パワーMOSFET技術資料｜特性・選定・回路設計のポイント解説

パワーMOSFET技術資料 J540-3(2024.12)

目次 はじめにお読みください ........................................................................................................................................... 3 1. 特性用語一覧 .................................................................................................................................................... 4 1-1. 絶対最大定格（瞬時であっても超えてはならない値） ......................................................................................... 4 1-2. 電気的・熱的特性 ........................................................................................................................................ 5 2. 電気的特性 ....................................................................................................................................................... 6 2-1. ドレイン・ソース間電圧VDSS ......................................................................................................................... 7 2-2. 出力特性 VDS - ID ........................................................................................................................................ 7 2-3. 伝達特性 VGS - ID ........................................................................................................................................ 7 2-4. オン抵抗RDS(ON)特性 .................................................................................................................................... 8 2-5. RDS(on) - VGS曲線について ............................................................................................................................. 8 2-6. しきい値電圧 VTH ..................................................................................................................................... 9 2-7. 容量特性 Ciss, Crss, Coss ........................................................................................................................... 9 2-8. スイッチング特性 td(on), tr, td(off), tf ....................................................................................................... 10 2-9. ゲートチャージ特性 Qg ............................................................................................................................ 10 2-10. 安全動作領域 SOA ................................................................................................................................. 11 2-11. アバランシェ特性 .................................................................................................................................... 11 2-12. dv/dt, di/dt特性 ..................................................................................................................................... 12 2-13. 静電気耐量（ESD: Electrostatic Discharge）について ................................................................................... 12 2-14. ディレーティング曲線について ................................................................................................................... 12 2-15. アバランシェディレーティング曲線について ................................................................................................. 13 2-16. 他項目の各種ディレーティングの考え方について ........................................................................................... 12 3. 接合部温度の推定 ............................................................................................................................................ 14 3-1. 熱抵抗 ..................................................................................................................................................... 14 3-1-1. 熱抵抗 ............................................................................................................................................. 14 3-1-2. 過渡熱抵抗 ....................................................................................................................................... 14 3-2. 電力損失の求め方 ...................................................................................................................................... 14 3-2-1. 平均電力損失 .................................................................................................................................... 14 3-2-2. 過渡電力損失 .................................................................................................................................... 14 3-3. チャネル部温度Tchの推定方法 .................................................................................................................... 15 3-3-1. ヒートシンクなし .............................................................................................................................. 15 3-3-2. ヒートシンクあり .............................................................................................................................. 15 4. 回路上の注意点 ............................................................................................................................................... 16 4-1. ゲート・ソース間電圧 VGS ......................................................................................................................... 16 4-2. スイッチング時間とドライブ条件.................................................................................................................. 16 4-3. ソース・ドレイン間ダイオードについて ......................................................................................................... 16 4-4. 並列接続の注意点 ...................................................................................................................................... 17 4-4-1. 電流バラツキ .................................................................................................................................... 17 4-4-2. 寄生発振 .......................................................................................................................................... 17 4-4-3. 配線 ................................................................................................................................................ 17 4-5. サージの注意点 ......................................................................................................................................... 18 5. ID定格の考え方について ................................................................................................................................. 167 2

はじめにお読みください 1. ご採用に際しては、別途仕様書をご請求の上、ご確認をお願いいたします。 2. 本資料に記載されている当社製品の品質水準は、一般的な信頼度が要求される標準用途を意図しています。 その製品の故障や誤動作が直接生命や人体に影響を及ぼすような極めて高い品質、信頼度を要求される特別、特定用途の機器、装 置にご使用の場合には必ず事前に当社へご連絡の上、確認を得て下さい。 当社の製品の品質水準は以下のように分類しております。 【標準用途】 コンピュータ、OA 等の事務機器、通信用端末機器、計測器、AV 機器、アミューズメント機器、家電、 工作機器、パーソナル機器、産業用機器等 【特別用途】 輸送機器（車載、船舶等）、基幹用通信機器、交通信号機器、防災/防犯機器、各種安全機器、医療機器等 【特定用途】 原子力制御システム、航空機器、航空宇宙機器、海底中継機器、生命維持のための装置、システム等 3. 当社は品質と信頼性の向上に絶えず努めていますが、必要に応じ、安全性を考慮した冗長設計、延焼防止設計、 誤動作防止設計等の手段により結果として人身事故、火災事故、社会的な損害等が防止できるようご検討下さい。 4. 本資料に記載されている内容は、製品改良などのためお断りなしに変更することがありますのでご了承下さい。 製品のご購入に際しましては事前に当社または特約店へ最新の情報をご確認下さい。 5. 本資料の使用によって起因する損害または特許権その他権利の侵害に関しては、当社は一切その責任を負いません。 6. 本資料によって第三者または当社の特許権その他権利の実施に対する保証または実施権の許諾を行うものでは ありません。 7. 本資料に記載されている製品が、外国為替及び外国貿易管理法に基づき規制されている場合、輸出には同法に基づく 日本国政府の輸出許可が必要です。 8. 本資料の一部または全部を当社に無断で転載または複製することを堅くお断りいたします。 3

1. 特性用語一覧 1-1. 絶対最大定格（瞬時であっても超えてはならない値） 表1-1 絶対最大定格（特に記載が無い限りTc=25℃における規定値） 項 目 記 号 用 語 の 説 明 保存温度 Tstg 素子非動作中に超えてはならない保存周囲温度 Storage temperature チャネル部温度 Tch 素子動作中に超えてはならないチャネル部温度 Channel temperature ドレイン・ソース間電圧 VDSS ゲート・ソース間を直流的に短絡した状態で、ドレイン・ソース間に印加 Drain-source voltage できる電圧の最大ピーク値 ゲート・ソース間電圧 VGSS ドレイン・ソース間を直流的に短絡した状態で、ゲート・ソース間に印加 Gate-source voltage できる電圧の最大ピーク値 ドレイン電流 ID 全損失の限度内において、ドレインに許容される直流電流の最大値 Continuous drain current ドレイン電流（ピーク） IDP 規定されたパルス幅において、パルス動作時に許容されるドレイン電流の Continuous drain current (peak) 最大ピーク値 ソース電流（直流） IS 全損失の限度内において、ゲート・ソース間を短絡した状態でのソース・ Continuous source current (peak) ドレイン間のボディダイオードに許容される順方向電流の最大値 全損失 PT 規定の放熱条件において、素子に連続的に消費させ得る損失の最大値 Total power dissipation 単発アバランシェ電流 IAS 素子がターンオフ状態に移行する際に非繰り返しパルスで許容できるア Single avalanche current バランシェ電流の最大値 繰り返しアバランシェ電流 IAR 素子がターンオフ状態に移行する際に繰り返しパルスで許容できるアバ Repetitive avalanche current ランシェ電流の最大値 単発アバランシェエネルギー EAS 素子がターンオフ状態に移行する際に非繰り返しパルスで許容できるア Single avalanche energy バランシェエネルギーの最大値 繰り返しアバランシェエネルギー EAR 素子がターンオフ状態に移行する際に繰り返しパルスで許容できるアバ Repetitive avalanche energy ランシェエネルギーの最大値 表1-2 絶対最大定格の例 (Tc=25℃) 項 目 記 号 条件 規格値 単位 保存温度 Tstg -55 to 150 ℃ チャネル温度 Tch -55 to 150 ℃ ドレイン・ソース間電圧 VDSS 100 V ゲート・ソース間電圧 VGSS ±20 V ドレイン電流（直流） ID 26 A ドレイン電流（ピーク） IDP Pulse width 10μs, duty=1/100 78 A ソース電流（直流） IDS VGS =0V 全損失 PT 44 W 単発アバランシェ電流 IAS Starting Tch=25℃ Tch≦150℃ 19 A 単発アバランシェエネルギー EAS Starting Tch=25℃ Tch≦150℃ 40 mJ 4

1-2. 電気的・熱的特性 表1-3 電気的・熱的特性（特に記載が無い限りTc=25℃における規定値） 項 目 記 号 用 語 の 説 明 ドレイン・ソース間降伏電圧 V(BR)DSS ゲート・ソース間を短絡した状態で、規定の条件にてドレイン電流を流した時のドレイン・ Drain to Source Breakdown Voltage ソース間の電圧 ドレイン遮断電流 IDSS ゲート・ソース間を短絡した状態で、規定の条件にてドレイン・ソース間電圧を印加した時 Zero Gate Voltage Drain Current のドレインに流れる電流 ゲート漏れ電流 IGSS ドレイン・ソース間を短絡した状態で、規定の条件にてゲート・ソース間に電圧を印加した Gate-Source Leakage Current 時のゲート流れる電流 順伝達コンダクタンス gfs 規定の条件にて、ドレイン・ソース間電圧及び、ドレイン電流を印加したときの、ゲート・ Forward transconductance ソース間電圧の変化に対するドレイン電流変化の比 ドレイン・ソース間オン抵抗 RDS(ON) 規定の条件にて、素子をオン状態にしたときのドレイン・ソース間の抵抗 Static Drain-Source On-state Resistance ゲートしきい値電圧 VTH 規定の条件にて、素子が導通し始めるのに必要なゲート・ソース間電圧 Gate Threshold Voltage ソース・ドレイン間ダイオード順電圧 VSD ゲート・ソース間を短絡した状態で、規定の条件にて、ソース電流を流したときのソース・ Source-Drain Diode Forward Voltage ドレイン間電圧 熱抵抗 Rth(j-c) 規定条件にて、定常状態での熱の伝導の度合いを表す数値。印加電力1Wあたりに接合部と Thermal resistance case(ケース)間で生じる温度差。指定の無い場合は、全素子印加。 Rth(j-a) 規定条件にて、定常状態での熱の伝導の度合いを表す数値。印加電力1Wあたりに接合部と ambient(周囲)間で生じる温度差。指定の無い場合は、全素子印加。 ゲート全電荷量 Qg 規定の条件にて、ゲート・ソース間に電圧を印加する際に、ゲート・ソース間電圧が0Vか Total Gate Charge ら規定された値に達するまでの間に必要とするゲート電荷量 ゲート・ソース電荷量 Qgs 規定の条件にて、ゲート・ソース間に電圧を印加する際に、ゲート・ソース間電圧が0Vか Gate to Source Charge らフラットになる値に達するまでに必要とするゲート電荷量 ゲート・ドレイン電荷量 Qgd 規定の条件にて、ゲート・ソース間に電圧を印加する際に、ゲート・ソース間電圧がフラッ Gate to Drain Charge ト状態開始から終了までの間に必要とするゲート電荷量 入力容量 Ciss 素子の各端子間の容量は次のようになります。 Input Capacitance Cgs：ゲート・ソース間容量 Cds：ドレイン・ソース間容量 Cgd：ゲート・ドレイン間容量 帰還容量 Crss Reverse Transfer Capacitance 各容量は次のようになります。 Ciss：Cgs＋Cgd 規定の条件にて、ドレイン・ソース間が交流的に短絡されて いる状態でのゲート・ソース間入力静電容量 出力容量 Coss Crss：Cgd 規定の条件におけるドレイン・ゲート間静電容量 Output Capacitance Coss：Cds＋Cgd 規定の条件にて、ゲート・ソース間が交流的に短絡されてい る状態でのドレイン・ソース間出力静電容量 ターンオン遅延時間 td(on) 規定の条件にて、ゲート・ソース間電圧波形がピーク値の 10%に上昇した時点から、ドレ Turn-on Delay Time イン・ソース間電圧波形がピーク値の 90%に下降するまでの時間。または、ゲート・ソー ス間電圧波形がピーク値の10%に上昇した時点から、ドレイン電流波形がピーク値の10% に上昇するまでの時間 上昇時間 tr 規定の条件にて、ドレイン・ソース間電圧波形がピーク値の90%から10%に下降するまで Rise Time の時間。または、ドレイン電流波形がピーク値の10%から90%に上昇するまでの時間。 ターンオフ遅延時間 td(off) 規定の条件にて、ゲート・ソース間電圧波形がピーク値の 90%に下降した時点から、ドレ Turn-off Delay time イン・ソース間電圧波形がピーク値の 10%に上昇するまでの時間。または、ゲート・ソー ス間電圧がピーク値の90%に下降した時点から、ドレイン電流波形がピーク値の90%に下 降するまでの時間。 降下時間 tf 規定の条件にて、ドレイン・ソース間電圧波形がピーク値の10%から90%に上昇するまで Fall Time の時間。またはドレイン電流波形がピーク値の90%から10%に下降するまでの時間。 ダイオード逆回復時間 trr 規定の条件にて、逆回復電流が流れ始めた時点から、逆回復電流が規定された値に達するま Diode Reverse Recovery Time での時間。 ダイオード逆回復電荷量 Qrr 規定の条件にて、逆回復電流が流れ始めた時点から、逆回復電流が規定された値に達するま Diode Reverse Recovery Charge での間の逆回復電流の時間積分値 5

2. 電気的特性 パワーMOSFETは電圧制御型の素子であり、ゲート電極に電圧を印加す ることで、ドレイン・ソース間に電流が流れます。 このためVDS-ID（ドレイン・ソース間電圧とドレイン電流）特性にはゲ ート電圧（VGS）依存性があり、図1-１のような特性となります。 VGSを０Vから上昇させることで、ドレイン電流（ID）が流れ始めます が、ドレイン電圧（VDS）が印加された状態で IDが流れるため、VDS×ID の電力が発生し、損失となります。 このときVDSの最小値がオン抵抗（RDS(ON)）×IDとなり、パワー MOSFETにおいてRDS(ON)は重要なパラメータとなります。 図2-1パワーMOSFETの電流電圧特性の例 表2-1 パワーMOSFETの定格表（例） 規格値 項 目 記 号 条件 単位 MIN TYP MAX ドレイン・ソース間降伏電圧 V(BR)DSS ID=1mA 40 - - V ドレイン遮断電流 IDSS VDS=40V, VGS=0V - - - μA ゲート漏れ電流 IGSS VGS=±20V, VDS=0V - - ±0.1 μA 順伝達コンダクタンス gfs ID=70A, VDS=10V 30 - - S ドレイン・ソース間オン抵抗 RDS(ON) ID=70A, VGS=10V - 0.00117 0.00142 Ω ドレイン・ソース間オン抵抗 RDS(ON) ID=70A, VGS=4.5V - 0.00185 0.0025 Ω ゲートしきい値電圧 Vth ID=1mA, VDS=10V 1.5 2 2.5 V ソース・ドレイン間ダイオード順電圧 VSD IS=140A, VGS=0V - - 1.5 V 熱抵抗 Rth(j-c) Junction to case, with heatsink - - 0.69 ℃/W Rth(j-a) Junction to ambient 100 ℃/W ゲート全電荷量 Qg VDD=32V, VGS=10V, ID=140A - 122 - nC ゲート・ソース電荷量 Qgs VDD=32V, VGS=10V, ID=140A - 24 - nC ゲート・ドレイン電荷量 Qgd VDD=32V, VGS=10V, ID=140A - 37 - nC 入力容量 Ciss VDS=25V, VGS=0V, f=1MHz - 6630 - pF 帰還容量 Crss VDS=25V, VGS=0V, f=1MHz - 405 - pF 出力容量 Coss VDS=25V, VGS=0V, f=1MHz - 805 - pF ターンオン遅延時間 td(on) ID=70A, RL=0.29Ω, VDD=20V, - 7.5 - ns RG=0Ω, VGS(+)=10V, VGS(-)=0V 上昇時間 tr ID=70A, RL=0.29Ω, VDD=20V, - 18 - ns RG=0Ω, VGS(+)=10V, VGS(-)=0V ターンオフ遅延時間 td(off) ID=70A, RL=0.29Ω, VDD=20V, - 139 - ns RG=0Ω, VGS(+)=10V, VGS(-)=0V 降下時間 tf ID=70A, RL=0.29Ω, VDD=20V, - 51 - ns RG=0Ω, VGS(+)=10V, VGS(-)=0V ダイオード逆回復時間 trr IF=140A, VGS=0V, di/dt=100A/μs - 44 - ns ダイオード逆回復電荷量 Qrr IF=140A, VGS=0V, di/dt=100A/μs - 52 - nC 6

2-1. ドレイン・ソース間電圧VDSS ドレイン・ソース間電圧VDSSは温度依存があり、低温時には低下します。 この点について留意して使用する必要があります。 2-2. 出力特性 VDS - ID 一般的なMOSFETの出力特性（例１）を図2-2に示します。 縦軸をドレイン電流 ID、横軸をドレイン電圧 VDSとしたグラフで表し ています。 MOSFETの出力特性には線形領域と飽和領域があります。 線形領域 ドレイン・ソース間電圧VDSが増加すると ドレイン電流 IDが増加する領域 飽和領域 ドレイン・ソース間電圧VDSによらず 図2-2 出力特性（例１） ドレイン電流 IDが一定となる領域 パワーMOSFETの出力特性の例を図2-３に示します。 パワーMOSFETは一般的なMOSFETと比較し、ゲート電圧VGSに対 する応答がよくオン抵抗RDS(ON)が低いため、出力特性に現れる飽和領 域はほぼありません。 図2-3 出力特性（例2） 2-3. 伝達特性 VGS - ID 伝達特性VGS-IDとは、ドレイン・ソース間電圧VDSを一定とした時 に、どれぐらいのゲート・ソース間電圧を印加すれば所望のドレイン 電流 IDを流すことができるかを表した特性です。 ゲート・ソース間電圧VGSが増加すると、チャネルに集まる電子の密 度が高くなるので、チャネルの電気抵抗が低くなり、より大きな電流 が流れます。 また伝達特性には温度特性があり、一般的には温度が高い方が同じ VGSでもより大きな電流が流れます。 図2-4 伝達特性の例 7

2-4. オン抵抗RDS(ON)特性 オン抵抗RDS(ON)はVDS/IDで表されるパラメータであり、図2-３の出力特性の傾きのことを指します。 RDS(ON)は電流 IDに対してある程度一定の値となりますが、大きい IDの領域において上昇する傾向を持ちます。 これは電流の流す道筋において、最大で流すことのできる電流があり、そこを超えると電流が流しづらくなるためです。 また、RDS(ON)は図2-6のように温度特性があり、高温時はRDS(ON)が上昇するため、発熱計算においては注意する必要があり ます。 図2-5 RDS(ON)の電流特性の例 図2-6 RDS(ON)の温度特性の例 2-5. RDS(on) - VGS曲線について オン抵抗RDS(on)はゲート電圧VGS依存性があり、低いVGSでは上 昇します。 この上昇するVGSはしきい値電圧VTHに依存しており、VTHは負の 温度依存性があるため、低温では高電圧側にシフトし、高温では定 電圧側にシフトします。 この温度依存性を考慮して、ゲート電極に印加する電圧を適切に判 断する必要があります。 図2-7 RDS(on)-VGS曲線の例 8

2-6. しきい値電圧 VTH しきい値電圧VTHはドレイン・ソース間に規定電流が流れるときのゲ ート電圧を指します。 このため、この電圧でデジタル的にオン・オフする電圧ではありませ ん。また、VTHは温度特性を持っており、高温時には下降し、低温時 には上昇します。 このため、低温時のオン動作時・高温時のオフ動作時にはゲート電圧 VGSの値に注意する必要があります。 図2-8 VTHの温度特性の例 2-7. 容量特性 Ciss, Crss, Coss 容量特性の入力容量Ciss、帰還容量Crss、出力容量Cossは下記の式 で表されます。 Ciss＝CGS+CGD CGS：ゲート・ソース間容量 Crss=CGD CGD：ゲート・ドレイン間容量 Coss=C CDS：ドレイン・ソース間容量 DS+CGD なお、図2-9に示すとおり、容量特性にはVDS依存がありますので ご注意ください。 図2-9 容量特性のVDS依存の例 9

2-8. スイッチング特性 td(on), tr, td(off), tf スイッチング特性は下記の４つの時間に分けて定義されます。 ターンオン遅延時間：td(on) VGSの立ち上がり時の10%に上昇した時点を起点にVDSが 90％まで低下した時間。 上昇時間：tr VDSが90％から10%まで低下した時間。 ターンオフ遅延時間：td(off) 図2-10 スイッチング時間の定義 VGSが90%まで低下した時間を起点にVDSが10%まで上 昇した時間。 降下時間：tf VDSが10%から90%まで上昇した時間。 図2-11 スイッチング測定回路 2-9. ゲートチャージ特性 Qg ゲートチャージ特性はゲート電極に一定電流を流したときに、規定の ゲート電圧VGSに達するまでの時間を計測して定義されます。 なお、ゲートチャージ特性は3つのパラメータで表されます。 Qgs ゲート電極に電圧を印加してからミラー期間の 手前までの電荷量 Qgd ミラー期間の電荷量 Qg ゲート電極を印加してから規定のゲート電圧 VGSまで達するまでの電荷量 図2-12 ゲートチャージ特性の例 図2-13 ゲートチャージ測定回路 10

2-10. 安全動作領域 SOA 安全動作領域SOAとはSafe Operating Areaの略で、MOSFETが安 全に動作できるVDS・IDの領域を表します。 このためMOSFETの動作条件に関してSOAの範囲内で使用する必要 があります。 元々、従来のMOSFETのSOAにはバイポーラトランジスタに存在す る二次降伏領域は無く、ドレイン・ソース間電圧の定格とドレイン電 流の定格とその熱抵抗制限領域のみが規定されていました。 しかしながら、昨今の製品では微細化等によってMOSFETにも電流 集中による二次降伏に相当する第5の領域が存在するようになり、現 在では右図のように5つの領域に分けられることのほうが多く、この 領域内且つ適切な各種ディレーティング（サージ等を含めた電圧／電 流／電力／接合温度）を取ることで安全に動作させられることができ 図2-14 安全動作領域の例 ます。 したがってMOSFETの動作軌跡がSOA内に確実に収まっているか慎重な確認が必要になってきています。 なお、SOAは下記の５つの領域によって表現されます。 ① RDS(ON)制限領域：RDS(ON)maxによる制限 ② ID制限領域：絶対最大定格の IDによる制限 ③ 全損失制限領域：絶対最大定格の全損失による制限 ④ 二次降伏制限領域：バイポーラトランジスタの二次降伏に似た制限 ⑤ ドレイン・ソース間電圧VDSS制限領域：絶対最大定格のVDSSによる制限 2-11. アバランシェ特性 インジェクタやイグナイタなどにMOSFETを使用すると、オフしたときにインダクタンス（Ｌ）成分の逆起電力によって大 きな電圧が発生し、MOSFETの耐圧を超えて印加されることをアバランシェ状態と言います。 このときどれぐらいのエネルギーが許容されるかが絶対最大定格の単発アバランシェエネルギーEASとなります。 図2-15 アバランシェ測定回路とアバランシェ波形の例 11

2-12. dv/dt, di/dt特性 内蔵ダイオードに順電流が流れている状態で、逆方向に電圧を反転さ せると逆回復動作に入ります。この時の単位時間当たりの電流の下降 度合いをdi/dt、単位時間当たりの電圧の上昇度合いをdv/dtと呼び ます。 指定の条件下でのリカバリー電流時間を逆回復時間 trr、電荷量を逆回 復電荷量Qrrと呼びます。 図2-16 リカバリー電流、電圧波形の例 2-13. 静電気耐量(ESD: Electrostatic Discharge)について 静電気耐量(ESD)についてMOSFETで議論されるモードは以下のものがあります。 人体帯電モデル(HBM)：人体が帯電していてMOSFETの電極に静電気が放電されるモード デバイス帯電モデル(CDM)：デバイス自身が帯電し、グラウンド等に静電気が放電されるモード なお、MOSFETにおいてはゲートが薄い絶縁膜を介して構成されており、これによりESDに対してゲート端子が最も弱い端 子となるため、お取り扱いにご注意ください。 2-14. 全損失ディレーティング曲線について 通常データシートに記載されるSOAはTC＝25℃で規定されるた め、ご使用環境のTCに変換して使用する必要があります。 これが全損失ディレーティング曲線になります。 全損失の温度ディレーティング曲線の例を図2-17に示します。 絶対最大定格のPTを全損失ディレーティング曲線により印加可能 なPTを算出し、印加されるドレイン電流 IDとオン抵抗RDS(ON)に よって算出された電力を比較し、判定いたします。 図2-17 全損失ディレーティング曲線の例 12

2-15. アバランシェディレーティング曲線について 絶対最大定格に記載の単発アバランシェエネルギーEASはスタート チャネル温度が25℃のため、ご使用環境のスタートチャネル温度 に変換して使用する必要があります。 これがアバランシェディレーティング曲線です。 絶対最大定格のEASをアバランシェディレーティング曲線によって 印加可能なアバランシェエネルギーを算出し、印加されるアバラン シェエネルギーを比較し、判定いたします。 図2-18 アバランシェディレーティング曲線 2-16. 他項目における各種ディレーティングの考え方について 最大定格に対してどの程度のディレーティングを行うかは、信頼性設計の中で大変重要な問題になります。 システム設計の段階で考慮していただきたいそれら項目は、半導体デバイスの種類により少しずつ異なり、電圧、電流、電 力、負荷等の電気的ストレスのディレーティング、温度、湿度などの環境条件、あるいは振動、衝撃などの機械的ストレス のディレーティングなどであります。 ディレーティングの基準について、お客様のセットの設計段階で考慮されることが信頼性確保の上で望ましく、基準内に設 定することが困難な場合については、最大定格のより大きな半導体デバイスを選定する等考慮される必要性があります。 製品の使用条件 (使用温度/電流/電圧など) が絶対最大定格以内での使用においても、高負荷状態 (高温および大電流/高電 圧印加、多大な温度変化など) で連続して使用される場合は、信頼性が著しく低下するおそれがあります。 個別信頼性情報 (信頼性試験レポート、推定故障率など) をご確認の上、適切な信頼性設計をお願いします。 13

3. 接合部温度の推定 3-1. 熱抵抗 3-1-1. 熱抵抗 熱抵抗とは温度の伝えにくさを表す値で、単位時間での発熱量あ たりの温度上昇量を意味します。単位は℃/Wで表されます。発 熱に関しては便宜的に図3-1のような等価回路で表され、発熱 点で発した熱が、チップの熱抵抗Rth（チップ）、はんだの熱抵 抗Rth（はんだ）、ケースの熱抵抗Rth（ケース）を通って熱が 伝わります。このときの接合部・ケース間の熱抵抗Rth(j-c)を求 図3-1 発熱に関する疑似的等価回路 めます。 接合部・ケース間の熱抵抗Rth(j-c) ＝ Rth(チップ) ＋ Rth(はんだ) ＋ Rth(ケース) 3-1-2. 過渡熱抵抗 過渡熱抵抗とは単位時間あたりの電力損失に対する温度上昇値を 意味します。発熱に関しては便宜的に図3-2のような等価回路 で表され、発熱点で発熱した熱が時間を経るごとに伝導し、各部 位の熱抵抗を通過するにしたがって上昇します。 発熱点で発した熱が、チップの過渡熱抵抗Zth(チップ)、はんだ の過渡熱抵抗Zth(はんだ)、ケースの過渡熱抵抗Zth(ケース)を 図3-2 過渡の発熱に関する疑似的等価回路 通って熱が伝わります。このときの接合部・ケース間の過渡熱抵 抗Zth(j-c)を求めます。 接合部・ケース間の過渡熱抵抗Zth(j-c) ＝ Zth(チップ) ＋ Zth(はんだ) ＋ Zth(ケース) 3-2. 電力損失の求め方 3-2-1. 平均電力損失 MOSFETのドレイン・ソース間の電圧VDS とMOSFETに流れる電流 IDの積による電力の時間積分し、1周期分の時間 (TW)によって平均化することにより、平均電力損失Paveを求めます。 平均電力損失Pave ＝ ∫VDS・ID dt/TW 3-2-2. 過渡電力損失 電力印加時の過渡的な電力損失は、MOSFETのドレイン・ソース間の電圧VDS とMOSFETに流れる電流 IDの積による電 力の時間積分し、印加時間(T)によって平均化することにより、過渡的な電力損失Pを求めます。 過渡電力損失P ＝ ∫VDS･ID dt/T 尚、各損失の詳細な求め方は別途技術資料TN1_MOSFET_10_JPをご参照ください。 14

3-3. チャネル部温度Tchの推定方法 3-3-1. ヒートシンクなし ① 定常状態 接合部・ケース間の熱抵抗Rth(j-a)と平均電力損失Paveにより、チャネル部温度Tchを求めます。 チャネル部温度Tch ＝ Rth(j-a) × Pave ＋ TC （TCはケース温度） ② 過渡状態抗 接合部・ケース間の過渡熱抵抗Zth(j-c)と過渡電力損失Pに より、チャネル部温度Tchを求めます。 過渡熱抵抗Zth(j-c)の値は図3-3過渡熱抵抗特性図の例を使 用します。 チャネル部温度Tch ＝ Zth(j-c) × P ＋ TC （TCはケース温度） 図3-3 過渡熱抵抗特性図の例 3-3-2. ヒートシンクあり 疑似的等価回路図は図3-4のようになります。 ケース温度TCを測定することで、チャネル部温度を求めます。 ヒートシンクありの場合の定常状態と過渡状態のチャネル部、温 度Tchの算出はヒートシンクなしと違いRth(j-c)を使用する下 記式となります 図3-4 定常状態ヒートシンクあり疑似的等価回路 チャネル部温度Tch ＝ Rth(j-c) × Pave ＋ TC （TCはケース温度） 尚、各損失の詳細な求め方は別途技術資料TN1_MOSFET_10_JPをご参照ください。 15

4. 回路上の注意点 4-1. ゲート・ソース間電圧 VGS MOSFETは図4-1のMOSFET出力特性の線形領域で使用することで、低 いオン抵抗で使用可能となります。 ゲート・ソース間に印加される電圧VGSはしきい値電圧VTH以上の高い電圧 で電流を流すことができますが、より高いVGSを印加することでより低いオ ン抵抗で使用することが可能です。 ただし、より高いVGSで使用する場合にはドライブ損失が大きくなるため適 切なVGSでの使用をご検討ください。 図4-1 MOSFET出力特性の例 4-2. スイッチング時間とドライブ条件 MOSFETは電圧駆動デバイスのため、高速スイッチングに適正のあるデバ イスです。しかし、高速スイッチングをする際にノイズやサージが発生する 場合がありますので、図4-2のようにMOSFETのゲート端子に抵抗RGを 追加することでノイズやサージを低減することができます。ただし、RGを 追加した場合にはスイッチング時間が長くなりますの、適切なRGでの使用 図4-2 ゲート駆動回路 1 をご検討ください。 また、一般的にMOSFETのスイッチング動作において、オフ側のスイッチ ング時間が長いと、損失が増えるため、図4-3のようにRGに並列にダイオ ードや抵抗を追加することで、スイッチング損失は小さくなります。ノイズ とスイッチング損失やスイッチング時間を考慮しながら、最適なゲート回路 をご検討ください。 図4-3 ゲート駆動回路 2 4-3. ソース・ドレイン間ダイオードについて 1) MOSFETではその構造上、ソース・ドレイン間に寄生素子としてPN 接合ダイオード（ボディーダイオード）が図4-4のように形成されま す。このためボディーダイオードダイオードに電流を流して使用される 場合には、その発熱についてご注意ください。 図4-4 内部等価回路 2) 図4-5はMOSFETを使ったインバータ回路例です。 この回路ではQ1とQ4がオンして、電流①が流れます。次にQ1をオ フすると、Q2のボディーダイオードを通して電流②が還流します。そ の後Q1をオンにすると、Q2のボディーダイオードが逆回復するまで の時間（trr）、短絡電流③がQ1からQ2に流れて、この損失により熱 が発生します。インバータ回路にMOSFETを使用する場合、ボディー ダイオードには逆回復時間 trrの短いものを使用してください。 図4-5 インバータ回路例 16

4-4. 並列接続の注意点 MOSFETはバイポーラトランジスタに比べて、図4-6のように並列接続す ることで比較的容易に大電流化が可能です。 各ゲート端子に抵抗RGを入れ、赤と青の配線は出来る限り同じ長さにして ください。並列接続する際は以下を考慮してください。 4-4-1. 電流バラツキ 図4-6 並列接続回路例 ① オン抵抗Ronによるバラツキ スイッチング期間以外でのMOSFET並列接続時の電流は、オン抵抗に反比例して流れます。 つまり、オン抵抗が最も低いデバイスに最も多くの電流が流れますが、MOSFETのオン抵抗は正の温度係数 を持つため、このバラツキが補償され比較的電流が均等になるように流れます。 よって、熱結合をしない場合でも、ある程度の電流バランスは保てます。 ② ゲートしきい値電圧Vthによるバラつき 一般に、電流アンバランスはスイッチング動作におけるオンとオフの過渡時に問題となります。これはMOSFETのスイッ チング時間の差に起因します。このスイッチング時間のバラつきは、ゲートしきい値電圧Vthに大きく依存します。 すなわち、Vthが小さい程早くターンオンを開始し、逆にオフ時はVthの大きいもの程早くターンオフを開始します。 このことから、オン時、オフ時ともにVthの低いMOSFETに一時的に電流が集中して電流アンバランスが発生します。特 にハードスイッチングの場合、この電流アンバランスは素子の電流定格、または、素子の温度使用定格を超えて破壊を招 くことがありますので、電流アンバランスを考慮した素子を選定してください。 ソフトスイッチングの場合はZVS（ゼロ電圧スイッチング）/ZCS（ゼロ電流スイッチング）効果によりVthのバラツキに よる影響は少なくなります。 4-4-2. 寄生発振 MOSFETのゲートを直接に並列接続すると、発振現象が起きやすくなります。この現象はミラー容量による帰還電流がゲー ト共通インピーダンスを流れ、帰還電圧が大きくなって発振しやすくなります。 また、帰還電圧は各MOSFETによって増幅されます。この発振電圧がゲート耐圧を超えると破壊しますし、ドレイン電流・ 電圧に発振成分が重畳し損失が増大します。ご使用の際は、必ず、MOSFETの各ゲートに直列の抵抗を挿入し、さらに必要 に応じてフィルターコア、フェライトビーズ等を挿入して下さい。 4-4-3. 配線 MOSFETを並列に接続する時、各端子の配線を均等にする必要があ ります。 特にソース端子側では、配線インダクタンスLs（図4-7）にソース 電流 Isが流れることで発生する逆起電圧Vs＝Ls×dIs/dtが、ゲー ト・ソース間電圧に作用しMOSFETのオン時のドレイン電流バラン スに大きな影響を与えます。 図4-7 配線インダクタンスを含む並列接続回路例 17

4-5. サージの注意点 回路動作上サージ電圧が発生する場合には、MOSFETの定格電圧 （ドレイン・ソース間電圧VDSS,ゲート・ソース間電圧VGSS）を超 えないように使用してください。なお、過渡的な電圧を吸収する作 用のあるスナバ回路例（図4-8）を使用することで、サージを抑制 することができます。 図4-8 スナバ回路例 ５. ID定格について 昨今の低耐圧MOSFETの電流定格 ID(DC)は、実際使用できる定格より遥かにかけ離れたシリコン物性限界値等より設定さ れた非現実的な高い ID定格電流値を謳っている場合があり、お客様のセット設計におけるMOSFETの印加可能電流の設定 に苦慮されるケースが散見されているようです。 しかし、新電元工業のMOSFETでは、各MOSFETのRDS(on)値、Rth(j-c)、ワイヤもしくはクリップボンドなどの製品組立 状態などの実力値とそのマージンを加味し事実に則った設定となっております。 18