インダクタンスとサージ電圧

壊れない！壊さない！失敗だらけの電源・インバータ設計

MOSFETの配線インダクタンスと危険なサージ

パワー・エレクトロニクス回路において，配線インダクタンスは無視できない重要なパラメータです．特にMOSFETやIGBTなどのスイッチング素子のまわりでは，その影響が顕著です．幅10mm，長さ30mm，銅箔厚70μmの配線がある場合，インダクタンスはおよそ14nHと見積もられます．

この小さなインダクタンスでも，高速スイッチング時には大きなサージ電圧を生み出します．電流が急激に変化する場合，$V = -L \cdot \frac{di}{dt}$ の関係により，14nHのインダクタンスに対し，電流変化$\frac{di}{dt}$が20A / 8nsの条件であれば，35Vのサージが発生します．

電源電圧が48Vのとき，このサージを加えた電圧は83Vになります．これは一般的なMOSFETの最大定格を簡単に超えてしまいます．SiCやGaNなどの高速デバイスでは，スイッチング速度が速く，サージ電圧も高くなりやすいため，特別な設計配慮が必要です．

高性能デバイスほど設計難易度が上がる

スイッチング性能を最大限に活かすためには，配線インダクタンスを最小限に抑える設計が欠かせません．高速デバイスほど立ち上がり・立下り時間が短く，結果として$\frac{di}{dt}$が大きくなります．このとき，どれほど配線が短くても，ほんの数ナノヘンリのインダクタンスでさえ致命的なサージを生むことがあります．

1. ゲート信号を速くしすぎてデバイスを破壊
2. 配線インダクタンスを見落としMOSFETの定格超過
3. 十分なスナバ回路やクランプ対策がされていない

インダクタンスとは

インダクタンスとは，電流の変化に対して電圧を生じる性質のことです．単位はヘンリ（H）で表され，回路中のインダクタや配線がもつ物理的特性です．これは，電磁誘導の原理に基づいており，時間的に変化する電流が自己の磁場を変化させ，電圧を発生させます．

たとえば，長い直線配線にもインダクタンスは存在し，電流の急変によって電圧スパイク（サージ電圧）を生み出します．電源回路などの高速スイッチング系では，このインダクタンスが重要な設計ファクタになります．

インダクタンスの影響を受ける場面

電力変換器やDC-DCコンバータ，インバータでは，スイッチング素子の近辺で大電流が高速に変化します．このとき，インダクタンスにより不必要な電圧が発生し，MOSFETやIGBTなどのデバイスに過大なストレスを与えることになります．

高速スイッチングが前提となるSiCやGaN素子では，配線インダクタンスの影響が大きく，安全動作のためにはインダクタンス低減対策が不可欠です．

1. 配線長を短くする
2. 配線幅を広くする
3. グラウンドや電源との重ね配線でループ面積を最小にする

設計における注意点

回路の性能だけでなく，安全性を確保するためにも，配線インダクタンスの影響を定量的に把握し，それに応じた設計が必要です．単純なパターン設計でも，$L$が数nHであっても，$di/dt$が数十A/nsであれば数十Vのサージ電圧を生みます．

このようなサージは部品破壊だけでなく，EMI（電磁妨害）やノイズ誤動作の原因にもなります．正確なレイアウトと必要に応じたクランプ回路の導入が求められます．

スイッチング・デバイスの高速化に伴い，配線インダクタンスの影響が顕在化しやすくなっています．高速な$di/dt$と微小な$L$が生み出すサージ電圧は，デバイスの定格を容易に超えます．配線，部品配置，クランプの設計最適化が，安全で高性能な電源設計の鍵です．

〈著:ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 東京工業大学・大学院にてパワーエレクトロニクスの研究を行う．
• 1990年4月　パイオニア総合研究所にて液晶・有機ELの研究に従事．
• 1995年1月　大学時代の隣の研究室の博士とパワーエレクトロニクスの開発サポート
• 2010年10月　マイウェイプラス株式会社を退社後，株式会社デスクトップラボ設立 会社であるマイウェイ技研株式会社を設立．

著書

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．