エレクトロニクス

新等価回路を用いた3,300V フルSiC
パワーモジュールの動特性解析

Dynamic Characteristics Analysis of 3,300-V Full SiC Power Module
by New Equivalent Circuit

初川＊聡

Satoshi Hatsukawa

御神村

豊島茂憲

Shigenori Toyoshima

築野孝

Takashi Tsuno

泰樹

Yasuki Mikamura

ワイドギャップ半導体であるシリコンカーバイド（SiC）はシリコン（Si）に比べて絶縁破壊電界、電子飽和速度、熱伝導率が大きい、という優れた特性を持つことから、次世代のパワーデバイス材料として期待されている。従来のSiを材料とした場合、スイッチング損失の小さい金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）では、鉄道車両や電力設備などのインフラ用途で需要の高い3,300 V耐圧を実現するのが困難なため、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）やPN接合型ダイオード（PND）が広く用いられている。我々は、SiCを用いた3,300 V耐圧のMOSFET、ショットキーバリアダイオード（SBD）及びこれらを搭載したモジュールを作製した。 SiC
パワーモジュールでは、高速スイッチングのため、モジュール内部インダクタンスで発生する過大電圧が懸念される。内部インダクタンスを等価回路で表すことはその解析に有効である。筆者らはモジュール全体を表現する新たな等価回路を開発したのでここに報告する。
Silicon Carbide (SiC) devices are promising candidates for high-power, high-speed, and high-temperature switches owing
to their superior properties. We have been developing SiC-based 3,300-V class metal-oxide-semiconductor field-effecttransistors (MOSFETs) and schottky-barrier diodes (SBDs). Stray inductance in the module and the great current
changing rate with high-speed switching may cause excessive voltage overshooting. Although equivalent circuits areeffective for stray inductance analysis, previous equivalent circuit studies covered only a partial area of the entire module.
This paper proposes a new method for the dynamic characteristics analysis using the precise equivalent circuit of theentire module.
キーワード：SiC MOSFET、SiC SBD、SiCパワーモジュール、低インダクタンス、等価回路

1.

緒

言

地球温暖化に対する国際的な意識が大きな高まりを見論的限界に近づきつつあり、Siに変わる新しい半導体材料を用いた高性能デバイスの開発が望まれる。

せ、CO2 排出量削減の必要性が広く認識されてきており、新しい半導体材料の有力候補がワイドバンドギャップ半また石油等の化石燃料資源の枯渇が近づきつつあることか導体である炭化珪素である。SiCは研磨剤や放熱材料としら、省エネルギー技術の開発が重要視されている。電気エて用いられてきたが、高品質な単結晶の開発に伴い半導体ネルギーは、非常に使い勝手のよいエネルギーであることとしての研究が活発化してきた。SiCは、Si に比べて、絶から全エネルギーに占める割合は年々増加しており、それ縁破壊電界、電子飽和速度、熱伝導率が大きくパワーデバを効率的に運用する技術の開発は、省エネルギーに向けてイスに適用する上で優れた特性を有することから、より高の重要な柱と位置づけられている。電力エネルギーはさま耐圧、高速動作、低オン抵抗のデバイスを目指して、SiCざまな変換を受けて用いられる。その変換におけるキーとを用いたパワーデバイスの研究開発が精力的に行われていなるデバイスが、電力機器向けの半導体素子すなわちパる（1）～（3）。

ワーデバイスであり、省エネルギーのためにより優れたパワーデバイスの登場が望まれるようになってきた。

SiCショットキーダイオードが、市販されたのに続き、スイッチングデバイスについても精力的に開発が続けられパワーデバイスは、高耐圧化、大電流化、高速・高周波ており、特に縦型MOSFETの開発が盛んである。これは、化されているが、そのほとんど全てが通常の半導体と同様SiのMOSFETの構造、プロセスをそのまま適用できるこにシリコンの上に作製されている。Siパワーデバイス分野とに加え、大電流、高耐圧のデバイスとして期待が大きい

では、パワー用金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、からである。

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタなどの素子が開発さ筆者らは、3,300 V 400 AのSiCパワーモジュールを開れ、適用範囲が広がってきた。しかし、その特性はすでに発し、その優れた高速スイッチング特性を確認した（4）。高絶縁破壊電界や電子飽和速度等の物性値から導出される理速スイッチングに伴い電流変化率が増大することで、内部イ2016 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 189 号

67

ンダクタンスにより過大電圧が発生する懸念がある。そのS2対策として、1,200 V 100 AのSiC低インダクタンスパワー

D2モジュールの開発も行った（5）。3,300 V 400 A SiCパワーモ
ジュールに関しても同様の低インダクタンスモジュールのD1開発のため、内部インダクタンスの解析を行っている。そS1

れにはパワーモジュールを等価回路で表現することが有効であるが、これまではモジュールの素子とインダクタンスを代表値で表す手法が知られていた。筆者らはモジュールの個々の構成要素を表現する新たな等価回路作成手法を開発し、実測値によく合う結果を得たので、ここに報告する。
図32.

3,300 V 400 A SiC パワーモジュール内部構造

SiCパワーモジュールの新モデル

図1に開発した、3,300 V 400 A SiCパワーモジュールを示す。モジュールは、インバータで使用される際、高圧2枚で1アーム、2アームで2 in 1モジュールを構成する。

側アーム（D1-S1）と低圧側アーム（D2-S2）の2アームで1アームあたりSiC MOSFET と SiC SBDがそれぞれ12個構成される2 in 1モジュールである。1アームの順方向オ並列されている。

ン特性を図2に示す。ゲート電圧（VGS）が20 V、ドレイン

図4に従来のモジュール等価回路を示す。SiC MOSFET

電圧（VDS）が2 Vの時に、400 Aの定格電流が流れることとSiC SBDおよび内部インダクタンスが各々統合された一が判る。図3に内部構造を示す。6個のSiC MOSFETチッ

つの代表モデルで表わされている。

プと、6個のSiC SBDチップが、1枚の基板に搭載され、

S2

StrayInductance

D1S1
D1

D2S2D2
図4
図1S1モジュール従来内部等価回路

3,300 V 400 A 2 in 1 SiCパワーモジュール（130×140 mm 2）

新 た な 等 価 回 路 作 成 に 際 し、 ま ずSiC MOSFETとSiC
SBDの単体チップのSPICE ※1 モデルを求めた。MOSFETはNMOSモデル、SBDはDモデルを用い、測定値と計算値がフィットするように手動でパラメータを調整して作成した。図5にSiC MOSFETとSiC SBDの1チップの順方向特性について、作成したモデルの計算値と実測値を合わせて示す。計算値は実測値をよく模擬できている。次に端子、基板上パターン、ワイヤボンドなどの導体による内部インダクタンスは、ANSYS Q3D Extractorを用いて、等価回路として表した。
以上のSiC MOSFETおよびSiC SBDモデルと、インダクタンス等価回路を組み合わせ、モジュール内部の等価回
図268

3,300 V 400 A SiCパワーモジュールI D-V DS 順方向特性

新等価回路を用いた3,300V フルSiCパワーモジュールの動特性解析路を作成した。その一部を図6に示す。図6は1枚の基板

4030

IF Forward Current (A)ID Drain Current (A)50

VGS=20V
Measurement
VGS=15V20

Spice Model

1000.01.0
2.03.0VDS Drain Source Voltage (V)50
40

Spice Model

3020

Measurement

1000.0(a) 3,300 V SiC MOSFET (1 chip)
図51.02.0VF Forward Voltage (V)3.0(b) 3,300 V SiC SBD (1 chip)

順方向特性のモデルと実測値の比較

上のSiC MOSFET 6チップとSiC SBD 6チップとそのイ

これまでは、モジュールの動特性をシミュレーションすンダクタンス回路を表わしている。図では省略している

るには、電磁界解析が必要であったため、本方式の開発にが、各インダクタンス間には相互インダクタンスが存在すより短時間でのシミュレーションが可能になった。

る。作成した等価回路をLTspice IVで計算を行うと、エラーが出るか、非常に長い時間を要する結果となった。エラーの原因はインダクタンス等価回路が複雑で計算が煩雑

3.

SiCパワーモジュールモデルの評価になったためであった。そこで、影響の小さいインダクタ

図7にSiCパワーモジュールの動特性評価回路を示す。

ンスを自動で省くようなインダクタンス等価回路作成プロ

動 特 性 は100 µHの リ ア ク タ ン ス 負 荷 を 用 い、 室 温 でグラムを開発した。

行った。図8に電圧1,650 Vのときの動特性波形を示す。

その等価回路と組み合わせることで、エラーが発生せず、また短時間で計算ができるようになった。
L=100 μH
G-5VD15V
T1T2T3T4T5-5V

D1 D2 D3 D4 D5 D6T650ID

RG=2.2 Ω
VGS

Pulse
Generator

S5002000
1500
1000
5000-500

VGS
VDS
ID

0102030
Time (μs)(a) 実測波形
図840Module

図71200
1000
800
600
400
2000-20050

VDS (V) VGS (V)モジュール等価回路（1基板分）

ID (A)VDS (V) VGS (V)

図65002000
1500
1000
5000-500

VDD = 1,650 V
VDS

動特性評価回路VGSVDSID

0102030Time (μs)

40120010008006004002000-200ID (A)S50(b) モデルを用いた計算波形

動特性波形の比較（インダクタンス負荷スイッチング、電源電圧1,650 V）

2016 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 189 号

69

図8（a）は実測波形で、図8（b）はSiCパワーモジュールモれたと考えられる。また、近接側のオーバーシュートは、デルを用いてLTspice IVで計算した結果である。実測値

遠方側のゲート回路のインダクタンスで信号が遅延し、近では立ち上がり時間trと立ち下がり時間tfはそれぞれtr＝接側のみに電流が集中したためと考えられる。
これらの結果から、各チップにゲート信号が同時に到達

404 nsおよびtf＝238 nsであるのに対し、計算値ではtrするように、基板配線を改良する予定である。

＝402 ns およびtf＝226 nsとよく一致する結果となった。また、VDS の共振周波数についても実測値で22.5 kHzに対し、計算値で23.2 kHzとこれについてもよく合う結4.

果となった。

結言

3.300 V 400 A SiCパワーモジュールの等価回路を作

次にモジュールを構成するSiCチップ毎の電圧電流の計成し、実測定波形をよく模擬できることを確認した。

算を行った。このモジュールの動作側のアームは、図9に示すように補助端子から見て、近接側と遠方側の二枚で構

今後は、このモデルを用いて、モジュール内での電流分成される。図10（a）にターンオン時、図10（b）にターンオ配を最適化し、オーバーシュートなどの異常波形を生じなフ時の動特性計算結果を示す。チップ毎の各電圧VDS は等い低インダクタンスモジュールの設計に生かす所存である。

しいが、電流ID については、近接側が遠方側より大きい結果 と な っ た。 特 に 近 接 側 に は タ ー ン オ ン 時 に オ ー バ ー
シュートが発生しており最も電流が流れたN4チップでは
用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー90 Aに達している。

※1

近接側の電流が大きいのは、図10中でゲート電圧VGSSPICEが近接側では大きく遠方側では小さくなっており、これ

Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis：

が、MOSFETのオン抵抗の差を生じさせ、電流の差に現

1973年にカリフォルニア大学バークレー校で開発された電子回路のアナログ動作をシミュレーションするソフトウェア。

Near side substrate

Sub terminals

N6N5

Far side substrate
F6SiC MOSFETs

F5N4F4N3F3N2F2N1

図9Drainterminal

・Q3D ExtractorはANSYS社の商標です。
・LTspice はLiner Technology社の商標です。

F1Sourceterminal

1アームのチップ配置図

2kVVDS

1kV200ns

080A
60A
40A
20A
0N1~N6200ns
OvershootID

F1~F6Difference

20V N1~N610V
0F1~F6-10V

図10ID

F1~F6Delay

N1~N6VGS(a) ターンオン時

70VDSVGSDelay

F1~F6

N1~N6(b) ターンオフ時

各チップ電流のスイッチング波形計算値（電源電圧1,650 V）

新等価回路を用いた3,300V フルSiCパワーモジュールの動特性解析

参 考 文 献（1）	M. Bhatnagar, B. J. Baliga, IEEE Trans. Electron Devices, 40（1993）
645-655（2）	Z. Stum, A. V. Bolotnikov, et al., Mater. Sci. Forum., 679-680（2011）637-640（3）	A. Bolotnikov, P. Losee, et al., in Proc. ISPSD（2012）389-392.
（4）	酒井、豊島、和田、古米、築野、御神村、SEIテクニカルレビュー第187号、pp.48-53（2015）（5）	豊島、初川、平方、築野、御神村、SEIテクニカルレビュー第186号、pp.75-78（2015）

執筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊初川聡：パワーデバイス開発部

豊島茂憲：伝送デバイス研究所

築野孝：パワーデバイス開発部（理学博士）

グループ長

御神村泰樹

：パワーデバイス開発部

技術部長

主幹

----------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

2016 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 189 号

71