Confidential c 2014 ROHM Co.,Ltd. All Rights Reserved 実用化に進むSiCパワーデバイス SiC MOSFETのゲート駆動回路と応用のポイント大阪大学舟木剛 2014年10月9日（金） 13:30～14:15 2014/10/9 CEATEC 1 半導体材料とパワーデバイスの適用領域低損失化の方向高電圧小電流定格電圧耐圧で見たSi,SiC各種パワーデバイスの住み分け 2014/10/9 CEATEC 2 ダイオード 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Si PiN SiC SBD 0.0 0.5 1.0 Vak (V) トランジスタ電圧－電流特性20 Ids (A) Iak (A) Si/SiCデバイス静特性動作点と導通損失 1.5 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Si IGBT SiC MOSFET 0.0 2.0 1.0 2.0 Vds (V) 3.0 4.0 15 20 90 80 70 Si PiN 60 SiC SBD 50 P(W) P (W) 電流－導通損失特性 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Si IGBT SiC MOSFET 40 30 20 10 0 0 2 4 Iak (A) 6 8 10 0 低出力領域での差は無い 2014/10/9 CEATEC 5 10 Ids (A) 低出力領域での差が有り動作時間で積分される 3 太陽光発電用パワコンの出力日射出現頻度 • • • 最⼤出⼒電⼒を得られる⽇射の発⽣時間は⾮常に短い低出⼒電⼒となる⽇射状態が⼤半を占める太陽光発電⽤パワーコンディショナーは低出⼒での効率が重要 – EV,HEVも同様 2014/10/9 CEATEC 4 SiC MOSFETと逆並列SBD 逆耐圧不要電圧型変換器 source gate n+ p body n‐ drift n+ buffer drain ± MOSFET+ MOSFET単独 SBDハイブリッドディスクリートディスクリート SCT2080KE SCH2080KEC モジュールモジュール BSM180D12P2C101 BSM120D12P2C005 電圧源極性一定逆耐圧必要電流型変換器 ↑ モジュール 2014/10/9 AC AC 電流源極性一定ディスクリート CEATEC 5 SiC パワーモジュール（ハーフブリッジ） 300Aパワーモジュール 180Aパワーモジュール SiC MOSFET SiC SBD SiC MOSFET SiC MOSFET+SBD 2014/10/9 CEATEC 6 SiC パワーモジュールの特性電圧-電流導通特性 BSM180D (SBD無) 定格1200V, 180Aパワーモジュール BSM100D(SBD付) 定格1200V, 100Aパワーモジュール 200 200 150 100 0 -2 -50 0 2 4 -2 Vds(V) Vds(V) Vgs=0V 200 Vgs=20V 50 100 Ids(A) Ids(A) 100 -50 0 2 -200 0 -2 -1 0 1 2 -100 -100 Vds(V) 2 300 0 -2 0 BSM300D (SBD付) 定格1200V, 300Aパワーモジュール 150 Vgs=0V Vgs=20V -50 -150 200 2014/10/9 -4 -100 BSM120D (SBD付) 定格1200V, 120Aパワーモジュール -4 0 -6 Vgs=20V -150 -6 50 Vgs=0V -100 -200 100 Ids(A) Ids(A) 50 -4 150 Vgs=0V Vgs=20V -150 -200 -200 -300 CEATEC Vds(V) 7 パワーモジュールの比較電圧-電流導通特性 BSM120D (SBD付) BSM180D (SBD無) BSM300D (SBD付) 順方向電圧電流特性 -6 -4 -2 500 300 400 100 300 -100 0 2 4 200 6 100 -300 -500 0 0 Vds(V) 順方向遮断特性 • 1.E-02 1.E-02 Ids(A) • 8.E-03 • • 4.E-03 2.E-03 10 Vgs(V) 15 20 逆⽅向に電流が流れる期間にチャネルをONすれば導通損失低減可能逆電流は主にSBDを流れる – 6.E-03 5 ボディダイオードの電圧降下⼤ – 120A 180A 300A 1.E-02 120A 180A 300A Ids(A) Ids(A) 120A 180A 300A ゲート閾値電圧 500 逆⽅向はチャネルONでもSBDを流れるゲート閾値電圧は同じ耐圧はMOSFET・SBDの低い⽅ 0.E+00 -2.E-03 0 2014/10/9 500 1000 1500 2000 Vds(V) CEATEC 8 SiCパワーデバイスのアプリケーション DC-DCコンバータ降圧DC-DCコンバータゲート信号と各部電圧・電流リアクトル電流iL Q 電源ゲート信号 ON MOSFET:Q OFF L D 負荷 MOSFET電流iQ ダイオード電流iD 電力の流れ負荷電圧低電圧回路(1.7～5V)ではSiダイオードの立上り電圧(0.6V)の影響大高電圧回路でも，ダイオードの立上り電圧は無視できない 2014/10/9 CEATEC 9 SiCパワーデバイスのアプリケーション DC-DCコンバータ（双方向コンバータ）ゲート信号と各部電圧・電流双⽅向コンバータ降圧動作リアクトル電流iL L Q1 負荷/ 電源負荷/ 電源 Q2 ゲート信号 ON MOSFET:Q1 OFF MOSFET:Q2 ON OFF MOSFET電流iQ1 電力の流れ降圧コンバータ昇圧コンバータ MOSFET電流iQ2 負荷電圧 EV/HEV等の蓄電池⇔インバータ間の充放電制御回路等 →Q1の動作による降圧動作:Q2オフ (Buckコンバータ) ←Q2の動作による昇圧動作:Q1オフ (Boostコンバータ) SiC MOSFETのボディダイオードの電圧降下大 2014/10/9 CEATEC 10 SiCパワーデバイスのアプリケーション DC-DCコンバータ（同期整流回路）同期整流回路/双⽅向コンバータゲート信号と各部電圧・電流デッドタイム Q1 電源リアクトル電流iL L Q2 負荷/ 電源ゲート信号 ON MOSFET:Q1 OFF MOSFET:Q2 ON OFF 電力の流れ MOSFET電流iQ1 MOSFET電流iQ2 負荷電圧 IGBTは逆導通不可能 Q2のボディダイオード導通時にQ2をON（逆電流をQ2のチャネルに流す） Q1，Q2を同時にゲートオフするデッドタイムを設けるスイッチングに時間を要する（理想スイッチではない）ゲートオフ中はボディダイオードに電流が流れる 2014/10/9 CEATEC 11 SiCパワーモジュールの同期整流 25V,6A,BSM180D12PC101(SBD無) 同期整流 30 30 25 ドレイン電圧 25 20 20 15 Vds/Vgs (V) Vds/Vgs (V) 同期整流無し（ボディダイオード） Vgs 10 Vds 5 0 0.0E+00 ‐5 ‐10 5.0E‐06 1.0E‐05 ゲート電圧 time (sec) Vgs 10 5 1.0E‐05 time (sec) 4 5.0E‐06 Ids (A) ドレイン電流 2 （ボディダイオード） 1.0E‐05 0 0.0E+00 ‐2 ‐4 ‐4 ‐6 ‐6 ‐8 ‐8 time (sec) ‐10 ボディダイオードでの5V程度の電圧降下 2014/10/9 5.0E‐06 6 2 ‐10 Vds ‐10 4 Ids (A) 15 0 0.0E+00 ‐5 6 0 0.0E+00 ‐2 Rg=10 CEATEC チャネルON期間 5.0E‐06 1.0E‐05 time (sec) 同期整流による導通損低減 12 高電圧・大電流の同期整流動作 600V,150A:BSM180D12PC101(SBD無) 800 4 800 25 700 2 700 20 ‐2 500 400 ‐4 400 10 300 ‐6 300 5 200 ‐8 200 0 100 ‐10 0 0.0E+00 ‐100 ‐200 Vds Vgs 1.0E‐05 time (sec) ‐14 ‐16 ‐200 5.0E‐06 1.0E‐05 ドレイン電流（ボディダイオード） ‐50 0 0.0E+00 Ids (A) Ids (A) ‐5 5.0E‐06 1.0E‐05 time (sec) ‐100 ‐150 ‐15 チャネルON期間 5.0E‐06 1.0E‐05 ‐100 ‐150 time (sec) ‐200 time (sec) ボディダイオードの逆回復が小さいので，同期整流すれば導通損小 2014/10/9 ‐10 50 ‐50 ‐200 15 Vgs ゲート電圧 50 0 0.0E+00 Vds 100 0 0.0E+00 ‐100 ‐12 5.0E‐06 Vds (V) 500 0ドレイン電圧600 Vgs(V) 600 Vds (V) 同期整流 Vgs(V) 同期整流無し（ボディダイオード） Rg=10 CEATEC 13 高電圧・大電流の同期整流動作 600V,250A:BSM300D (SBD付) 同期整流同期整流無し（SBD） 1200 1200 VdsH 800 Vds[V] 600 ドレイン電圧400 200 200 3.0E‐05 3.5E‐05 25 350 ゲート電圧 300 VgsL 15 250 IdsL 0 2.0E‐05 ‐5 ‐10 IdsL[A] 100 2.5E‐05 3.0E‐05 time(sec) 3.5E‐05 20 3.5E‐05 チャネルON期間 VgsL ドレイン電流 ‐50 ‐10 CEATEC 350 300 200 150 0 2.0E‐05 ‐5 50 4.0E‐05 0 4.0E‐05 250 IdsL 5 SBDの電圧降下が低いため，同期整流の効果小 2014/10/9 3.0E‐05 time(sec) 10 150 5 25 2.5E‐05 15 200 10 VgsL[V] 0 2.0E‐05 ‐200 4.0E‐05 time(sec) 20 VdsH 600 400 2.5E‐05 VdsL 800 VgsL[V] Vds[V] 1000 VdsL IdsL[A] 1000 0 2.0E‐05 ‐200 Rg=10 100 2.5E‐05 3.0E‐05 time(sec) 3.5E‐05 50 4.0E‐05 0 ‐50 14 SiCパワーデバイスのアプリケーション DC-ACインバータ(電圧形) 単相フル(H)ブリッジ回路 Q1 デッドタイムリアクトル電流iL Q3 ゲート信号 ON MOSFET:Q1,3 OFF MOSFET:Q2,4 ON ± DC ゲート信号と各部電圧・電流 OFF Q2 Q4 AC MOSFET電流iQ1 MOSFET電流iQ2 負荷電圧上下のMOSFETが同時にオン状態となると短絡電流が流れるためデッドタイムを設定する（負荷電流により上下どちらかのボディダイオードに電流が流れる） 2014/10/9 CEATEC 15 MOSFETの駆動回路 • スイッチング回路 – ソース接地回路（ソース基準のゲート電圧） • スイッチの状態でソース電位が変化 DC‐ACコンバータ DC‐DCコンバータ G G G DC S S D D G CEATEC AC G S 2014/10/9 D D S D 上側FETのスイッチングゲート電圧はソース基準ソース接地 S 16 MOSFETのゲート駆動回路 • 必要性能ハーフブリッジのゲート駆動回路構成 – 制御信号の増幅 Vcc 上側アーム G ゲート駆動回路レベルシフト制御信号下側アーム G ゲート駆動回路 • 寄⽣容量の充放電 D Q1 S Vout D S – 駆動信号のレベルシフト • 素⼦のソース電位変化 – 保護機能 • 過電流検出 • ソフトターンオフ Q2 D Cgd GND 制御信号ゲート駆動回路電力変換回路 G 負荷電力変換回路におけるゲート駆動回路 2014/10/9 Cds Cgs S CEATEC MOSFETの寄生容量 17 MOSFETのゲート駆動回路ゲート制御信号の増幅 • 出⼒バッファ VCC – トーテムポール回路 • 寄⽣容量の充放電ゲート抵抗出力 – ターンオン→充電 – ターンオフ→放電ゲートへ制御信号ソースへ • ゲート抵抗 – スイッチング速度調整 VEE GND • 負電源VEE D – ノイズ対策 – VEE=GNDとしても可ゲート抵抗ゲート駆動回路 Cgd Cds G Cgs S 2014/10/9 CEATEC 18 MOSFETのゲート駆動回路絶縁⽅式ゲート駆動回路ゲート駆動回路 Vdrv Vdrv Vcc QD1 C 制御信号 QD2 D Q1 S Vout D G T 1:N G G R QD2 Q2 S GND S D Q1 S Vout D G 制御信号 Q2 GND Vcc GND GND HVIC方式トランス絶縁方式 • ゲート駆動回路フォトカプラ制御信号 LED 光ファイバ GND Vcc Vdrv G フォトダイオード D Q1 S Vout D G S 2014/10/9 光絶縁方式 • • トランス絶縁 – – 電源不要動作範囲に制約有 – – 絶縁ではないレベルシフタの出⼒容量，損失でスイッチング周波数に上限 HVIC 光絶縁 – – Q2 フォトカプラ，光ファイバ使⽤⾼温に弱い GND CEATEC 19 MOSFETのゲート駆動回路駆動電源トランス絶縁電源変圧器 3端子レギュレータ IN G OUT GND ゲート駆動回路 3端子レギュレータ～ IN OUT GND ブートストラップ回路 Vcc D Q1 S Vout D G ゲート駆動回路 Q2 S GND 絶縁電源回路連続的なエネルギー供給可能商用周波数変圧器→大高周波変圧器→小 Hブリッジ3個，三相ブリッジ4個 2014/10/9 ゲート電源は1つダイオードとコンデンサで構成 CEATEC 20 ⾼速スイッチング動作スイッチング速度のゲート抵抗依存性 250 1400 1200 200 1000 150 600 1ohm 400 10ohm 200 100ohm 0 0.0E+00 ‐200 Ids (A) Vds (V) 800 1.0E‐05 2.0E‐05 time (sec) 100 100ohm 0 0.0E+00 ‐50 3.0E‐05 ゲート駆動回路 15 Vgs (V) 2.0E‐05 time (sec) 3.0E‐05 ゲート C gd 抵抗 20 10 1ohm 5 2014/10/9 1.0E‐05 D 25 ‐10 10ohm 50 30 0 0.0E+00 ‐5 1ohm 100ohm 2.0E‐05 G Rg Cgs S 10ohm 1.0E‐05 Cds 3.0E‐05 ゲート抵抗によりスイッチング速度を調整（寄生容量の充放電） time (sec) CEATEC 21 高速スイッチング動作におけるセルフターンオン現象 Q2のボディダイオード導通時 Vcc Q1 ON OFF X=Vcc Q2 ON OFF Q1 X=0→Vcc X=GND Q2 +Id GND (a) Q1=off Q2=off, body=on IQ1IQ2 0 (b) Q1=turn on (c) Q1=on Q2=off, body=turn off Q2=off, body=off D 等価端子間容量 ‐Id Vcc VQ1VQ2 0 Cgd Cds G 2014/10/9 デッドタイムゲート信号高dv/dt Cgs S CEATEC 22 ドレイン電圧印加によるゲート電位変動 Rg=51Ω dVds/dt依存性 dVds/dt=138V/s Rg依存性 80 120 Vds Vds(V) 80 1286V/us 57V/us 60 70 60 Vds(V) 100 2142V/us 138V/us 28V/us Vds 20 20 ‐5.0E‐07 10 5.0E‐07 1.0E‐06 1.5E‐06 ‐5.0E‐07 time(sec) 2.5 Vgs Vgs(V) 1.5 2142V/us 138V/us 28V/us 1286V/us 57V/us 2014/10/9 0 0.0E+00 ‐0.5 5.0E‐07 time(sec) 10ohm 1000ohm 1.0E‐06 1.5E‐06 2.5 2 1.5 1 Vgs 1 0.5 ‐5.0E‐07 0 0.0E+00 ‐10 1ohm 100ohm open 3 Vgs(V) 2 40 30 40 0 0.0E+00 ‐20 50 0.5 5.0E‐07 1.0E‐06 1.5E‐06 ‐5.0E‐07 time(sec) CEATEC 0 0.0E+00 ‐0.5 1ohm 100ohm open 5.0E‐07 10ohm 1000ohm 1.0E‐06 1.5E‐06 time(sec) 23 ゲート電圧の過渡応答ゲート駆動回路を含む等価回路 idg ig Rg Cgd igs ± Vdrv Cgs Vdsの印加 vdg • • [V/sec] – vds • ゲート電圧の応答 1 vgs • ⇒単調増加最⼤値 – 極限: →∞ – max ゲート抵抗Rgを介した Cgs, Cgdの充放電 2014/10/9 Cを⼀定と仮定印加電圧:ランプ関数 [V/sec] • , , に⽐例 • ゲート駆動回路電圧ト CEATEC でオフセッ 24 ゲート電圧最大値 Vgs(V) 3 • ゲート抵抗 2142V/us 1286V/us 138V/us 57V/us 28V/us 2.5 2 – ⼩:スイッチング速い dv/dt⼤ • 他⽅のMOSFETのゲート電圧に影響する 1.5 1 – ⼤:スイッチング遅いゲート電圧の変化⼤ 0.5 0 1 10 100 1000 Rg(ohm) • 印加ドレイン電圧 – 変化速度⼩:スイッチング遅いゲート電圧の変化⼩ – 変化速度⼤:スイッチング速いゲート電圧の変化⼤ Vgs(V) 3.5 3 2.5 1ohm 100ohm 10ohm 1000ohm 2 • 負のバイアス電圧をオフ電圧としてゲートに重畳 1.5 1 0.5 0 1.0E+01 2014/10/9 1.0E+02 1.0E+03 dvds/dt(V/sec) – ゲート電圧変化の影響を緩和 1.0E+04 CEATEC 25 ゲートドライバIC BM6104FV-C 2014/10/9 • • • 耐圧2500V，最⼤ゲート電圧24V※負電源可最⼤駆動電流5A※モジュールには外付けTR要⼊出⼒遅延時間150nS，最⼩パルス幅90ns • • • トランス絶縁（MEMS）※信号⽤・外部電源要保護機能（短絡，低電圧）ミラークランプ機能 – BM6101FVは各々350nS，180ns CEATEC 26 ゲートドライバIC BM6104FV-C 25 20 入力 20 15 6101 15 6101 10 6104 10 6104 電圧[V] 電圧[V] 25 5 0 0.E+00 ‐5 1.E‐07 2.E‐07 3.E‐07 4.E‐07 5.E‐07 0 0.E+00 ‐5 時間[sec] 15 入力 10 6101 2014/10/9 3.E‐07 4.E‐07 5.E‐07 時間[sec] • 350ns→150ns – 最小パルス幅 5 ‐10 2.E‐07 – 遅延時間 6104 0 0.E+00 ‐5 1.E‐07 • ドライバICの高性能化 20 電圧[V] 5 ‐10 ‐10 入力 1.E‐07 2.E‐07 3.E‐07 4.E‐07 • 180ns→90ns 5.E‐07 ディスクリートMOSFETの高速スイッチングに好適時間[sec] CEATEC 27 ミラークランプ回路 BM6104FV‐C Vcc OUT1 Rg 制御信号 IN 駆動回路 G ゲート信号 IN D Q OUT1 S sense sense OUT2 OUT2 GND Vee Vee ミラークランプ機能付ゲート駆動回路 Vcc OUT1 Rg 制御信号 IN 駆動回路 G ミラークランプ動作シーケンス • D Q • S • ターンオン・オフはRgを介して充放電従来回路は，オフ状態でもRgを介してVeeを出⼒ミラークランプ回路では，RgをバイパスしてVeeを出⼒ – 外付けトランジスタにより，低インピーダンスでVeeを出⼒ GND Vee 普通のゲート駆動回路 2014/10/9 Vcc Vee Vcc Vee CEATEC 28 アクティブミラークランプによるゲート電圧変動抑制ゲート抵抗の影響 700 600 600 1ohm(下アーム) 10ohm(下アーム) 100ohm(下アーム) 1ohm(上アーム) 10ohm(上アーム) 100ohm(上アーム) 300 100 2014/10/9 0 0.0E+00 ‐1 5.0E‐07 1.5E‐06 2.0E‐06 0 0.0E+00 ‐100 1.0E‐06 1.5E‐06 time(sec) 2.0E‐06 0 0.0E+00 ‐1 1.0E‐06 ‐2 ‐3 ‐4 300 100 time(sec) 5.0E‐07 400 200 1ohm 10ohm 100ohm Vgs(V) Vgs(V) 0 0.0E+00 ‐100 1ohm(下アーム) 10ohm(下アーム) 100ohm(下アーム) 1ohm(上アーム) 10ohm(上アーム) 100ohm(上アーム) 500 Vds(V) 400 200 ゲート電圧 Vgs アクティブミラークランプ回路 700 500 Vds(V) ドレイン電圧 Vds 通常ゲート駆動回路 ‐2 ‐3 ‐4 ‐5 ‐5 ‐6 ‐6 ‐7 ‐7 CEATEC time(sec) 5.0E‐07 5.0E‐07 1.0E‐06 1.5E‐06 2.0E‐06 1.0E‐06 time(sec) 1.5E‐06 2.0E‐06 1ohm 10ohm 100ohm BM6101FV‐C使用時 29 ゲート電圧の過渡応答ボディダイオード電流のターンオフソースインダクタンスを含む等価回路 idg ig Q3 ボディダイオード電流のターンオフ寄生インダクタンスの両端に電圧発生 Q4 ids vdg ibd vdrv Cgs ± vgs vs Ls • ターンオフ電流:ランプ関数 [A/sec] • ゲート電圧の応答 vds 2014/10/9 Cdg igs [A/sec] – 0 Rg 2 ただし t – CEATEC 0, 1 , が⽀配的， 0 0 1 ， 4 は時定数に作⽤ 30 ゲート電圧の過渡応答ボディダイオード電流のターンオフ通常ゲート駆動回路 Ids(A) ドレイン電流 Ids 0 0.0E+00 アクティブミラークランプ回路 1ohm(下アーム) 10ohm(下アーム) 100ohm(下アーム) 1ohm(上アーム) 10ohm(上アーム) 100ohm(上アーム) time(sec) 5.0E‐07 1.0E‐06 1.5E‐06 2.0E‐06 5.0E‐07 1.0E‐06 1ohm 1.5E‐06 time(sec) 2.0E‐06 ‐50 10ohm 100ohm ‐100 Vds(V) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0.0E+00 ‐100 50 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0.0E+00 ‐100 50 0 0.0E+00 Ids(A) ドレイン電圧 Vds Vds(V) ゲート抵抗の影響 time(sec) 1ohm(下アーム) 10ohm(下アーム) 100ohm(下アーム) 1ohm(上アーム) 10ohm(上アーム) 100ohm(上アーム) 5.0E‐07 1.0E‐06 1.5E‐06 2.0E‐06 5.0E‐07 1.0E‐06 time(sec) 1.5E‐06 2.0E‐06 ‐50 1ohm 10ohm ‐100 100ohm ‐150 4 2 0 0.0E+00 ‐2 Vgs(V) ゲート電圧 Vgs Vgs(V) ‐150 4 5.0E‐07 1.0E‐06 2.0E‐06 time(sec) ‐4 2014/10/9 1.5E‐06 2 0 0.0E+00 ‐2 ‐6 ‐6 ‐8 10ohm ‐8 ‐10 CEATEC 1.0E‐06 1.5E‐06 2.0E‐06 ‐4 0ohm 100ohm time(sec) 5.0E‐07 0ohm 10ohm 100ohm ‐10 BM6101FV‐C使用時 31 まとめ • SiCパワーデバイスの特⻑を活かした使い⽅ – 出⼒電流に⽐例した電圧降下 • ⼩出⼒での⾼効率動作 – SiC MOSFETのボディダイオード • ⼤きい導通損失を同期整流により低減可能 • ターンオフ時の逆回復現象が無い – スイッチング損失が⼩さい – ゲート駆動回路と⾼速スイッチング動作 • dVds/dtが⼤となる – ゲート電圧変動によるセルフターンオン – ゲート回路の低インピーダンス化⇒ミラークランプ回路 • dIds/dtが⼤となる – 主回路の低インダクタンス化も不可⽋ 2014/10/9 CEATEC 32