【セルフターンオンとは？】対策や原因について！

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この記事ではMOSFETのセルフターンオンについて

  • セルフターンオンとは
  • セルフターンオンの原因とメカニズム
  • セルフターンオンの対策

などを図を用いて分かりやすく説明しています。

セルフターンオンとは

セルフターンオンとは

ブリッジ回路で構成される回路や降圧チョッパ回路などでは、OFFしているスイッチング素子(上図ではMOSFET)のドレインソース間電圧vDSが急に立ち上がります。

例えば、上図のブリッジ回路の場合、ローサイドのMOSFETがオフの状態において、ハイサイドのMOSFETがオンした時、ローサイドのMOSFETのドレインソース間電圧vDSが『0[V]→VIN[V]』と急激に変化します。

この時、ローサイドのゲートドレイン間容量CGDを通して、ゲートソース間容量CGSに電流が流れ充電されることで、ゲートソース間電圧vGSが上昇します。また、ローサイドのMOSFETのゲートドレイン間容量CGSを通して、ゲート抵抗RGに電流が流れることによってもゲートソース間電圧vGSが上昇します。

ゲートソース間電圧vGSがMOSFETの閾値電圧VTHを超えると、本来オフしているべきローサイドのMOSFETが誤ってオンしてしまいます。

この現象をセルフターンオンといいます。

このセルフターンオンによって、ローサイドのMOSFETとハイサイドのMOSFETが同時にオンとなり、損失の増大・素子の発熱・効率の悪化を引き起こします。最悪の場合、MOSFETが破壊する可能性があります。

補足

  • MOSFETはゲートがシリコン酸化膜で絶縁されている構造です。そのため、ゲート(G)・ドレイン(D)・ソース(S)の各端子間には下図のような寄生コンデンサが存在しています。ゲートドレイン間容量CGDとゲートソース間容量CGSの値は主にゲート電極の構造によって決まり、ドレインソース間容量CDSの値は主にPN接合容量によって決まります。

    • MOSFETの寄生コンデンサ

  • セルフターンオンは英語では「Self Turn-On」と書きます。また「Parasitic Turn-on」とも呼ばれています。

セルフターンオンの原因とメカニズム

上図のブリッジ回路の場合、ローサイドのMOSFETがオフの状態からハイサイドのMOSFETがオンした時、ローサイドのMOSFETのドレインソース間電圧vDSが「0[V]→VIN[V]」と急激に変化します。

ここで、ローサイドのMOSFETのドレインソース間電圧vDSの変化を\(\displaystyle\frac{dv_{DS}}{dt}\)とすると、MOSFETのゲートドレイン間容量CGDに流れる電流iは次式となります。

\begin{eqnarray}
i=C_{GD}\frac{dv_{DS}}{dt}\tag{1}
\end{eqnarray}

このゲートドレイン間容量CGDに流れる電流iがゲートソース間容量CGSやゲート抵抗RGに流れることによって、ゲートソース間電圧vGSが上昇しますが、ドレインソース間電圧vDSの変化の速さによって2つのメカニズムに分類されます。

ドレインソース間電圧の変化が急の場合

【セルフターンオンの原因とメカニズム】スイッチング周波数が高い時

MOSFETのスイッチング周波数が高く、MOSFETのスイッチングスピードが速い場合(ドレインソース間電圧vDSの変化が急の場合)、ローサイドのMOSFETのゲートソース間電圧vGSはゲートドレイン間容量CGDとゲートソース間容量CGSの分圧となります。式で表すと次式となります。

\begin{eqnarray}
v_{GS}{\;}{\approx}{\;}\frac{C_{GD}}{C_{GS}+C_{GD}}v_{DS}\tag{2}
\end{eqnarray}

このゲートソース間電圧vGSがMOSFETの閾値電圧VTHを超えると、セルフターンオンしてしまいます。

補足

  • (2)式では、MOSFETのスイッチング周波数が高い場合を想定しているため、コンデンサのインピーダンス\(Z=\displaystyle\frac{C}{2πfC}\)が小さくなります。そのため、MOSFETのゲートドレイン間容量CGDに流れる電流iはゲートソース間容量CGSにすべて流れている(すなわち、ゲート抵抗RGを無視している)と仮定して導出しています。
  • 上述の仮定の場合、ゲートドレイン間容量CGDに流れる電流iは『ドレイン(D)→CGD→CGD→ソース(S)』の経路で流れます。
  • ドレインソース間電圧vDSの変化が急ということは、\(\displaystyle\frac{dv_{DS}}{dt}\)が大きいということです。

ドレインソース間電圧の変化が緩やかの場合

【セルフターンオンの原因とメカニズム】スイッチング周波数が低い時

MOSFETのスイッチング周波数が低く、MOSFETのスイッチングスピードが遅い場合(ドレインソース間電圧vDSの変化が緩やかの場合)、ローサイドのMOSFETのゲートソース間電圧vGSはゲートドレイン間容量CGDに流れる電流iとゲート抵抗RGの積となります。式で表すと次式となります。

\begin{eqnarray}
v_{GS}{\;}{\approx}{\;}R_{G}C_{GD}\frac{dv_{DS}}{dt}\tag{3}
\end{eqnarray}

このゲートソース間電圧vGSがMOSFETの閾値電圧VTHを超えると、セルフターンオンしてしまいます。

補足

  • (3)式では、MOSFETのスイッチング周波数が低い場合を想定しているため、コンデンサのインピーダンス\(Z=\displaystyle\frac{C}{2πfC}\)が大きくなります。そのため、MOSFETのゲートドレイン間容量CGDに流れる電流iはゲート抵抗にすべて流れている(すなわち、ゲートソース間容量CGSを無視している)と仮定して導出しています。

    • 上述の仮定の場合、ゲートドレイン間容量CGDに流れる電流iは『ドレイン(D)→CGD→RG→ドライバIC→GND』の経路で流れます。

  • ドレインソース間電圧vDSの変化が緩やかということは、dvDS/dtが小さいということです。

セルフターンオンの対策

「ドレインソース間電圧の変化が急の場合」、「ドレインソース間電圧の変化が緩やかの場合」におけるセルフターンオンの対策について説明します。

ドレインソース間電圧の変化が急の場合

  1. 閾値電圧VTHが高いMOSFETを使用する

    2. →閾値電圧VTHが高いほど、セルフターンオンが発生しにくくなります。

    しかし、閾値電圧VTHが高いMOSFETほどオン抵抗RDSが高くなる傾向にあるため、闇雲に閾値電圧VTHの高いMOSFETを使用すればよいというわけではありません。

    また、温度が高いほど閾値電圧VTHは低くなるため、高温時においてセルフターンオンが発生しないかの検証を十分に行うことが必要です。

  2. CGS/CGDが大きいMOSFETを選定する

    3. →(2)式を変形すると次式となります。

    \begin{eqnarray}
    v_{GS}{\;}{\approx}{\;}\frac{1}{\displaystyle\frac{C_{GS}}{C_{GD}}+1}v_{DS}\tag{4}
    \end{eqnarray}

    そのため、セルフターンオンを防止するためには(ゲートソース間電圧vGSを小さくするためには)、CGS/CGDの比をできるだけ大きくする必要があります。

  3. MOSFETのゲートソース間に容量CADDを追加する

    4. →MOSFETのゲートソース間に容量CADDを追加すると、ローサイドのMOSFETのゲートソース間電圧vGSは次式となります。

    \begin{eqnarray}
    v_{GS}{\;}{\approx}{\;}\frac{C_{GD}}{C_{GS}+C_{ADD}+C_{GD}}v_{DS}\tag{5}
    \end{eqnarray}

    分母にCADDがあるため、ゲートソース間電圧vGSを小さくすることができ、セルフターンオンの対策をすることができます。

    しかし、容量CADDを追加することによって、MOSFETのスイッチングスピードが遅くなり、スイッチング時間が長くなります。

    その結果、スイッチング損失の増大や、ゲート電荷量QGの増大に伴うデッドタイムの設定が必要になるなどのデメリットが生じるので注意が必要です。

ドレインソース間電圧の変化が緩やかの場合

  1. 閾値電圧VTHが高いMOSFETを使用する
  2. ローサイドMOSFETのターンオフ時のゲート抵抗RGを小さくする(ターンオフ抵抗を小さくする)

    3. →(3)式よりゲート抵抗RGを小さくすると、ゲートソース間電圧vGSを小さくすることができ、セルフターンオンの対策をすることができます。

  3. ハイサイドMOSFETのターンオン抵抗を大きくする

    4. →ハイサイドMOSFETのターンオン抵抗を大きくすると、ローサイドMOSFETのdvDS/dtが小さくなります。

  4. 内部ゲート抵抗rGの小さなMOSFETを選定する

    5. →MOSFETには内部ゲート抵抗rGと呼ばれる抵抗がわずかに存在します。この内部ゲート抵抗rGが小さな素子を選定することで、セルフターンオンの対策をすることができます。

  5. ドライバICの出力インピーダンスZの小さな素子を選定する

    6. セルフターンオンの対策

ゲートドレイン間容量とゲートソース間容量の値

ゲートドレイン容量とゲートソース間容量の値
「ドレインソース間電圧の変化が急の場合」においては、CGS/CGDが大きいほど、セルフターンオンが発生しにくくなります。

CGS/CGDの値が10以上(可能ならば15以上)ならば、セルフターンオンしにくいMOSFETであると言われています。

ここで、東芝製2SK3564のゲートソース間容量CGSとゲートドレイン容量CGDをデータシートから算出し、CGS/CGDがどれくらいになるか求めてみます。

東芝製2SK3564のデータシートを見ると、入力容量Ciss、出力容量Coss、帰還容量Crssが記載されています。また、各容量は次式で表されます。

\begin{eqnarray}
入力容量C_{iss}&=&C_{GD}+C_{GS}\\
出力容量C_{oss}&=&C_{DS}+C_{GD}\\
帰還容量C_{rss}&=&C_{GD}
\end{eqnarray}

そのため、東芝製2SK3634のゲートソース間容量CGSとゲートドレイン容量CGDを計算すると、

\begin{eqnarray}
C_{GS}&=&685{\mathrm{[pF]}}\\
C_{GD}&=&15{\mathrm{[pF]}}
\end{eqnarray}

となり、CGS/CGDは約45.6となります。

まとめ

この記事ではMOSFETのセルフターンオンについて、以下の内容を説明しました。

当記事のまとめ

  • セルフターンオンとは
  • セルフターンオンの原因とメカニズム
  • セルフターンオンの対策

お読み頂きありがとうございました。

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