MOSFETとIGBT両方の利点を備えたHybrid MOS

今回は、ロームがHybrid MOSと命名した、MOSFETとIGBT両方の利点を備えたMOSFETについて説明します。下図の一番下の赤い枠のポジションになります。

MOSFETとIGBTの優れた特性を併せ持つHybrid MOS GNシリーズ

Hybrid MOSは、スーパージャンクションMOSFET（以下SJ MOSFET）の高速スイッチングと低電流時の低オン抵抗、IGBTの高耐圧と大電流時の低オン抵抗という、両方の優れた特性を併せ持つ新構造のMOSFETです。

以下に、IGBT、SJ MOSFET、Hybrid MOSの特徴を比較した図を示します。

V-I特性が示すように、Hybrid MOSは、低電流領域においてはSJ MOSFETと基本的に同じ良好な特性をもっています。大電流領域では傾きが急になり、より多くの電流を流すことができます。これはSJ MOSFETよりこの領域のオン抵抗が低いことを示しており、IGBTと同等とまでは言えませんが、Hybrid MOSはSJ MOSFETの大電流領域の特性をかなり改善しています。

次の図は、5つの項目について5段階評価をした少し細かな比較になります。Hybrid MOSがオールラウンドな特性を備えていることが、よく分かると思います。

Hybrid MOS は、SJ MOSFET と比較して高温動作に大きな改善がなされています。また、より大きな電流での動作も可能になっています。これは、先にも記しましたがオン抵抗の温度特性に大きく関係しています。

右のグラフは、Hybrid MOSとSJ MOSFETのオン抵抗Ronの詳細な温度特性です。SJ MOSFETは高温時にI_Dに対するV_DS、つまりRonが大幅に増加します。したがって、周囲温度が高い場合はもちろんですが、I_Dが増えると発熱が増えチップ温度が上昇しRonが増え、それによってさらにチップ温度が上昇するといった熱暴走状態になりかねません。それに対しHybrid MOSは、高温になってもRonおよびRonの変動が非常に少なくなっており、Tj＝125℃、ID＝20Aでの比較では、Ron換算で62%の低減を実現しています。

IGBTとの比較においては、SJ MOSFETと同様にスイッチング特性が優れています。

IGBTの弱点とされる高速スイッチングが可能です。スイッチング周波数を速くすることができれば、回路を構成するインダクタやコンデンサの値とサイズを小さくすることができます。

また、損失要因の1つであるテイル電流がありません。IGBTでは、オフ時のテイル電流は重要な検討事項です。

市場ニーズに基づく開発背景

近年、省エネ法の改定により、家電製品はより使用実態に近いエネルギー消費効率を示すAPF（Annual Performance Factor）を表記するようになってきました。エアコンを例にとると、APFを改善するには、室温が安定した定常運転状態、つまり低負荷時の効率を高めることが1つのポイントになります。そのためには、低電流領域の効率が高いSJ MOSFETが有利になりますが、急速冷房時など高負荷時にはSJ MOSFETでは不十分な場合が多く、IGBTを使う例が少なくありません。しかしながら、IGBTは低負荷時の効率が劣るため、APFの観点からは全領域で効率の高いソリューションが求められていました。Hybrid MOSはこのような背景を基に開発されたMOSFETです。

以下のグラフは、エアコンのPFC回路においてHybrid MOS、SJ MOSFET、IGBTの効率を評価した例です。

効率曲線が示すのは、今まで説明してきた各トランジスタの特徴そのものです。Hybrid MOSは、低負荷時にはIGBTの効率を大幅に上回る効率を達成しつつ、高負荷時にはIGBTと同等の効率を維持しています。

これは、エアコンの例ですが、このHybrid MOSの特徴は、他の多くの機器でも非常に有用です。既存のIGBTを使ったアプリケーション、そしてSJ MOSFETを使ったアプリケーションに対する、Hybrid MOSのポジショニングを以下に示します。電力とスイッチング周波数に対するそれぞれのトランジスタのカバレッジを示してあります。

図が示す通り、Hybrid MOSの赤い枠内で重なる各トランジスタの領域に関しては、そのままHybrid MOSで代替が可能です。加えて、赤い枠内で重なっていない領域は、発展的な展開が考えられる領域です。SJ MOSFETベースのアプリケーションは、基本特性をそのままに高電力化することが可能です。IGBTベースのアプリケーションでは、IGBTとしては比較的電力が低めのアプリケーションの高効率化、そして高速化＝小型化が期待できると思います。

なお、現状入手可能な製品については、こちらからお問い合わせください。