GaNの高速スイッチング時に問題となるセルフターンオンの発生リスクの低減方法｜用語集

GaNデバイスの高速スイッチング時に問題となるセルフターンオンは、主にミラー効果によって発生する誤作動です。これを低減するには、ゲート駆動回路の改善とレイアウトの最適化が重要となります。

セルフターンオンのメカニズム

ハーフブリッジ回路では、一方のスイッチがオフからオンに切り替わる際、ドレイン・ソース間の電圧が急峻に変化（高い $dV/dt$ ）します。この $dV/dt$ によって、ゲート・ドレイン間容量 $C_{gd}$ （ミラー容量 $C_{rss}$ ）を介してゲート・ソース間に電流が流れ込み、ゲート・ソース間電圧Vgsを上昇させます。このとき、ゲート・ソース間電圧VgsがGaNデバイスの低い閾値電圧Vthを超えると、本来オフであるべきデバイスが誤ってオンになってしまい、短絡（シュートスルー）を引き起こす可能性があります。

この問題の根本は、CrssとCiss（ゲート・ソース間容量CgsとCgdの合計）の容量比にあります。GaNデバイスは一般的にCgsに対してCgdが小さい傾向にありますが、それでも高速スイッチングによる $dV/dt$ の影響を無視できません。

セルフターンオンのリスク低減方法

セルフターンオンのリスクを低減する主な方法は以下の通りです。

1. 負のゲートバイアスの使用

ゲートオフ時に負の電圧（例：-2V）を印加することで、Vgsが閾値電圧Vthを上回ることを防ぎ、ノイズに対する耐性を高めます。これにより、安全マージンが大幅に向上します。

2. ミラークランプ回路の導入

ゲート駆動回路にミラークランプ回路を追加する方法です。この回路は、スイッチオフ時にゲート・ソース間を低インピーダンスで短絡させ、Crssを介して流れ込む電流をグランドにバイパスさせることで、Vgsの上昇を効果的に抑制します。

3. ゲート抵抗の最適化

ターンオフ用のゲート抵抗 $R_{GOFF}$ を小さくすることで、ゲートから電荷が速やかに引き抜かれ、Vgsの上昇を抑制できます。ただし、RGONとRGOFFの値を独立して調整できる独立型ゲートドライバーICが有効です。

4. レイアウトの最適化

寄生インダクタンスを最小限に抑えることが非常に重要です。特に、共通ソースインダクタンス（ $L_{s}$ ）は、スイッチング時に発生する電圧スパイクをゲートに誘導し、セルフターンオンを悪化させる最大の要因となります。ゲート駆動ループとパワーループを可能な限り短く、そして太くすることで、寄生インダクタンスを最小化できます。

Crss/Cissの容量比について

Crss/Cissの比率そのものを物理的に下げることは、GaNデバイスの構造上の特性に依存します。しかし、デバイス選定の際にはこの比率が小さいほど、セルフターンオンのリスクが低いと判断できます。一般的に、GaNデバイスはSi-MOSFETに比べてこの比率が小さい傾向にあり、それが高速スイッチング性能の一因となっています。

また、カスケード接続GaNデバイスのように、より高いVth $を持つSi-MOSFETと組み合わせることで、実質的な$ Vthを上げてセルフターンオン耐性を向上させる手法もあります。

この図は、セルフターンオン現象を分かりやすく解説しています。

出典：第 4 世代 SiC MOSFET ディスクリートパッケージ諸特性と回路設計の注意点アプリケーションノート (ROHM)

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【本パワエレ基礎コースの目次】

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２．損失の考え方と電力変換の高効率化 a)電力変換とは？その測定例 b)高効率が求められる背景 c)MOSFET損失の簡単な計算例 d)Web回路シミュレーターの活用

３．次世代パワーデバイスの種類と概説 a)Si-IGBTの新構造が続々登場 b)シリコンカーバイド c)窒化ガリウム d)酸化ガリウム e)ダイヤモンド

４．パワーデバイスの最新応用例（特にSiCなど次世代パワーデバイスを中心に解説） a)PFC回路 b)サーバー、通信 c)太陽光発電 d) 蓄電システム e) ＵＰＳ f)インダクション・ヒーター g)急速充電 h) ワイヤレス給電 i) 電気自動車への利用（オンボード充電器、トラクションモーター）

５. その他(本シリーズ外で動画公開中＋順次新規公開) a)パワーデバイスの市場動向(２，３カ月毎) b)パワーMOSFETの高性能を引き出す設計例 c)新興アプリケーション紹介

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出典：SiCパワー半導体推進部

GaNの高速スイッチング時に問題となるセルフターンオンの発生リスクの低減方法