Si FETとJFETを縦積み！カスコード型 GAN FET

SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計

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カスコード構成でGaNやSiCを扱いやすく

GaNやSiCを用いた高耐圧・高速スイッチング・デバイスは，効率のよい電力変換を実現するために不可欠です．ただし，これらの材料を用いたFETでは，ノーマリ・オフの動作を自然に実現することが難しいという課題があります．特にノーマリ・オンのJFETでは，電源投入時に意図せず通電してしまう危険があり，制御が複雑です．

この課題を解決する手法の1つが，Si MOSFETとノーマリ・オンのSiC JFETを縦に接続する「カスコード構成」です．この構成では，下段に低耐圧Si MOSFETを配置し，その上に高耐圧SiC JFETを重ねることで，全体としてノーマリ・オフ動作を実現します．

動作原理と制御方法

SiC JFETはゲート電圧が0Vではノーマリ・オンとなり，通電状態になります．これをOFFにするには，ソースに対してゲート電圧を-10Vほど下げる必要があります．しかしこの制御は一般的なゲート・ドライバでは難しく，運用のハードルが高いです．

ここでSi MOSFETが活躍します．MOSFETがOFFの状態では，JFETのソース電位が10V程度までもち上がり，ゲート電圧との差が-10VとなってJFETはOFFになります．一方でMOSFETがONになるとソース電位が0V付近に下がり，JFETのゲートソース間電圧が0VとなりON状態に切り替わります．

このように，低耐圧のMOSFETを介して高耐圧のJFETを制御することで，全体としてノーマリ・オフの動作が可能になります．

カスコード構成の利点

1. ノーマリ・オン・デバイスをノーマリ・オフとして動作させることができる
2. シリコンMOSFETの標準的なゲート電圧で高耐圧デバイスを制御できる
3. 逆方向通電時の電圧降下を小さく抑えられる
4. JFET構造がシンプルなためチップ面積を小さくできる
5. オン抵抗を低く抑えやすく，発熱を抑えた設計が可能

特に逆方向の電流制御において，シリコンMOSFETのボディ・ダイオードが機能することで，電圧降下が1V程度に抑えられます．通常のSiC MOSFETでは3V近い降下が発生するため，この違いは大きな利点です．

カスコード接続とは何か

「カスコード接続」とは，2段のトランジスタを縦に直列接続し，それぞれに異なる役割をもたせる構成です．高周波回路や増幅器で使われてきた手法ですが，近年ではGaNやSiCなどのパワー・デバイスでも応用が進んでいます．ここでは特に，ノーマリ・オンのSiC JFETとSi MOSFETを組み合わせた構成に焦点を当てます．

ノーマリ・オンのJFETは，ゲート電圧が0Vのときに通電状態となる性質をもちます．これをOFF状態にするには，ゲート電圧をソース電圧よりも10V程度負にする必要があります．しかしこの条件は，一般的なゲート・ドライバでは対応しづらいという問題があります．

カスコード構成による制御の簡素化

カスコード構成では，下段に配置したSi MOSFETが制御の鍵を握ります．MOSFETがOFF状態のとき，JFETのソース電位が引き上げられ，ゲートとの電位差が-10V程度に達します．これにより，JFETはOFF状態になります．MOSFETがONになると，JFETのソース電位が下がり，ゲート-ソース間の電位差が0Vとなり，ON状態になります．

このように，MOSFETによってJFETのゲートソース間電圧を間接的に制御するしくみが，カスコード構成の本質です．これにより，外部回路はあくまでSi MOSFETを通常とおり制御するだけで済みます．

実装上の注意点と利点

1. JFETのゲートはMOSFETのドレインに接続されるため，MOSFETのドレイン電位の動作波形が重要になる
2. スイッチング中のサージやノイズがJFETのゲートに影響を与える可能性があるため，配線の寄生インダクタンスを最小限に抑える必要がある
3. 逆方向通電時にはSi MOSFETのボディ・ダイオードが電流を導くため，電圧降下が小さい

構造がシンプルで面積効率のよいJFETを活かしつつ，Si MOSFETによって制御性を高めるこの構成は，高効率電力変換回路に適しています．特に高速スイッチングとノーマリ・オフ動作が同時に求められる用途に有効です．

〈著:ZEPマガジン〉

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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．