SiC シングルトランジスタ駆動におけるクロストークの原理

ローム（ROHM）などのパワーデバイス（特にSiC MOSFETやIGBT）における「シングルトランジスタ駆動」とは、一般的にハーフブリッジ回路などで1つのスイッチング素子を駆動する状況を指します。

この構成において発生する「クロストーク（Crosstalk）」とは、一方のスイッチ（例：上アーム）が動作した際に、もう一方のスイッチ（例：下アーム）のゲート電圧が変動し、予期せぬ誤動作を引き起こす現象を指します。

以下にその原理とメカニズムを詳しく解説します。

1. クロストーク発生の主要因：寄生容量

トランジスタ内部には目に見えない寄生容量が存在します。クロストークの最大の原因は、ドレイン・ゲート間の容量である「帰還容量（C_GD / ミラー容量）」です。

メカニズムのステップ

1. 急峻な電圧変化 (dv/dt): 対向するトランジスタがON/OFFすると、オフ状態にあるトランジスタのドレイン・ソース間電圧（V_DS）が激しく変動します。

2. 変位電流の発生: V_DS の急峻な変化（dv/dt）により、ミラー容量（C_GD）を通じて電流 i = C_GD x (dv/dt) がゲート端子に向かって流れます。

3. ゲート電圧の跳ね上がり（スパイク）: この電流がゲート回路のインピーダンス（ゲート抵抗 $R_G$ など）を流れることで、ゲート・ソース間電圧（V_GS）を押し上げます。

2. クロストークが引き起こす2つの問題

① 正のクロストーク（誤点灯 / Shoot-through）

• 現象: オフしている側のゲート電圧が、変位電流によって閾値電圧（V_GS）を超えてしまう現象。

• リスク: トランジスタが一瞬ONになり、上下アームが同時に導通する「短絡（シュートスルー）」が発生します。これにより過大な電流が流れ、デバイスの破壊や損失増大を招きます。

② 負のクロストーク（負電圧ストレス）

• 現象: 電圧変化の向きが逆の場合、ゲート電圧がマイナス側に振れる現象。

• リスク: ゲート酸化膜に過剰な負の電圧ストレスがかかり、長期的な信頼性（絶縁破壊など）を低下させる可能性があります。

3. SiC MOSFETにおける特有の背景

ロームなどが主力とするSiC MOSFETは、従来のSi（シリコン）製品に比べて**スイッチング速度が非常に速い（dv/dt が大きい）**ため、このクロストーク現象がより顕著に現れやすくなります。

また、SiC MOSFETは一般に閾値電圧（V_GS）が低めに設定されていることが多いため、わずかなノイズでも「誤点灯」のリスクが高まるという特性があります。

4. 主な対策方法

ローム社のアプリケーションノート等では、以下の対策が推奨されています。

• アクティブ・ミラークランプ: ゲート回路内に小さなMOSFETを追加し、オフ時にゲート・ソース間を物理的にショート（低インピーダンス化）して電圧上昇を抑える。

• 負電源駆動: オフ時のゲート電圧を0Vではなく、あらかじめマイナス（例：-3Vなど）に振っておくことで、跳ね上がっても閾値に達しないようにマージンを設ける。

• ゲート抵抗の調整: R_G を調整して dv/dt を制御する（ただし、損失とのトレードオフになります）。

• 4ピンパッケージ（ケルビン接続）の採用: ロームのTO-247-4Lなどのパッケージを使用し、ソース寄生インダクタンスの影響を分離してゲート駆動の安定性を高める。