縦型GaNが切り拓く次世代電源設計 ― ゲートドライブ編 ― - 半導体事業

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設計アナログディスクリートパワーデバイスオンセミ

はじめに

次世代パワーデバイスとしてGaNの採用が拡大する中、ゲートドライブ回路の設計容易性と信頼性が重要な差別化要素となっています。
特に近年注目される**Vertical GaN（以下縦型GaNと呼称）**は、従来のSiC MOSFETおよび横型GaN（HEMT）と比較して、ゲートドライブ要件において大きな特徴を有しています。
本稿では、ドライブ電流・回路構成・耐性・信頼性の観点から比較します。

各デバイスの基礎構造と影響

デバイス	構造	ゲート特性への影響
SiC MOSFET	MOS構造 (酸化膜ゲート)	高いQg・高電圧駆動必要
横型GaN (HEMT)	AlGaN/GaNヘテロ	低Qgだが繊細、誤作動起きやすい
縦型GaN	GaN-on-GaN + 垂直JFET構造	低Qg + 高耐圧 + 高い堅牢性

表1：各デバイスの基礎構造と影響

表1を見ての通り縦型GaNは従来FETのようなゲートにMOS構造を有していません。そのためゲート端子の耐性は非常に高いです。

図1は縦型GaNのモデルです。容量は全てジャンクション容量でMOS容量が存在しません。
動作的に説明すると、FETのCGDがMOS容量だと、FETがオフ時CGDの充電を介して、ゲート電圧が上昇し誤オンします。
縦型GaNのCGDはジャンクション容量なので、ドレイン電圧VDの電圧上昇と共に容量値は大きくなりますが、CGD充電時のゲート電圧上昇はDGSのダイオードを介して瞬時に放電されるので、MOS-FETのような誤オン動作はしません。
よって従来、ゲートドライブにあったミラークランプ回路が不要です。
メーカーではスイッチング10MHzにおいても誤オンせず、正常動作が確認できています。

ドライブ電流とドライブ回路

縦型GaNの閾値電圧Vthは2.5V前後とSiCに比べ低いです。しかし前述したように誤オンしづらい構造を有しているので、ドライブ回路は、シリコンやSiCより簡素化が可能です。

1. ゲートはMOS容量ではないので瞬間的なチャージ用の大電流回路が不要です。J-FET構造なので空乏層消失のためのキャリヤは必要だが本デバイスであれば、最大100mA程度のゲート電流でフルオンできます。

2. オフ時はキャリヤが自然消滅動作なので強制的な放電(ミラークランプ）回路が不用です。さらにゲートの負電圧バイアスも不要です。

3. 縦型GaNのゲート構造はジャンクション構造なので電流駆動型デバイスです。耐圧はジャンクションの逆耐圧で決まります。ゲートドライバーのシンク電流能力を最適化すれば、先に書いたように負電圧は不用なので、初期設計にゲート耐圧を考慮する必要はないです。

4. 縦型GaNは高耐圧・高速スイッチング用途で今後需要が伸びていくと予想できます。特に、ゲートの高速スイッチング回路において今後キー技術となるのがデッドタイム回路形成と考えます。シリコン、SiC-FETだとデッドタイムは抵抗、ダイオードで決めていましたが、縦型GaNではより短時間の形成が必要になるため、高周波ダイオード、抵抗、コンデンサーで回路構成していくことになります。