (@25C)，IDM=60A (@pulse)，ゲート-ソース間電圧 VGSS=−6V～22V，ジャンクション温度：150C である．また，オン抵抗：RDSS=0.12Ω，入力容量：Ciss=1218pF，出力容量：Coss=102pF，帰還容量：Crss=14pF，スイッチング時間 (ターンオン時間 td(on)，上昇時間 tr，ターンオフ時間 td(off)，下降時間 tf)は，それぞれ 22ns，23ns，67ns，30nsである．図3に使用した SiC製パワーMOSFETの外観を示す．

図 3 SiCパワーMOSFET：SCTMU001FFig. 3. Silicon carbide power-MOSFET：SCTMU001F

3. 静特性の測定と評価

本節では SiCパワーMOSFETと SiパワーMOSFETの静特性の評価について述べる．

図 4 B1505Aおよび B1259Aの外観Fig. 4. Appearance of B1505A and B1259A

<3.1> 測定器具

本研究でパワー MOSFETの静特性の測定を行った際に使用したのはパワー・デバイス・アナライザ／カーブトレーサ (B1505A，Agilent社製)とテストフィクスチャ(N1259A，Agilent社製) である．B1505Aは最大ピーク電圧 10kV，最大ピーク電流 1500A，最大ピークパワー 22.5kWを有する装置である．Windows R⃝ ベースで EasyEXPERTソフトウェアを用いて測定を行った．N1259はインターロック機構を備えており，ロックされていない場合には 42V以上の電圧が出力されないよう設計されている．また，N1259AにはTO-

220パッケージに対応したインラインパッケージ・ソケットモジュール (N1259A-010，Agilent社製) が付属されており，パワー MOSFETを差し替えることで Siパワー MOSFET

2／ 6

と SiCパワー MOSFETの測定を行う．図 4に静特性の測定装置の外観を示す．

<3.2> SiパワーMOSFET

Ids-Vds 特性測定機器の電力の制限より，ゲート-ソース間電圧 Vgs

を 5.5V～8.0Vまで 0.5V間隔で Ids-Vds 特性の測定を行った．図 5(a)の各ゲート-ソース間電圧 Vgs の Ids -

Vds 特性において，一定以上の電圧がドレイン-ソース間に印加されると電流が急激に上昇を始めておる．

Ids-Vgs 特性ドレイン-ソース間電圧 Vds を 10V，20V，30V，40V

に固定し，Ids-Vgs 特性の測定を行った．図 5(c)から，各ドレイン-ソース間電圧 Vdsの Ids-Vgs特性において，ゲート-ソース間電圧 Vgs が 4.5Vを超えると電流が増加し始めて，5V 以上線形に上昇していく．線形領域のフィッティング関数を引いて，X軸との交点がしきい値電圧である．ドレイン-ソース間電圧 Vds が 10V，20V，30V，40Vにおいてのしきい値電圧 Vthがそれぞれ 5.15V，5.14V，5.13V，5.12Vであり，ドレイン-ソース間電圧が 10V増加につれしきい値電圧 Vth が 0.01V

づつ減少することがわかった．その原因として，障壁低下効果 (Drain-Induced-Barrier Lowering：DIBL)(9)

(10) が考えられる．

C-Vds 特性入力容量：Ciss，出力容量：Coss，帰還容量：Crssとも，ドレイン-ソース間電圧 Vdsの増加により減少し，ドレイン-ソース間電圧 Vds が 1Vを超えると減少し，ドレイン-ソース間電圧 Vds が 10V付近で，急激に減少したあと，一定値になることが確認できた．

<3.3> SiCパワーMOSFET

Ids-Vds 特性測定機器の電力の制限により，ゲート-ソース間電圧Vgs を 6.0V～10.0Vまで 1.0V間隔で Ids-Vds 特性の測定を行った．図 5(b)から，Si製パワーMOSFETと同様に，一定以上の電圧がドレイン-ソース間に印加されるとドレイン電流 Ids が急激に上昇を始めることが確認できた．

Ids-Vgs 特性ドレイン-ソース間電圧 Vds を 10V，20V，30V，40V

に固定し，Ids-Vgs 特性の測定を行った．ゲート-ソース間電圧 Vgs がしきい値電圧を超えるとドレイン電流Ids が急激に上昇していることが確認できた．線形領域のフィッティング関数より，ドレイン-ソース間電圧Vdsが 10V，20V，30V，40Vにおいてのしきい値電圧Vthがそれぞれ 5.65V，5.60V，5.56V，5.52Vであることがわかった．

C-Vds 特性入力容量：Ciss，出力容量：Coss，帰還容量：Crssとも，ドレイン-ソース間電圧 Vdsの増加により減少し，ドレイン-ソース間電圧 Vds が 1Vを超えてから急激に減少し，Vds=2V付近で安定な値になることが確認できた．

0.1

1

10

0.1 1 10

Vgs=5.5 [V]

Vgs=6.0 [V]

Vgs=6.5 [V]

Vgs=7.0 [V]

Vgs=7.5 [V]

Vgs=8.0 [V]

Vds [V]

Ids [

A]

(a) Si 製 MOSFET の Ids-Vds

特性

0.1

1

10

0.1 1 10

Id [

A]

Vds [V]

Vgs=6V

Vgs=7V

Vgs=8V

Vgs=9V

Vgs=10V

(b) SiC製MOSFETの Ids-Vds

特性

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5 6 7

Id [

A]

Vgs [V]

Vds=10VVds=20VVds=30VVds=40V

fitting Vds=10Vfitting Vds=20Vfitting Vds=30Vfitting Vds=40V

(c) Si製MOSFETの Ids-Vgs特性

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5 6 7

Id [

A]

Vgs [V]

Vds=10VVds=20VVds=30VVds=40V

fitting Vds=10Vfitting Vds=20Vfitting Vds=30Vfitting Vds=40V

(d) SiC製MOSFETの Ids-Vgs

特性

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0.1 1 10

Ca

pa

cita

nce

[p

F]

Vds [V]

Ciss=Cgs+Cgd

Coss=Cds+Cgd

Crss=Cgd

(e) Si 製 MOSFET の C-Vgs 特性

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0.1 1 10

Ca

pa

cita

nce

[p

F]

Vds [V]

Ciss =Cgs+Cgd

Coss =Cds+CgdCrss =Cgd

(f) SiC 製 MOSFET の C-Vgs

特性

図 5 静特性の測定結果Fig. 5. Static characterization

<3.4> SiC製と Si製の比較

Ids-Vds 特性図 5(a) と図 5(b) から Si パワー MOSFET の Ids-Vds

曲線の線形領域はゲート-ソース間電圧 Vgsが変わっても非常に近い値になっている．SiパワーMOSFETのオン抵抗 Ron はゲート-ソース間電圧 Vgs に依存しないことがわかった．SiCパワーMOSFETの Ids-Vds曲線の線形領域はゲート-ソース間電圧 Vgsの増加によって値が大きくなり，オン抵抗Ronはゲート-ソース間電圧 Vgs の増加につれ大きくなることがわかった．

Ids-Vgs 特性図 5(c)と図 5(d)から SiパワーMOSFETのしきい値電圧 Vthは変わらないが，Ids-Vgs曲線の線形領域の傾き (相互コンダクタンス gm) がドレイン-ソース間電圧の増加につれ大きくなる．SiCパワー MOSFETのしきい値電圧 Vthはドレイン-ソース間電圧の増加につれ

3／ 6

減少していくが，線形領域の傾き (相互コンダクタンス gm) が変わらないことがわかった．

C-Vds 特性図 5(e)と図 5(f)から，SiパワーMOSFETの容量は値も，変化量も SiCパワーMOSFETより大きいことがわかった．

4. 動特性の測定と評価

本節では SiCパワーMOSFETと SiパワーMOSFETの動特性の評価について述べる．

<4.1> 測定回路

パワー MOSFETのスイッチング特性評価のための測定回路を図 6に示す．ここで，パワーMOSFETのゲート駆動を行う制御回路とドレイン-ソースを接続した主回路側において取り扱われる電圧と電流の値が大きく異なるため，絶縁ゲートドライブ回路による動作を実現する必要があり，RF

絶縁式ゲートドライブ回路 Si8235 (SILICON LABS 社製)

を選定した．(6) ドレイン-ソース側の主回路の入力直流電源 (P4K-80M，松定プレシジョン社製) を VDD として，負荷抵抗 Rdsを 10Ωに設定する．ゲート抵抗 Rg は 10Ωとして，ソケットによりパワー MOSFETを交換してスイッチング特性を測定し，比較する．各電源とゲートドライブ回路間には，バイパスコンデンサとして，電解コンデンサーC1 (50V，10µF)を挿入した．ゲートの入力信号 VIBには任意波形ファンクションジェネレータ (1160A，KEYSIGHT

TECHNOLOGIES社製) を用い，高周波スイッチング動作を行った．また，本研究の測定回路は各線路の寄生インダクタンス，寄生キャパシタンスを極力減らすように制作した．図 7に製作し，測定を行った回路の外観を示す．

VIA

VIB

VDDI

GNDI

DISABLE

NC

NC

VDDI

VDDA

VOA

GNDA

NC

NC

VDDB

VOB

GNDB

5V

R=

10 o

hm

R=10 ohm

GD

Input

図 6 動特性の測定回路の回路図Fig. 6. measurement circuit

図 7 動特性の測定回路の外観Fig. 7. Appearance of the measurement circuit

1ms

250~50ns

図 8 測定用入力信号Fig. 8. Image of measurement signal

<4.2> 入力信号

VDD を 40Vまでかけ，入力信号の duty比を 50%とし，発熱を抑えるために，次のような入力信号を考えた．図 8

のように，1ms の間に，所望の周波数の矩形波を 3 周期分並べ，高周波数の矩形波を模擬する．この手法により，周期信号と比べて，電力を大幅に削減することができ，矩形波に対する周波数特性も測定できるようになる．本研究で使用した周波数は 2MHz，5MHz，10MHzである．

<4.3> 実験結果と評価

VDD=40V，周波数 2MHz，5MHz，10MHzの測定結果を図 9 に示す．動作周波数の増加に伴って，出力の遷移時間の割合が増えており，duty比が 50％から増えていく．

Si製パワーMOSFET：FQP17N40

ゲート-ソース間電圧Vgsは，全部の周波数において，状態切り替え時のサージ電圧が大きく，2MHz，5MHzにおいて，OFF状態になるときは 0Vまで下がる．10MHz

においては遷移時間が長いため，しきい値電圧まで下がり切れず，10V付近で上下することが確認できた．

2MHz，5MHz においては入力の切り替えに応じてスイッチング動作することが確認できた．10MHzにおいて，ゲート-ソース間電圧が 10V付近で上下することで，しきい値電圧より高い電圧であるため，スイッチング動作機能が出来なくなり，ON状態を保っていた．

SiC製パワーMOSFET：SCTMU001F

ゲート-ソース間電圧 Vgs は，全部の周波数において，サージ電圧が小さく，ゲートドライブ回路の出力に応じて状態の切り替えを行い，ON状態では 15Vまで上

4／ 6

り，OFF 状態では 0V まで下がることが確認できた．静特性の C-Vds 特性から SiCパワーMOSFETの容量が小さいであるため，スイッチング動作が早いと考えられる (11)．

ドレイン-ソース間電圧 Vdsは，2MHz，5MHz，10MHz

とも上昇時間が 25ns，下降時間が 15nsである．合わせて 40ns程度は状態遷移であり，10MHzにおいては，1周期 100nsの割合が大きくなっていることが確認できた．

400 500 600 700 800 900

Time [ns]

VOB

Vo

lta

ge

[V

]

0

20

40

0

20 0

20

Vin

Vgs

Vds

0

20

(a) Si製MOSFETが 2MHzでの入出力波形

400 500 600 700 800 900

Time [ns]

VOB

Vo

lta

ge

[V

]

0

20

40

0

20 0

20

Vin

Vgs

Vds

0

20

(b) SiC 製 MOSFET が 2MHzでの入出力波形

150 200 250 300 350 400 450

Time [ns]

VOB

Vo

lta

ge

[V

]

0

20

40

0

20 0

20

Vin

Vgs

Vds

0

20

(c) Si製MOSFETが 5MHzでの入出力波形

150 200 250 300 350 400 450

Time [ns]

VOB

Vo

lta

ge

[V

]

0

20

40

0

20 0

20

Vin

Vgs

Vds

0

20

(d) SiC 製 MOSFET が 5MHzでの入出力波形

0 50 100 150 200 250 300 350

Time [ns]

VOB

Vo

lta

ge

[V

]

0

20

40

0

20 0

20

Vin

Vgs

Vds

0

20

(e) Si製MOSFETが 10MHzでの入出力波形

0 50 100 150 200 250 300 350

Vo

lta

ge

[V

]

Time [ns]

VOB

0

20

40

0

20 0

20

Vin

Vgs

Vds

0

20

(f) SiC製MOSFETが 10MHzでの入出力波形

図 9 2MHz-10MHzの測定結果Fig. 9. Result of the measurement in 2MHz - 10MHz range

<4.4> 対策

前節の測定では，10MHzにおいて，SiパワーMOSFETはスイッチング動作ができないとのことが確認でき，10MHzでもスイッチング動作できるように，以下の調整をした．ゲートドライブ回路の入力信号 Vinの周波数を 10MHzに保ったまま，入力信号の duty比を 50％から 30％にすることで，SiパワーMOSFETのゲート-ソース間電圧 Vgs のターンオフ時間を作る．SiCパワーMOSFETは最低限のスイッチング動作はできたが，ON状態の占める割合が多いため，duty

比を 50％から 45％まで下げた．duty比を調整した上で測定した結果を図 10に示す．図 10(a)から，SiパワーMOSFETのゲート-ソース間電

圧 Vgs については，全部の周波数においては，状態切り替え時のサージ電圧が大きく，2MHz，5MHzにおいて，OFF

状態になるときは 0Vまで下がる．10MHzにおいては遷移

時間が長いため，0Vまで下がり切れず，しきい値電圧付近でON-OFF状態の切り替えを行なっていた．ドレイン-ソース間電圧 Vdsはゲート- ソース間電圧 Vgsの状態遷移に応じてスイッチングできるようになったことが確認できた．図 10(b)から，SiCパワー MOSFETのゲート-ソース間

電圧は変わらず 0V-15Vの状態遷移特性を示した．ドレイン-ソース間電圧が duty比 50％に近づくことことが確認できた．

VOB

0 50 100 150 200 250 300

Voltage [V

]

Time [ns]

0

20

40

0

20 0

20

Vin

Vgs

Vds

0

20

(a) duty 比調整後の Si 製 MOSFET 入出力波形

0 50 100 150 200 250 300 350

Vo

lta

ge [

V]

Time [ns]

VOB

0

20

40

0

20 0

20

Vin

Vgs

Vds

0

20

(b) duty 比調整後の SiC 製 MOSFET 入出力波形

図 10 duty比調整後の 10MHzでの入出力波形Fig. 10. pattern at 10MHz after the duty ratio adjustment

5. 結論

本論文は，スイッチング電源回路に用いられるバルブデバイスとして，パワーMOSFETに着目し，Si製パワーMOS-

FET FQP17N40と SiC製パワーMOSFET SCTMU001Fの2種類において，それらの静特性および動特性に着目して比較と評価を行った．以下で得られた結果をまとめる．静特性評価においては，Ids-Vds特性，Ids-Vgs特性，C-Vgs

特性の比較を行った．その結果からはワイドギャップ半導体デバイスの特長である導通損の低減が確実であり，Si製パワーMOSFETのしきい値電圧は一定であるが，SiCパワーMOSFETのしきい値電圧はドレイン-ソース間電圧 Vdsの上昇に伴い減少することが確認された．SiCパワーMOSFET

の寄生容量の値，Vdsによる変動量とも SiパワーMOSFET

より小さいことが確認された．動特性評価においては，選定されたゲートドライブ回路

Si8235を用いて測定回路を実装し，2MHz，5MHz，10MHz

5／ 6

でのスイッチング特性の測定・評価を行った．10MHzにおいての測定では，Si製パワーMOSFETのゲート-ソース間電圧 Vgsが非常に不安定な故，スイッチング動作が不可能であった．SiCパワーMOSFETは最低限のスイッチング動作はするが，出力側の遷移時間 40ns程度であり，矩形波にならないことが確認された．入力信号の duty比を調整することにより SiパワーMOSFETがスイッチング動作はするが，ゲート-ソース間電圧 Vgsがしきい値電圧付近でON-OFF動作するため，ノイズに弱い．SiC パワー MOSFET の出力には遷移時間が占める割合が多いが，ゲート-ソース間電圧Vgs は 0V-15V で ON-OFF動作することが確認された．以上の結果により，スイッチング周波数として 10MHzが

可能であり，さらに回路の設定の調整により，13.56MHzスイッチング達成の手がかかりを得たと言える．今後の課題として，電力変換効率向上のために，10MHz以

上のスイッチング周波数においては，SiCパワーMOSFET

の出力の遷移時間による損失を考慮した上で，さらに回路構成に伴う寄生成分を含めた回路設計を行う必要がある．

謝辞

本研究は独立行政法人科学技術振興機構，京都地域スーパークラスタープログラムによる．

文　　　献

(1) 日経エレクトロニクス: 飛躍する SiCと GaN (日経BP社, 2013) pp. 8–28.

(2) I. Makoto: “Challenges Toward Smaill Size, Fast Re-

sponse, High Efficiency, and Beyond”: FUJI ELEC-

TRIC JOURNAL.

(3) ROHM SEMICONDUCTOR: SiC パワーデバイス/

モジュール アプリケーションノート (8 2014).

(4) Kazuo Arai: “R&D of SiC semiconductor power de-

vices and strategy towards their practical utiliza-

tion”.

(5) Takashi Fumino: “A Study on High Speed Gate

Drive Circuit forHigh Frequency Switching of Power

MOSFET”: Master’s thesis: Kyoto University

(2013).

(6) Nobuo SATOU, Hidekazu YAMAMOTO: “Static

and dynamic characterization of Silicon carbide

power-MOSFET”.

(7) FAIRCHILD SEMICONDUCTOR: FQP17N40

Datasheet (11 2013).

(8) ROHM SEMICONDUCTOR: SCTMU001F

Datasheet (12 2013).

(9) N. Arora: Mosfet Modeling for VLSI Simulation:

Theory And Practice (World Scientific, 2007) p. 197.

(10) Y. Tsividis: Operational Modeling of the MOS Tran-

sistor(Second Edition ed.) (New York:McGraw-Hill,

1999) p. 268.

(11) Rui Murakami, Shoichi Hara, Kenichi Okada, Akira

Matsuzawa: “Design Optimization of LC-VCO in

Consideration of Parastic Capacitance”: SASIMI,

Okinawa, R5-1.

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