出力容量（Coss）は効率を悪化させる

SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計

受講無料！7月25日限定再配信［Webinar］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

SiCの性能を引き出す 寄生容量とドライブ回路設計

SiCやGaNといったワイドバンド・ギャップ半導体を用いたパワー・デバイスは，高速スイッチングが可能で，高効率化と小型化に大きく貢献します．しかし，これらの性能を十分に活かすには，内部に存在する寄生容量の影響を理解し，設計段階で適切に扱う必要があります．

寄生容量が及ぼすスイッチング損失

MOSFETには入力容量（$C_{iss}$），出力容量（$C_{oss}$），帰還容量（$C_{rss}$）などの寄生容量が存在します．これらはSi時代から設計者にとって重要な指標でした．SiCやGaN FETも基本構造はMOSFETに近く，この寄生容量に起因する損失への配慮は変わらず必要です．特に高電圧領域になると，$C_{oss}$に関する考慮が設計の要点になります．

$C_{oss}$によりスイッチング時にエネルギが蓄積され，その蓄積エネルギはスイッチ動作時に損失として消費されます．このため，容量値が大きい素子を選定すると，高速スイッチングにおいて不利に働く場合があります．

降圧回路と昇圧回路における損失分布

降圧回路と昇圧回路は基本構成は同じでも，スイッチング損失の発生箇所が異なります．

1. 降圧回路では，高電圧から低電圧に変換するため，トップFETの$C_{oss}$が直接損失につながる
2. 同時に，ボトムFETにおける出力容量は回路側にエネルギが流れるため，熱損失としてはカウントしない
3. 逆回復電流（$Q_{rr}$）はボトムFETで発生し，トップFETの損失を増加させる

一方で，昇圧回路では損失分布が逆転します．

1. トップFETにおいては出力容量に関わる損失は発生しにくい
2. ボトムFETに対し，$C_{oss}$損失と$Q_{rr}$損失が集中する

このように，同じトポロジであっても，動作条件により容量損失の位置と影響が変化します．そのため，デバイス選定や駆動方式の検討時には，寄生容量の性質と損失構造を考慮する必要があります．

設計時に考慮すべきこと

1. SiCやGaN FETのデータシートに記載されている各容量値を確認する
2. 使用するトポロジが降圧か昇圧かで，損失が集中するFETの位置を見極める
3. ドライバ設計においては，容量に応じたゲート抵抗の設定とターンON/OFF時間の最適化が必要

高速スイッチング回路では，寄生容量による損失が大きく設計に影響します．特に高電圧回路では，容量損失の特性を踏まえたデバイス選定と熱設計が重要です．

まとめ

寄生容量による損失は，高速スイッチング素子であるSiCやGaNの性能を制限する要因です．回路トポロジと損失位置の関係を正しく理解し，適切な素子選定と熱設計を行うことが，高効率な電力変換回路設計における基本です．

出力容量C_ossの意味とその影響

MOSFETにおける出力容量（$C_{oss}$）は，ドレイン?ソース間の寄生容量であり，スイッチング時のエネルギ損失に直結します．この容量はFETがオフの状態でも蓄積される電荷に関係し，スイッチオン時にはそれがエネルギとして消費されるため，損失が発生します．

$C_{oss}$はドレイン?ソース間電圧によって変化し，特に高電圧領域では大きなエネルギを蓄積します．このため，高耐圧FETでは$C_{oss}$がスイッチング損失の主因となるケースも多く，高速化の足かせになることがあります．

回路トポロジ別の影響

1. 降圧回路では，$C_{oss}$による損失は主にトップFETに集中する
2. 昇圧回路では，逆にボトムFETの$C_{oss}$が損失源となる
3. この損失は，熱設計時の重要なパラメータになる

容量が大きければ，より多くの電荷がスイッチオンのたびに消費されるため，スイッチング周波数が高い回路では無視できない損失になります．また，$C_{oss}$が大きいと，ターンオン時のドレイン電流の立ち上がりが遅れ，EMIやリンギングの原因になることもあります．

設計における対応策

1. 素子選定時に$C_{oss}$値を確認し，用途に適した容量値のデバイスを選ぶ
2. 駆動回路でのターンオン速度を制御することで過渡的な損失を抑える
3. 並列接続時には，トータルの$C_{oss}$が加算されることに留意する

出力容量は見落とされがちなパラメータですが，実際には損失構造の中核を担う要素です．特にSiCやGaNを用いる際は，この値の扱い方が高効率回路の鍵を握ります．

まとめ

$C_{oss}$はMOSFETにおいてスイッチング損失を左右する重要な寄生容量です．動作トポロジと損失発生箇所の関係を把握し，適切な設計判断を行うことが，電力変換回路の信頼性と効率を両立させる基礎になります．

〈著:ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

• 2003年　パデュー大学大学院を卒業
• 2007年　リニアテクノロジー株式会社にFAEとして入社
• 2017年　アナログ・デバイセズ株式会社 車載ビジネス・デブロップメント・スペシャリスト．主に新製品の企画や開発に携わる

著書

1. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，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】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［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．

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．