詳細FET素子のスイッチング特性

基本特性

スイッチ素子には基本特性として次の3つの特性があります。

オン領域（線形領域）
オフ領域（遮断領域）
アクティブ領域（飽和領域）

オン領域、オフ領域では、それぞれオン抵抗、オフ抵抗でモデル化されています。

アクティブ領域はスイッチング損失を求めるのに最も重要な領域であり、
基本的には、アクティブ領域とオン領域の境界部分も含めた解析をするために、ドレイン・ソース電圧がピンチオフ電圧より大きい場合と小さい場合とで二つの特性式が用いられます。

ターンオン特性、ターンオフ特性は、これらの特性式を用いて設定されている測定条件下において、ドレイン電流変化時間がターンオン時間（Rise Time）、ターンオフ時間（Fall Time）に近づくような特性となっています。

このとき、

Crssチェック無しの場合、Crssは素子の内部に含まれないモデルとなり、ドレイン電流の傾きを調整するために、アクティブ領域においてFETの入力容量がミラー効果によって増加するモデルとなります。
Crssチェック有りの場合、Crssは素子の内部に含まれており、アクティブ領域において、ミラー効果が発生します。Crssの容量は素子パラメータにより自動的に設定され、スイッチの電圧電流によって動的に変更されます。

以下のスイッチング特性に関係するパラメータは適切に設定する必要があります。

Gate Resistance
Gate Resistance at ON state
Gate Resistance at OFF state
Input Capacitance(Ciss)
Output Capacitance(Coss)
Rise Time
Fall Time
Drain Current at Rise/Fall Time
Drain-Source Voltage at Rise/Fall Time
Saturation Gate Voltage
Gate Voltage at ON State

パラメータの定義と設定について

スイッチング特性に関係するパラメータの定義や、パラメータ設定に実測値やデータシートを使用する場合の注意点について記載します。

Rise Time(Tr)の定義

ScideamにおけるRise Time(Tr)は、ターンオン時において正味のドレイン電流が0(0%)からオン電流(100%)になるまでの時間と定義しています。
ここで、正味のドレイン電流とは、出力容量Cossおよびボディダイオードの電流を含まないドレイン電流を意味します。

Fall Time(Tf)の定義

Fall Time(Tf)はターンオフ時において正味のドレイン電流がオン電流(100%)から0(0%)になるまでの時間と定義しています。

Rise Time/Fall Timeの注意点

ScideamのRise Time(Tr)、Fall Time(Tf)にデータシートや実測値を利用する場合、以下の点に注意が必要です。

抵抗負荷で定義されている
ScideamのRise Time、Fall Timeは、抵抗負荷で定義されています。したがって、データシートのTr、Tfが抵抗負荷で定義されていれば、ドレイン・ソース電圧とドレイン電流は比例するのでScideamの定義とデータシートの定義に大きな違いはありません。しかし、データシートが抵抗負荷以外で定義されている場合は注意が必要です。
ドレイン電流で定義されている
一般的にメーカーのデータシートのTr、Tfは、ドレイン・ソース電圧で定義されています。しかし、本来スイッチ素子のアクティブ領域における基本特性は、ゲート電圧でドレイン電流が決まる特性となっているので、ドレイン電流を基にすればTr、Tfはスイッチ素子だけで一意に定義することができます。
一方、ドレイン・ソース電圧はスイッチ素子の周辺のインピーダンスに依存するので、ドレイン・ソース電圧を基にしたTr、Tfはスイッチ素子だけでは一意に定義できません。以上の理由により、ScideamのTr、Tfはドレイン電流によって定義されています。
ドレイン電流変化の0%～100％で定義されている
データシートでは、ドレイン・ソース電圧変化の10%～90%で定義されていますが、Scideamでは、ドレイン電流変化の0%～100%で定義されています。
Cossやボディダイオードの電流を除いた正味のドレイン電流で定義されている
実測値のドレイン電流はCossやボディダイオードの電流を含んでいます。一方、Scideamでは、Rise Time、Fall Timeの定義にはCossの電流を含まない正味のドレイン電流が使用されています。
Cossは固定値で定義されている
Cossにはドレイン・ソース電圧依存特性のない固定値を使用して定義されています。

実測値を利用する場合

実測値を使用する場合はパラメータごとに下記の点をご確認ください。

Gate Resistance
Gate Resistance at ON state
Gate Resistance at OFF state

Gate Resistanceは、後述のInput Capacitance(Ciss)とともにゲート電圧の時定数を決定し、結果としてドレイン電流のスルーレートを決定する重要なパラメータです。

ゲート抵抗に関するパラメータはScideamv2.8でパラメータが追加され、設定内容が変更されているためご注意ください。

v2.8以降のバージョン
Gate ResistanceはFET素子内部の抵抗を設定します。
Gate Resistance at ON stateはTr,Tf測定時のドライブ回路のゲート抵抗を設定する必要があります。
Gate Resistance at OFF stateはTr,Tf測定時のドライブ回路のゲート抵抗値がターンオン時とターンオフ時で異なる場合にターンオフ時のゲート抵抗値を設定します。
ターンオンとターンオフで同じ回路の場合はGate Resistance at ON stateと同じ値を設定してください。
v2.7以前のバージョン
Gate Resistanceは素子内部の抵抗だけでなく、ドライブ回路のゲート抵抗も含めて設定する必要があります。

Input Capacitance(Ciss)
ゲート・ソース容量＋ゲート・ドレイン容量の和です。

Output Capacitance(Coss)

ドレイン・ソース容量＋ゲート・ドレイン容量の和です。
Vds-Coss特性テーブルが設定されている場合は、アクティブ領域においてはテーブルにしたがって随時変更されます。

Saturation Gate Voltage

オン領域になるときのゲート・ソース電圧です。
通常は、ドライブ回路のパルス振幅(0Vからの値)を設定します。
この値が、パルス振幅より大きいとスイッチ素子はオンしきれずスイッチング損失が大きくなります。

Rise Time
Fall Time

これらのパラメータに関しては上述の定義を参照してください。

Drain Current at Rise/Fall Time
Drain-Source Voltage at Rise/Fall Time

Drain Current at Rise/Fall Timeは、ターンオン直後のドレイン定常電流を設定してください。
Drain-Source Voltage at Rise/Fall Timeはターンオン直前のドレイン・ソース定常電圧を設定してください。

データシートを利用する場合

データシート値を利用してパラメータ設定する場合も、実測値を利用する場合と基本的には同じですが、以下の点にもご確認ください。

Output Capacitance(Coss)

データシートにCossの代表値と実効値が記載されている場合は実効値を使用してください。
より正確にするにはVds-Coss特性テーブルを設定してください。

Rise Time
Fall Time
Drain Current at Rise/Fall Time
Drain-Source Voltage at Rise/Fall Time
Gate Resistance
Gate Resistance at ON state
Gate Resistance at OFF state
Gate Voltage at ON State
Gate Voltage at OFF State

これらのパラメータは一般的に、Rise Time(Tr)、Fall Time(Tf)の項目に条件値として記載されており、実機での測定値と異なるケースが多々あるため、データシートの値を使用する場合は一括して設定することが推奨されます。

以下のゲート駆動回路に関係するパラメータについてはScideamv2.8で変更及び追加されているため注意が必要です。

Gate Resistance
Gate Resistance at ON state
Gate Resistance at OFF state
Gate Voltage at ON State
Gate Voltage at OFF State

v2.8以降のバージョン
Gate Resistanceはデータシートに記載されているFET素子内部のゲート抵抗を設定します。
Gate Resistance at ON state、Gate Resistance at OFF stateについてはデータシートのTr,Tf測定時の条件値に記載されたゲート抵抗値を設定します。
ゲート駆動回路がターンオンとターンオフで分かれている場合はGate Resistance at ON stateにターンオン時のゲート抵抗値を設定し、Gate Resistance at OFF stateにターンオフ時のゲート抵抗値を設定します。
ゲート駆動回路が分岐していない場合や特に記載がない場合は双方に同じ値を設定してください。 Gate Voltage at ON State、Gate Voltage at OFF StateについてはTr,Tf測定時の条件値に記載されているゲート飽和電圧と、実際のゲート飽和電圧に乖離がある場合に、Tr,Tf測定時の条件値の値を設定します。
v2.7以前のバージョン
Gate ResistanceについてはFET内部のゲート抵抗と、Tr,Tf測定時の条件値に記載された外部ゲート抵抗値を足し合わせたものを設定します。
データシート値を設定し、実機との差分抵抗をドライブ回路に外付け抵抗として付加します。
なお、Scideamでは、正負の抵抗値が設定できます(0には設定できない)。