電子部品

【MOSFETの寄生容量】入力容量Ciss・出力容量Coss・帰還容量Crssについて解説!

スポンサーリンク


この記事ではMOSFETの寄生容量について

  • 『MOSFETの寄生容量』と『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』の関係
  • 『MOSFETの寄生容量』の導出方法
  • 『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』の電圧特性と温度特性

などを図を用いて分かりやすく説明しています。

以下の目次から各項目に飛べるようになっています。

『MOSFETの寄生容量』と『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』の関係

『MOSFETの寄生容量』と『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』の関係

MOSFETはゲート酸化膜によりゲート(G)がドレイン(D)及びソース(S)と絶縁されている構造をしています。また、ドレインソース間はPN接合が形成されているため、寄生ダイオード(ボディダイオード)が内臓された構造となっています。そのため、下記の寄生容量が存在します。

MOSFETの寄生容量

  • ゲートソース間容量Cgs
  • ゲートドレイン間容量Cgd
  • ドレインソース間容量Cds

ゲートソース間容量Cgs及びゲートドレイン間容量Cgdはゲート酸化膜の静電容量により決まります。また、ドレインソース間容量Cdsは寄生ダイオードの接合容量により決まります。

一方、MOSFETのデータシートには入力容量Ciss・出力容量Coss・帰還容量Crssが記載されています。これらの容量はスイッチング性能に影響を与える重要なパラメータとなっています。

『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』と『MOSFETの寄生容量(Cgs,Cgd,Cds)』の関係は次式となっています。

入力容量・出力容量・帰還容量

  • 入力容量Ciss=ゲートソース間容量Cgs+ゲートドレイン間容量Cgd
  • 出力容量Coss=ドレインソース間容量Cds+ゲートドレイン間容量Cgd
  • 帰還容量Crss=ゲートドレイン間容量Cgd

次に各容量について順に説明します。

入力容量Ciss

入力容量Cissゲートソース間容量Cgsゲートドレイン間容量Cgdの和であり、入力側(ゲート側)からMOSFETを見たときの全体の容量となります。

入力容量Cissを充電するために必要な電荷量がゲート入力電荷量Qgとなります。

MOSFETをON/OFFするためには、この入力容量Cissを充電/放電する必要があります。そのため、入力容量Ciss(及びQg)はゲート駆動回路(ドライブ回路)の設計やドライブ損失の計算において用いるパラメータとなります。

出力容量Coss

出力容量Cossドレインソース間容量Cdsゲートドレイン間容量Cgdの和であり、出力側(ドレイン側)からMOSFETを見たときの全体の容量となります。

出力容量Cossが大きい場合、ゲートに印加する電圧をゼロ(またはマイナス)にしたときにおいて、出力容量Cossを充電するために要する時間が長くなるため、MOSFETが完全にOFFするまでにかかる時間が長くなります。

同様に、ゲートに印加する電圧をハイ(MOSFETの閾値電圧以上)にしたときにおいて、出力容量Cossを放電するために要する時間が長くなるため、MOSFETが完全にONするまでにかかる時間が長くなります。

帰還容量Crss

帰還容量Crssゲートドレイン間容量Cgdと等しくなります。

帰還容量Crssを充電するために必要な電荷量がゲートドレイン間電荷量Qgdとなります。

帰還容量Crss(およびQgd)はスイッチング速度に大きく影響するパラメータであり、帰還容量Crss(およびQgd)が大きいほど、MOSFETのON/OFF時にドレインソース間電圧vDSの立ち上がり/立ち下がりが遅くなります(つまり、スイッチング速度が遅くなります)。

補足

  • 帰還容量は逆伝達容量とも呼ばれています。
  • 帰還容量Crss(およびQgd)はゲートソース間電圧VGSの波形における平坦部に関連しています。帰還容量Crss(およびQgd)が大きいほど、下図の平坦部の期間(ミラー期間)が長くなるため、スイッチング速度が遅くなります。
  • MOSFETの寄生容量(Cgs,Cgd,Cds)が大きいほど、スイッチング損失が大きくなります。そのため、軽負荷時の効率が悪化します。
  • 帰還容量Crss(ゲートドレイン間容量Cgd)とゲートソース間電圧vGS

『MOSFETの寄生容量(Cgs,Cgd,Cds)』の導出

『MOSFETの寄生容量(Cgs,Cgd,Cds)』の導出

上図は東芝製NチャネルMOSFET(2SK3564)の電気的特性の抜粋です。

このようにデータシートには入力容量Ciss・出力容量Coss・帰還容量Crssが記載されているため、その値を用いればMOSFETの寄生容量(Cgs,Cgd,Cds)を導出することができます。

帰還容量Crssが15[pF]なので、ゲートドレイン間容量Cgdは次式となります。

\begin{eqnarray}
C_{gd}&=&C_{rss}\\
&=&15{\mathrm{[pF]}}\\
\end{eqnarray}

また、入力容量Cissが700[pF]なので、ゲートソース間容量Cgsは次式となります。

\begin{eqnarray}
C_{iss}&=&C_{gs}+C_{gd}\\
{\Leftrightarrow}C_{gs}&=&C_{iss}-C_{gd}\\
&=&700-15\\
&=&685{\mathrm{[pF]}}\\
\end{eqnarray}

また、出力容量Cossが700[pF]なので、ドレインソース間容量Cdsは次式となります。

\begin{eqnarray}
C_{oss}&=&C_{ds}+C_{gd}\\
{\Leftrightarrow}C_{ds}&=&C_{oss}-C_{gd}\\
&=&75-15\\
&=&60{\mathrm{[pF]}}\\
\end{eqnarray}

『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』の電圧特性と温度特性

『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』の電圧特性と温度特性

MOSFETの『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』はドレインソース間電圧VDSに対して依存性があります。

上図は東芝製NチャネルMOSFET(2SK3564)の電圧特性です。

ドレインソース間電圧VDSが大きいほど、各容量の静電容量値が小さくなります。

なお、MOSFETの『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』は温度に対してほとんど依存性がありません。

まとめ

この記事ではMOSFETの寄生容量ついて、以下の内容を説明しました。

当記事のまとめ

  • 『MOSFETの寄生容量』と『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』の関係
  • 『MOSFETの寄生容量』の導出方法
  • 『入力容量Ciss,出力容量Coss,帰還容量Crss』の電圧特性と温度特性

お読み頂きありがとうございました。

当サイトでは電気に関する様々な情報を記載しています。当サイトの全記事一覧には以下のボタンから移動することができます。

全記事一覧

スポンサーリンク
スポンサーリンク

© 2020 Electrical Information Powered by AFFINGER5