概要

ワイドバンドギャップ半導体を用いた高周波スイッチは、電力変換の効率化に貢献します。その一例である炭化ケイ素のスイッチは、SiCのMOSFETとして、またはカスコード構成のSiC FETとして実装することができます。この記事では、SiC FETの起源と最新世代への進化をたどり、その性能を他の技術と比較しています。4回にわたって、物理特性の違い理想的なスイッチに対してのアプローチおよび特徴、信頼性、実アプリケーションにおけるユニークな使い方、について説明します。

SiC FETの信頼性を証明するために

ワイドバンドギャップのスイッチは、高温・高耐圧であることに加え、SiC FETの利点は、高電子線による劣化が問題となるSiC MOSFETのようなSiCゲート酸化膜を使用しないことです。カスコードのSi-MOSFETは、しきい値電圧が高く、ゲート酸化膜が厚い堅牢な低電圧タイプで、さらに内蔵のツェナークランプで保護されています。実際、SiC FETの信頼性は非常に高く、現在では自動車用AEC-Q定格を日常的に達成しています。重要なのは、過電圧や短絡など、意図しないストレスがかかったときの信頼性です。SiC FETには、JFETのドレインゲートが破壊されることで作動する強固なアバランシェ現象があります。

その結果、図3(理想的なスイッチに対してのアプローチおよび特徴編)のRgに流れる電流によって電圧が下がり、JFETがオンになって過電圧がクランプされる。このようにSi MOSFETはアバランシェ現象を起こしますが、アバランシェ保護ダイオードが各セルの製造に含まれているため、高度に制御されており、消費される電力はほとんどありません。SiC MOSFETにもアバランシェ定格があるが、GaN HEMTセルにはないため、メーカーは動作電圧と破壊電圧の間に十分なマージンを確保するために、部品を低電圧で評価する必要があります。

また、SiC FETは穏やかな短絡電流特性を持っています。大電流では、チャネルにかかる電圧降下の勾配により、自然な「ピンチオフ」効果で電流が制限されます。短絡電流は、MOSFETやIGBTとは異なり、ゲート電圧に依存せず、SiC FETのチャネルのオン抵抗の正の温度係数も制限電流を減少させ、ダイ内の個々のセルにストレスを分散させるのに役立ちます。この効果は非常に安定しているため、SiC FETは線形回路の正確な電流制限デバイスとして使用することができます。図6は、750VのSiC FETが8μsのストレスに耐え、劣化していないことを示しています。図7は、1200V定格のSiC FETで、オン抵抗が温度とともに増加し、短絡電流が初期接合部温度にほとんど依存しない最終値まで減少する効果を示しています。

図6 400Vバスからの8µs短絡ストレスに耐えるSiC FET
図6 400Vバスからの8µs短絡ストレスに耐えるSiC FET
図7 SiC FETの短絡電流は初期ジャンクション温度に依存しない
図7 SiC FETの短絡電流は初期ジャンクション温度に依存しない

信頼性を維持するためには、パッケージ化されたSiC FETの温度上昇や温度勾配を最小限に抑える必要がありますが、SiCの熱伝導率はシリコンやGaNの3倍以上であることが強みです。また、最新のデバイスでは、ダイの取り付けにハンダではなく銀の焼結を使用しており、界面の熱伝導率が6倍に向上しているため、ジャンクションの温度上昇を抑え、信頼性を高く保つことができます。

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