物事は、見方によって良くなったり悪くなったりするのは面白いものです。電気が使われるようになったときから、完璧なスイッチは存在していました。少なくとも18世紀のボルタのような実験者たちは、そう考えて、真鍮、木、磁器を使って電気アイソレーターを作りました。閉じた状態では抵抗がほとんどなく、「開いた状態では漏れがない」、「作る大きさによっては、いくらでも高い電圧に耐えられる」、これで問題は解決していました。

理想から一歩後退した半導体

最初の電子スイッチである真空管は、大きくて損失が大きく、壊れやすいものでした。初期のトランジスターは、高抵抗で耐圧も低く、機械的なものよりはるかに速く反転させることができたことを除けば、さらに後退したものでした。トランジスターの外形は小さかったのですが、小さな電流しか流せませんでした。ショックレーらが発見してから75年、技術者たちはボルタの理想的な解決策に戻ろうと努力してきたが、同時に、MHzの速度でより速くスイッチングしなければならない、小型のままで電流定格を上げなければならない、というプレッシャーもありました。

トランジスターの高出力化を推進したアプリケーションは、もちろんスイッチドモード電源(SMPS)であり、モーター・ジェネレーター・セットを使わずに、高効率でDC/DC の電力変換が可能になりました。 SMPSのアイデアは1959年に特許を取得し、1970年にはテクトロニクス社の7000シリーズのオシロスコープに、バイポーラ接合型トランジスター(BJT)が初めて使用されました。BJTはこの用途では成功しましたが、高出力では効率的な駆動が難しく、数十kHz以上ではスイッチング損失が許容できませんでした。

高速で駆動が容易なMOSFETは、1960年には特許を取得していましたが、初期のバージョンはオン抵抗が大きく、I2Rの「二乗」項により大電流での電力損失が大きくなっていました。しかし、画期的だったのは、MOSFETのゲート駆動のしやすさとBJTのオン特性という理想的な組み合わせを持つIGBTの発明であり、今日に至るまで超高出力コンバーターの実用的なソリューションとなっています。しかし、「実用的」は「理想的」ではありません。最高出力のアプリケーションで許容できないダイナミックロスを避けるためには、IGBTのスイッチング周波数を約10KHz以下に抑える必要があり、大きくて重く、高価な磁気部品を使用しなければなりません。一方、500kHz程度までのスイッチングが可能なMOSFETは、最新の「スーパージャンクション」タイプに進化し、現在では、DC/DC やAC/DC の低・中電力領域で主流となっています。

現代のパワー半導体のおおよその応用分野
現代のパワー半導体のおおよその応用分野

IGBTとシリコンMOSFETの応用分野の差を縮めるために、シリコンカーバイドや窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体が検討されています。これらの半導体は、電子移動度が高く、耐電圧が高いため、スイッチング損失や導通損失の低減が期待でき、デバイスの小型化、低容量化、導通チャネル長の短縮が可能になります。しかし、新材料を用いたスイッチの製造には、GaN HEMTセルを搭載した実用的な基板の熱膨張係数の不一致や、SiC MOSFETの「格子欠陥」や「基底面転位」など、性能や信頼性を低下させる多くの問題がありました。しかし、製造方法の改良により性能は向上し続けており、デバイス、特にSiC MOSFETは現在主流となっており、従来のIGBTによる大電力アプリケーションにも進出しています。

ワイドバンドギャップのデバイスは、ある意味では後退している

SiC MOSFETやGaN HEMTセルは、シリコンMOSFETほど駆動が容易ではなく、最適な性能と信頼性を得るために必要なゲート電圧レベルは重要であり、SiCでは閾値が大きく変化し、ヒステリシスを示します。また、SiC MOSFETのゲート酸化膜の信頼性も疑問視されており、Gan HEMTセルにはアバランシェ定格がないため、大きな電圧ディレーティングが必要となります。もう1つの逆行現象は、「転流」(誘導負荷によって電流が自動的に反転すること)によって逆方向に導通したときのデバイスの性能である。SiC MOSFETは、順方向にバイアスをかけるとボディーダイオードにより約4V低下します。その後逆方向にバイアスをかけるとかなりの逆回復損失が生じます。GaNデバイスが転流すると、逆回復の問題はなくチャネルを介して導通しますが、電圧降下は再び非常に大きくなり、ゲート駆動によって変化します。

前に進むために後ろを振り返る

正しい方向への一歩として、シリコンMOSFETとSiC JFETを「カスコード接続」するという古い技術を「振り返る」ことです。このデバイスは、SiC MOSFETやGaN HEMTセルよりも全体的な損失に対するメリットが大きく、ゲートドライブは安定した閾値を持つためクリティカルではありません。ボディダイオードは高速で、回復損失が少なく、約1.5Vのドロップしかありません。さらに、このデバイスは、ゲートドライブとは無関係に、アバランシェと短絡の定格にも優れています。デバイスは、650V、750V、1200V、1700Vの各クラスがあり、オン抵抗は7mΩ以下からで、さまざまなパッケージが用意されています。また、信頼性に関する懸念を払拭するために、大部分の部品がAEC-Q101に準拠しています。

さらに、これらのデバイスの超高速の立ち上がりと・高速なスイッチングによって生じる課題は、ターンオフのオーバーシュートやリンギングを管理するシンプルなRCスナバによって解決され、これらのSiC FETから最高の性能を引き出すことができます。

完璧なスイッチはまだ見えていない?設計者は常に改良を求めるものですが、SiC FETについては確実に近づいています。

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