SiCパワーMOSFETのデバイスモデル、オン時の容量考慮で精度が大幅向上：SiC採用のための電源回路シミュレーション（1）（1/5 ページ）

スイッチング動作が極めて高速なSiCパワーMOSFETを用いた電源回路設計では、回路シミュレーションの必要性に迫られることになるが、従来のモデリング手法を用いたデバイスモデルでは精度面で課題があった。本連載では、この課題解決に向けた技術や手法について紹介する。

[谷川博章／橋本憲良（キーサイト・テクノロジー），EDN Japan]

　電源回路でこれまで使いこなしてきたIGBT。これをSiC（炭化ケイ素）パワーMOSFETに置き換える最大の目的は、変換効率が高く、外形寸法が小さい電源回路を実現することにあるだろう。SiCパワーMOSFETを使えば、電力損失を大幅に低減できることに加えて、スイッチング周波数を高められるからだ。

　しかし残念ながら、この目的はそう簡単には達成できない。なぜならば、SiCパワーMOSFETのスイッチング動作は極めて高速だからだ。IGBTで培ってきた経験と知見だけで電源回路を設計すると、大きなリンギングやノイズが発生してしまうなど、思わぬトラブルに見舞われるだろう。

「ベテラン設計者の勘や経験」は通用しない

　それでは、どのように設計すればいいのだろうか。恐らく、社内を見渡してもSiCパワーMOSFETを採用した電源回路設計の経験や知見を持つ設計者はいないはずだ。SiCパワーMOSFETは、新しいスイッチングデバイスだからである。このため、「ベテラン設計者の勘や経験で乗り切る」といった、かつての切り札は使えない。

　そこで登場するのが回路ミュレーションである（図1）。回路シミュレーションとは、電気／電子回路を実際に組み立てる前に、半導体ICや受動部品などのモデル（デバイスモデル）を使ってさまざまな電気的な振る舞いをコンピュータ上で解析するものだ。この解析結果を基にして設計をブラッシュアップすれば、トラブルを回避できるとともに期待した通りの性能の電源回路を得られるようになる。すでに電子回路、特にRF回路の設計現場では回路シミュレーションの活用は当たり前になっている。

図1：回路シミュレーションの活用で設計期間を短縮
設計の初期段階で回路シミュレーションを実行することで、試作の回数を減らせるなどのメリットを享受できる。このため、設計期間を大幅に短縮できるようになる。出所：キーサイト・テクノロジー

　この回路シミュレーションを利用するに当たって重要になるのが、デバイスモデルである。そもそもデバイスモデルがなければ、回路シミュレーションは実行できない。しかし、SiCパワーMOSFETを製品化する半導体メーカー全てがデバイスモデルをWebサイトで提供しているわけではない。また、Webサイトで提供していたとしても、その精度に満足できないケースもある。半導体メーカーの中には、書類にサインすれば高精度なデバイスモデルを提供してくれるところもあるが、そうしたデバイスモデルを使うと回路シミュレーションの実行時間が長くなりすぎてしまい、実用に耐えないケースもある。

　こうしたSiCパワーMOSFETが抱えるデバイスモデル問題。キーサイト・テクノロジー（以下、キーサイト）は、計測器や回路解析ツールなどを駆使して、この問題解決に向けた技術や手法の開発に取り組んでいる。