SiCの成功におけるカスコードの重要な役割

カスコードは、真空管時代にミラー効果を克服するために考案されて以来、非常に有用な構造であることが証明されています。もちろん、ミラー効果は、1920年にジョン・ミルトン・ミラーによって発見されましたが、真空管によって解消されたわけではありません。ミラー効果は、すべてのトランジスターに内在する寄生容量の結果として今日まで続いています。高周波性能を制限することで、今日の電力変換回路のスイッチング速度を制限しています。

設計者は、炭化ケイ素(SiC)技術のエネルギー効率、熱性能、および耐久性の向上を、あらゆる種類の機器のスイッチング電源、コンバーター、およびインバーターに活用しようとしていますが、カスコードは非常に価値のあるものであることが再び証明されました。低電圧シリコンMOSFETと高電圧SiC JFETを同一パッケージに収めたカスコードは、通常のMOSFETゲートドライバーで生成された通常のMOSFETゲート駆動信号を用いて制御することができます。また、JFETは通常オンのデバイスですが、カスコードは通常オフのため、電源回路に適しています。これにより、従来のSiC MOSFETと比較して、SiCカソードの優れたボディダイオード性能を活かすことができます。

しかし、カスコードはミラー効果を効果的に回避しますが、これは入力トランジスターのドレイン電圧を安定化させることによって行われ、トランジスタ自体に内在する寄生効果を排除することによって行われるのではありません。

SiCカスコードの寄生容量。
図1. SiCカスコードの寄生容量。

低電圧デバイスであるシリコンMOSFETは、エネルギー損失への影響を最小限に抑える低RDS(ON)を有しており、SiC製JFETのスイッチング性能の高さと、定格電圧・定格電流に対する良好なRDS(ON)が依然として優位にあります。一方、MOSFETの容量(CDS Si)とJFETの容量(CDS SiC)の間には大きな差が生じることがあります。これは、非常に高い電圧のスイッチング回路でカスコードを使用する場合に、いくつかの問題を引き起こす可能性があります。

CDS Siに対してCDS SiCが大きいと、両デバイスがオフの時にSi MOSFETのドレインに高電圧が発生し、MOSFETの耐圧を超えることがあり、デバイスが故障する可能性があります。さらに、CDS SiCの値が有限であれば、JFETのスプリアスターンオンを引き起こす可能性のある電流パルスを通過させることができ、ソフトスイッチングトポロジーにおけるゼロ電圧スイッチング(ZVS)を防止することができます。また、大電流のターンオフ時に「発散振動」が発生する可能性があり、これは JFET を破壊する可能性があります。

不均衡に対処するには、基本的に 2 つの方法があります。その方法とは1つを増やすか、もう 1つを減らすかです。Huang氏らは静電容量の追加を提案し、大電流ターンオフ動作の改善を実証した。この追加されたキャパシタンスの位置と価値は非常に重要です。

UnitedSiCでは、SiC JFETのキャパシタンスを低減するための最も有望な技術の1つを通じて、この課題に取り組んでいます。図2に示す当社の垂直チャネル構造により、CDS SiCを実質的に無視できる程度にすることができます。この技術を活用することで、SiC カスコードは理想的なスイッチの性能にさらに近づけることができます。

UnitedSiC 垂直チャネル・アーキテクチャーにより、SiC JFET の CDS が無視できるほどの大きさになります。
図2. UnitedSiC 垂直チャネル・アーキテクチャーにより、SiC JFET の CDS が無視できるほどの大きさになります。

SiCカスコードの性能をさらに向上させるために、MOSFETとJFETのダイを積層するなどの工夫をしています。SiC JFETの製造では、ウェーハ1枚あたりの歩留まりが高く、2つのデバイスを積層した状態でもコスト効率の高いカスコードを構築することが可能になります。スタッキングにより、さらなるコスト削減を実現すると同時に、パッケージ内部のインダクタンスをさらに低減し、さらなる高速化と効率化を可能にします。

SiCカスコードは、再生可能エネルギー発電、輸送、民生用技術、スマート産業などの重要な電力変換アプリケーションにおいて、炭化ケイ素の利点を実現する上で、すでに主導的な役割を果たしています。創業から100年近くが経過した現在でも、SiCカスコードはエンジニアリングの課題を克服するのに役立っており、これらの重要なデバイスを進化させ、改善する余地はまだまだあります。

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