Application Note
パワースイッチングデバイス

ブリッジ構成におけるゲート-ソース電圧の振る舞い
MOSFET や IGBT などのパワースイッチングデバイスは、様々な電源アプリケーションや電力ラインのスイッチング素子として使用されています。また、使用されている回路方式も多岐に渡り、単独使用はもちろんのこと、直列接続や並列接続での使用方法も多数あります。特に、デバイスを上下に直列接続するブリッジ構成では、それぞれのデバイスを交互にオンオフすることが一般的であり、各デバイスに流れる電流や変化する電圧によりお互いに複雑に影響を与えています。そこで、このアプリケーションノートでは、MOSFET ブリッジ構成におけるに各 MOSFET のゲートーソース間電圧に着目し、最も簡単な同期方式 boost 回路を例にして、スイッチング動作を詳細に理解することを目的とします。

（VDS）、ドレイン電流（ID）の波形の概形を Figure 3 に示します。

MOSFET のブリッジ構成

この波形はインダクタ L の電流が連続動作となる、いわゆるハードスイッチング状態について考えています。

MOSFET をブリッジ構成で使用する最も簡単な同期方式 boost回路を示します（Figure 1）。

LS-MOS: ON

EO

(HS)

Gate Signal

High
Side

HS-MOS: OFFL

VSW
VG

(LS)

VSW

E

EO

Low
SideLS

Figure 1. 同期方式 Boost 回路
Drain-Source
VoltageHS

この回路に使用されている MOSFET の上側（HS）と下側(LS)は交互にオンしており、同時オンを防止するために両 MOSFET がオフしているデッドタイムが設定されています（Figure 2）。

Drain Current

LS

HS
T7

T8

T1

T2

T4 T5

T3

T6

T7

Figure 3. 各 MOSFET の電圧・電流波形。
横軸は時間を表し、時間領域 Tk(k=1~8)のFigure 2. ゲート信号（VG）タイミング

定義は各々以下の通りです。
T1:LS が ON し MOSFET の電流が変化している期間

この動作の場合の、HS と LS 各 MOSFET のドレイン-ソース電圧© 2020 ROHM Co., Ltd.

T2:LS が ON し MOSFET の電圧が変化している期間

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ブリッジ構成におけるゲートーソース電圧の振る舞い
T3:LS が ON している期間

Application Noteが所定の電圧まで達した時、LS 側のターンオン動作が完了します。

T4:LS が OFF し MOSFET の電圧が変化している期間

一方、ターンオフ動作は LS 側 VG がオフすることにより開始され、LS

T5:LS が OFF し MOSFET の電流が変化している期間

側の CGS の蓄積電荷が放電を開始し MOSFET のプラトー電圧に達T4-T6:HS が ON するまでのデッドタイム期間

する（ミラー効果領域に入る）と、LS 側の VDS が上昇を始め、同時

T7:HS が ON している期間（同期整流期間）に VSW が上昇します。この時点ではほとんどの負荷電流はまだ LS 側に

T8:HS が OFF し LS が ON するまでのデッドタイム期間流れている状態（Figure 3-T4）であり、HS 側の寄生ダイオードにはまだ転流電流は流れていません。LS 側の CDS+CGS への充電（HSゲート駆動回路側は放電）が完了すると、VSW が入力電圧（E）を超え、HS 側の寄生ダイオードがターンオンし、LS 側の ID が HS 側に転流し始めます

LS 側のターンオン時とターンオフ時における VDS および ID の変化の（Figure 3-T5）。LS 側の ID はやがてゼロとなり、デットタイム期間仕方が異なることは周知ですが、それらが変化することによるゲート-（Figure 3 -T6）に入り、HS 側 MOSFET のゲート信号に正の VGソース電圧（VGS）への影響について考える場合には、ゲート駆動が印加され るとターン オンし、同 期動作期間とな ります （Figure回路の等価回路が重要となってきます。

3-T7）。

Figure 4 に基本となる等価回路を示します。

こ の一 連 の スイ ッチ ング 動 作に お い て、 HS 側 お よ び LS 側のMOSFET の VDS および ID の変化に起因して様々なゲート電流が流

Drain
IG
RG_EXT

VG

LTRACE

ICGD

れ、それが印加信号 VG とは違う VGS 変化となって現れます。この様々

CGDなゲート電流を Figure 5 に示します。図中の(I)、(l’)、(II)、(III)は
VGS が変化する個別の事象に付番したものであり、以下、詳述しま

ID

RG_INT

す。

CDS

Gate

CGS
LSOURCE
VDS

VGS－Source

ICGD1
ICGD2 (II)-1＋ (II)-2Figure 4. ゲート駆動回路と MOSFET 等価回路＋ －(III)

ゲート駆動回路には、ゲート信号（VG）、デバイス内部のゲート配－＋＋(I’)

線による抵抗（RG_INT）、およびデバイスパッケージのソースインタクダ
ンス（Lsource ）と、ゲート回路パターンのインダクタンス（LTRACE）と(I)－VSW

VSWfalling

外付けゲート抵抗（RG_EXT）が存在します。 Figure 3 にも示した

decrease

とおり、各電圧電流の極性は、ゲート電流（IG）および ID が Figure４に示す方向を正とし、ソース端子を基準として VGS および VDS を定＋義しました。なお、デバイス内部のゲート配線インダクタンスも存在しま

ICGD2－ (II)-2

すが、LTRACE に比べ小さいため、ここでは省略しています。
VG

ターンオン・ターンオフ動作－ ＋(III)

E－＋＋(I’)(I)－increase

Figure 3 の波形の詳細を以下で説明します。
LS 側を ON するため、LS 側ゲート信号に正の VG が印加されると、GND

ゲート－ソース間容量（CGS）への充電が開始され、VGS が上昇、デFigure 5. LS ターンオン時のゲート信号電流挙動

バイスのゲートしきい電圧（VGS(th)）以上になると LS で ID が流れ始め、同時にソース→ドレインの向きに流れている HS 側の ID が減少を

dVDS/dt により発生する電流開始します（Figure 3-T1）。次に HS 側の ID がゼロになり寄生ダイオードがターンオフすると中間点の電圧（VSW）が降下し始めると同

Figure 4 に示したように、VDS が変化すると、CGD に電流（ICGD）

時に HS 側のドレイン-ソース間容量（CDS）およびドレイン-ゲート間が流れます。この電流は、Figure5 に示すように、CGS 側に流れる電容量（CGD）への充電が行われます（Figure 3-T2）。 この HS流（ICGD1: (II)-1）とゲート回路側に流れる電流（ICGD2: (II)-2）

側での CDS＋CGS への充電（LS 側は放電）が完了後、LS 側の VGSに分かれます。変化開始時はゲート回路側のインピーダンスが大きく、© 2020 ROHM Co., Ltd.

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ブリッジ構成におけるゲートーソース電圧の振る舞い

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ICGD はほとんど CGS 側に流れ、このとき ICGD1 は式（1）のようになりまング条件によっては数アンペアに達することがあり、この起電が大きくなす。

ることがあります。

ICGD ≅ICGD1 =CGD
1+CGD /CGS

∙dVDS

結果としてゲート電圧の挙動は Figure 6 のようになります。図(1)dt

中の番号は Figure 5 の番号と同じ事象を表しています。なお、図これより、CGD が大きい場合や、CGD/CGS 比が小さくなる場合は、

中 VGS の点線は理想的な電圧波形を示しています。

VDS

ICGD1 が大きくなることが分かります。

dID/dt により発生する電圧

T7

T8

T1T2

T3

HS

ID の変化 dID/dt により発生する電圧は、

VLSOURCE =LSOURCE ∙dID

(2)

dt

LSとなります。これが事象(I)です。この電圧により電流(I‘)が流れます。
dVDS/dt や dID/dt には正にも負にもなるため、それによって発生すIDLSる電流や電圧の極性はターンオンとターンオフ時で異なってきます。

ターンオン時のゲート信号の振る舞い

HS

LS ターンオン時はまず ID が変化します（Figure 3-T1）。 LS のID は増加方向、HS の ID は減少方向となるため、事象(I)により、VGS

Figure5 に示す極性で起電（式(2)）が発生します。この起電による電流は CGS をソース側を正として充電するため、LS では VGS を押し下げる一方、HS では VGS がマイナス側に引っ張られ、負サージとして見えます。

(III)

LS(I)
(II)

ID の変化が終了すると LS 側の VDS の電位が減少します（Figure(III)3-T2）。よって式（1）による電流が、Figure 5 中の(II)-1、(II)-2

HSのように流れ、それぞれ以下の式で表される電圧上昇が VGS で起きまtimeす。これが事象(II)になります。

VSURGE2-1 ==V1CGS

11+CGS /CGD

SURGE2-2

Figure 6. ゲートーソース電圧の挙動（LS 側ターンオン時）∫ (ICGD1 )dt∙⊿VDS=ICGD2 ∙RG_EXT +LTRACE ∙Figure 7 は、ローム製 MOSFET をブリッジ構成とし、LS 側をターン(3)dICGD2dt

オンした時のダブルパルス試験結果です。外付けゲート抵抗 RG_EXT は0Ω（Figure 7(a)）と 10Ω（Figure 7(b)）です。

(4)

RG_EXT が小さい時、Figure 7(a)にあるように、事象(I)によるVGS の減少が大きいことが分かります。また、非常に速いスイッチング速VDS が変化を開始した直後は式（3）による VGS 上昇が主ですが、度のため、事象(III)が顕著に発生していますが、RG_EXT が 0Ωのため時間とともに式（4）による VGS 上昇も見えるようになります。つまり、事象(II)の波形はほとんど観測されません。一方、Figure 7(b)におMOSFET の CGD/CGS 比や、駆動回路の RG_EXT やゲート駆動信号

いては、事象(II)-2、RG_EXT による VGS の持ち上がりが顕著に現れてパターンのインダクタンス LTRACE が大きく影響してくることがわかります。

います。

Figure 5 に示した通り、HS 側における(II)-2 の電流 ICGD2 は VGS

この結果からも明白なように、LS 側オン時の HS 側セルフターンオンを持ち上げる方向になっています。そのため、本来オフしているはずのを誘発する事象(II)-2 の VGS 持ち上がりを小さくするためには、HS 側

HS 側は VGS の持ち上がりの程度次第ではターンオン動作を始めてしターンオフ時の外付けゲート抵抗 RG_EXT を小さくします。しかし、一般

まい(セルフターンオン)、LS 側のオン動作と重なり上下 MOSFET の同的に HS 側と LS 側の RG_EXT は同じにすることが多く、このため、時オンが発生し、貫通電流が流れます。

RG_EXT を小さくすると LS 側の dVDS/dt が増大し、式（1）に示すよ

ICGD2 はターンオン動作が完了するまで流れ続け、LTRACE に蓄えらうに HS 側の ICGD が増加します。結果として式（4）からわかるように、れますが、VSW 変化が完了した時点で消滅し、LTRACE が Figure 5 のHS 側サージの増大を招いてしまいます。そのため、ターンオン時とターように起電します。これが事象(III)です。ICGD2 は RG_EXT などのスイッチンオフ時の RG_EXT 設定を別々とし、ターンオフ時のみの RG_EXT を小さく

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ブリッジ構成におけるゲートーソース電圧の振る舞いする必要があり、その手法としては、Figure 8 に示すダイオード等を付

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ターンオフ時のゲート信号の振る舞い加する方法が一般的です。ターンオン時に動作する抵抗は RG_ON のみであり、ターンオフ時は RG_ON と RG_OFF の並列抵抗となっており、タ次に LS ターンオフ時の動作について説明します。

ーンオン時が大きくなることが分かります。

Figure 9 に LS 側 MOSFET がターンオフする時の電流挙動を示します。ターンオン時と同じく、各象事に(IV)、(V)、(VI)の付番をしています。ターンオン時と比べ、VDS と ID の変化順序が変わってくるのみで

LS VDS
500V/div

基本的な動作は同じとなり、(a)HS VDS
500V/div

LS ID
50A/div

HS ID

事象(IV) →事象(II)

事象(V)I →事象(III)

事象(VI) →事象(I)

側の VGS のマイナスサージ（Figure 3-T4）が事象(IV)となります。

LS VGS

50A/div10V/div(II)

ターンオンという対応になります。dVDS/dt による LS 側の VGS の盛り上がりと HS(III)

(I)

ターンオフ

T4 期間終了時に式（1）に示す ICGD1 が消滅すると発生するサージ(III)が事象(V)です。その後ドレイン電流が変化（Figure 3-T6）し、

HS VGS
10V/div

LSOURCE による起電（式（2））が発生し、figure 9 の事象(VI)の50ns/div

ように電流が流れます。この電流は MOSFET の CGS を、ソース側を負として充電するため、HS 側では VGS を押し上げ、LS 側は VGS をプラLS VDS

ス側に引き上げ VGS が降下するのを妨げる動きとして見えます。以上(b)

500V/div

より、Figure 10 のような VGS 挙動となります。図中 VGS の点線はFigure 6 と同様に理想的な電圧波形を示しています。

HS VDS
500V/div

LS ID50A/div

HS ID

LS VGS

50A/div

10V/div(I)＋(II)ICGD1ICGD2 (IV)-1－ (IV)-2HS VGS
10V/div－ ＋(V)50ns/div＋－(VI’)

Figure 7.ターンオン波形
VSWrising(a)RG_EXT=0Ω、(b) RG_EXT=10Ω

－RG_ONVG

MOSFET 側

VG 側

RG_OFF－(VI)＋increase

VSW

ICGD2 ICGD1＋ (IV)-2(IV)-1＋ －(V)＋E－(VI’)－(VI)＋decrease

Figure 8. ゲート抵抗調整回路（ターンオフを早くする場合）

GND

なお、Figure7 において、HS 側ゲート波形が事象(I)動作の直前

Figure 9. LS ターンオフ時のゲート信号電流挙動に一旦プラス側に振れているのは、事象(I)の電流が流れ始めた瞬間の LSOURCE による起電が CGS を通して起電直後に観測されているためです。

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ブリッジ構成におけるゲートーソース電圧の振る舞い

VDS

T3

T4

T5

T6

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LS VDS

T7

500V/div(a)

HS
HS VDS
500V/div

LS
LS ID
50A/div

LS

(V)

ID

LS VGS

HS ID

10V/div

50A/div(VI)
HS VGSHS

10V/div(IV)

VGS

50ns/div

LS VDS
500V/div

LS

(b)

(IV)
HS VDS(VI)

500V/div

(V)

HS

(IV)
LS_ID
50A/divtime(V)

LS VGS
10V/div

HS ID
50A/div

Figure 10. ゲートーソース電圧の挙動（LS 側ターンオフ時）(VI)
HS VGS
10V/div

Figure 11 にローム製 MOSFET のターンオフ時のダブルパルス測定(IV)
50ns/div波形を示します。外付けゲート抵抗 RG_EXT はターンオン時と同じ 0Ω（Figure 11(a)）と 10Ω（Figure 11(b)）です。

Figure 11. ターンオフ波形

ここにおいて事象(V)のサージが顕著に現れていることが分かります。

(a)RG_EXT=0Ω、(b) RG_EXT=10Ω

また、VDS の変化による事象(IV)の影響は小さいですが、HS 側における事象(IV)によるマイナスサージはしばしば定格を超えることがあり、そまとめの場合は、回路的な対策が必要となります。このターンオフ時の HS 側マイナスサージを小さくするためには、HS 側ゲート抵抗 RG_EXT を小さく以上説明したとおり、ブリッジ構成による MOSFET のゲート信号のしますが、Figure 8 で説明したような一般的に用いられているゲート

振る舞いは、MOSFET 同士がお互いに関連しながら動作するため、抵抗調整回路では、抵抗値の高い RG_ON 側で、事象(IV)が顕著に非常に複雑であるばかりでなく、ゲート駆動回路の条件によっても変わなるため注意が必要です。（駆動回路での対策例については、アプリってきます。そのため、回路方式は同じとしても基板が変わるだけで全くケーションノート「ゲート－ソース電圧のサージ抑制方法」（*1）を参異なった挙動を示しても何ら不思議ではありません。ここに説明した基照して下さい。）

本動作を念頭に波形解析を進め、問題発生時の対応方法を考えてなお、事象(VI)による VGS の持ち上がりについてはすでにターンオフいくことが大切です。なお、今回示した回路は LS 側 MOSFET をスイ終了直前であり、HS 側がターンオン動作に入ったとしても LS 側はターッチングする BOOST 回路でしたが、HS 側をスイッチングする BUCKンオフしておりほとんど問題になりません。

回路においては、LS と HS を置き換えることで全く同じ動作となります。
よって、ハードスイッチングを有する様々な回路トポロジーで基本的な考え方を応用できます。
参考資料：*1 「ゲート－ソース電圧のサージ抑制方法」
アプリケーションノート（No.62AN009JRev.2）
ローム株式会社, 2020 年 4 月© 2020 ROHM Co., Ltd.

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