逆回復損失が激減！低Qrr SiC MOSFET

SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計

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低Qrr SiC MOSFETが拓くスイッチング制御の自由度

スイッチング損失の削減は高効率電力変換において極めて重要な課題です．従来，スーパージャンクション型のシリコンFETでは，逆回復電荷（Qrr）の影響によりスイッチングのタイミングに厳しい制約がありました．特に高電圧用途においては，Qrrによる損失を抑制するために，クリティカル・コンダクション・モードが主に採用されてきました．

クリティカル・コンダクション・モード（臨界電流モード）では，スイッチング電流が一度ゼロになる瞬間を狙ってデバイスのON/OFFを切り替える必要があり，回路設計やタイミング制御が複雑になるだけでなく，周辺部品も増加しがちです．

SiC MOSFETによる逆回復損失の抑制

SiC MOSFETはボディ・ダイオードの面積が小さく設計されており，その結果としてQrrが非常に小さく抑えられています．これにより，従来のスーパージャンクション型Si FETと比較して，逆回復損失が大幅に低減されます．

この特性により，スイッチング・タイミングの自由度が大きく向上し，従来は実現困難だったコンティニュアス・コンダクション・モード（連続モード）での動作も容易に実装できます．連続モードでは電流がゼロにならないため，電流リプルが減少し，磁性部品の設計も容易になります．

実装上の技術的な利点

低QrrのSiC MOSFETを用いることで，以下のような技術的利点が得られます．

1. 逆回復損失が少なく，高効率なスイッチングが可能
2. コンティニュアス・コンダクション・モードでの制御が実現しやすい
3. タイミング制御の自由度が高く，回路設計が簡素化できる
4. 周辺部品の数やサイズを削減でき，全体の小型化につながる

高電圧アプリケーションにおいても，低Qrr特性を活かすことで，今まで不可能だった回路構成や制御が実現可能になります．

まとめ

SiC MOSFETの低Qrr特性は，高電圧回路におけるスイッチング損失の削減と制御自由度の向上に貢献します．これにより，従来困難であった連続モード制御が容易に設計でき，回路の小型・高効率化が加速します．

Qrr（逆回復電荷）の本質

Qrrとは「Reverse Recovery Charge」の略で，電力半導体デバイスにおけるダイオードのスイッチング動作に関連する重要なパラメータです．順方向に電流が流れていたダイオードが逆方向へバイアスされる際，一時的に逆方向電流が流れる現象があり，このときに蓄積されていたキャリアが放出される量をQrrと呼びます．

Qrrが大きいと，逆方向電流が流れる時間が長くなり，その間に大きな電力損失が発生します．特に高周波スイッチング回路ではこの損失が無視できず，熱設計や制御回路の複雑化を引き起こします．

低Qrrデバイスの意義

SiC MOSFETは，このQrrを大幅に低減できる特徴をもっています．従来のSiベースのスーパージャンクションFETでは，ボディ・ダイオードのキャリア蓄積量が多く，Qrrも大きくなりがちです．それに対し，SiCではキャリアの再結合速度が速く，デバイス構造もボディ・ダイオードの面積を小さくできるため，Qrrが非常に小さくなります．

この低Qrr特性によって，スイッチング時に生じる電力損失が抑えられ，デバイスの温度上昇も緩やかになります．冷却機構や部品の信頼性にもよい影響を与え，システム全体の最適化に寄与します．

Qrr低減による回路設計の変化

Qrrが小さいということは，スイッチングのタイミングに対する制約が少なくなるという意味です．従来はQrrの影響を避けるために，電流がゼロになる瞬間を狙ったクリティカル・コンダクション・モードを採用していましたが，SiCによってコンティニュアス・コンダクション・モードが使いやすくなります．

連続モードでは，制御が簡潔でスイッチング損失も低く抑えられます．周辺部品の数を減らすことも可能で，小型かつ効率的な電力変換装置の構築が実現します．

まとめ

Qrrは高周波スイッチング回路の効率と信頼性を左右する重要な因子です．SiC MOSFETによってこの損失を抑えられることで，設計の自由度が高まり，電源回路の性能と信頼性が向上します．

〈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．