AN50006
リニアモードにおけるパワーMOSFET
改訂第2.0版 — 2022年4月12日

アプリケーションノート

文書情報
情報

内容

キーワード

リニアモード、飽和、MOSFET、SOA、温度不安定性、スピリト現象、LDO、アクティブクランプ、エアバッグ、ソフトスタート、ホットスワップ

要旨

MOSFETのリニアモード動作と熱的不安定性を理解し、SOAの温度ディレーティング法によって、より堅牢で信頼性の高い回路を設計します。

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リニアモードにおけるパワーMOSFET

1. はじめにパワーMOSFETは、RDSonが非常に低く、導通損失が少ないため、スイッチとして広く利用されています。一方、多くのアプリケーションでMOSFETは飽和状態で使用されるため、同じデバイスにおいてこれら2種類のモードは堅牢かつ高性能であることが要求される場合もあります。本アプリケー
ションノートでは、理論的な観点からリニアモード動作の主な特徴を説明します。また、高温におけるSOAディレーティングとパルス形状変換については、アプリケーション関連のセクションで回路図の例を示しています。

2. リニアモードの定義
リニアモードでは、MOSFETは飽和状態(または飽和領域)で動作し、(ゲート)電圧制御電流源として動作します。フルオン(またはフルエンハンスメント)時とは逆に、ドレイン・ソース間のインピーダンスが比較的高くなり、高い電力損失が発生します。リニアモードでは、電力はドレイン電流とドレイン・ソース間電圧の積 (ID × VDS)で得られ、電流と電圧は同時に高くなります。
リニアモードは、以下の一連の式で解析的に記述することができます。MOSFETがオンであること(式 1)、VDSがオーバードライブ電圧(VOD)より大きいこと(式 2)が必要です。この2つの条件を満たせば、ドレイン電流はVODの2乗(つまり印加電圧VGS)に比例し、式 3のようになります。kは使用するトレンチ技術の種類によって決まる技術的パラメータです。
(1)
(2)
(3)
MOSFETの出力特性(図1)は、IDがVDSとVGSに対してどのように変化するかを表しています。
•VDSが低く、VGSが7Vから10V付近では、電流と電圧は線形関係にあります。MOSFETはその線形領域(またはオーミック領域)で動作し、抵抗のように動作します(完全にオン)。この場合、消費電力は小さく、ID2 × RDSonで得られます。

•VDSが高く、VGSが一定の場合、IDはほぼ一定に保たれます。飽和領域では、VGSが増加するにつれて電流が増加します。この場合、消費電力は大きくなり、VDS × IDで得られます。

リニアモードではMOSFETの動作方法は2通りあり、スイッチングの結果として短時間発生する場合と直接的に長時間動作する場合があります。実際、MOSFETをオンオフするたびに、リニアモードが繰り返し発生します。図1を参照すると、オン時にMOSFETの動作点は、高VDSおよびゼロID(オフ状態)から低VDSおよび高ID(曲線1)へと移動します。MOSFETをスイッチとして使用することが最終目的であれば、スイッチング時間を短縮するなどして、リニアモードで消費される時間と電力を削減するのが一般的に有効です。逆に、アプリケーションによっては、MOSFETを意図的にリニアモード（曲線2）で動作させる必要があります。この場合、以下の項目の実施を推奨します。

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•デバイスが所定のパルス持続時間とマウンティングベース(ドレインタブ)温度（Tmb）において、確実にSOAカーブ内で動作させる。

•

適切な熱管理技術を用いる。

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オーミック領域

飽和領域
オン

オン

オフ

[1] RDSon動作時のオン/オフの軌跡 [2] リニアモード動作時のオン/オフの軌跡
図1. MOSFETの出力特性の例：オン/オフの軌跡

3. リニアモードアプリケーションの典型例
3.1. エアーバッグアプリケーション

Y Data (-)

m1/drain – net3

Time (s)Voltage (V)Current (A)m1/i(drain)

Time (s)Time (s)図2. エアーバッグアプリケーションの回路図と波形

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3.2. アクティブクランプ

Voltage (V)net15; vgen1/v

m11/i(d); net29

Voltage

Current (A)Voltage (V)Time (s)VoltageTime (s)図3. アクティブクランプの回路図と波形

3.3. コンデンサのプリチャージ（ソフトスタート／ホットスワップ）
load; r89/i; r96/i; ep2q1/v_sense

Tjunctionn elements

Voltage (V)Cauer

Current (A)Current (A)Load

Voltage (V)LoadTime (s)図4. ソフトスタートの回路図と波形

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3.4. LDO（低ドロップアウト）レギュレータ

Voltage (V)Current (A)net6; r3/i

C_Temperature (degC)Time (s)Time (s)図5. LDOの回路図と波形

4. SOAグラフ
安全動作領域（SOA）グラフは、デバイスが故障せずに安全に処理できる電力量の目安を示すものです。このグラフは、ドレイン・ソース間電圧に対してドレイン電流をプロットしたものです。リミットは、電力の持続時間とMOSFETが動作する動作領域に依存します。このグラフは、マウンティングベース温度が25˚C一定かつ、シングルパルスまたはDC動作の場合にのみ有効です。SOAは、リニアモード動作の場合に特に有用です。図6は、1msのパルスでMOSFETが安全かつ確実に動作できる領域と、VDS = 3V、1msのパルスでのリミットを示しています。

Limit

Tmb = 25˚C、IDM はシングルパルス図6. SOA：VDS = 3V、1msパルス時の最大電流値

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図7は、MOSFETの動作領域に応じてSOAグラフを細分化可能であることを示しています(パルス幅1msを考慮)。黄色い線はRDSonモードでのリミット、緑はパッケージまたは電流によるリミット、青はアバランシェによるリミット (最大定格電圧時、アバランシェ発生前)に対応しています。SOAの リ ミ ッ ト の 詳 細 な 説 明 に つ い て は 、 AN11158 Understanding power MOSFET data sheet
parameters (3.1 Safe Operating Area (SOA) curves) を参照してください。
赤線は、リニアモード動作時のリミットを示しています。このリミットは、VDSを一定に保ちながらパルス電流を一定時間印可することで実験的に確認されています。式 4に示すように、MOSFETの熱インピーダンス（Zth ）、最大接合部温度（Tj(max) = 175˚C）およびマウンティングベース温度（Tmb）に依存します。
(4)

Tmb = 25˚C、IDM はシングルパルス

図7. SOAグラフ ― リミット曲線
式 4から、パルス幅が短くなるとZthが減少するため、パルス幅が小さくなるにつれて限界が大きくなる（より多くの電力を消費できる）ことがわかります（図8を参照）。最後に、赤の破線はスピリト領域を示しており、この領域では熱的な不安定性が発生します。この点については、Section 5.1
で詳しく説明します。

Tmb = 25˚C

図8. 接合部からマウンティングベースまでの過渡熱インピーダンスをパルス幅の関数として示したもの ― 代表値

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5. 温度依存性
5.1. 熱的不安定性
VDSを固定し、ゲートバイアス電圧に対するドレイン電流の変化を伝達特性グラフにプロットすると、図9に示すようになります。接合部温度25˚C(実線)と175˚C(破線)の2本の曲線でMOSFETの動作を表しています。VGSが十分に低い場合、図10に示すように、閾値電圧(VGSth)の温度係数が負であるた
め、MOSFETは25˚Cよりも175˚Cで動作した方がより多くの電流が流れます。この場合、MOSFETは熱的に不安定な領域で動作しており、これは電流の温度係数が正であることから確認できます。
これは、シリコンダイ上の1点を考えても同様です。

負温度係数

ZTC点

正温度係数

図9. 正と負の温度係数領域を示す伝達特性
しかし、この現象は回避することができます。実際に、あるV DS では臨界電流が存在し、それを超えると負のフィードバックとなって熱的に安定します。これはZTC(ゼロ温度係数)点と呼ばれるものです。

MaxTypMin

図10. 接合部温度の関数としてのゲート・ソース間の閾値電圧

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リニアモードにおけるパワーMOSFETSOAグラフでは、図11に示すように、2つの勾配をもつ線と追加の変曲点によって熱的不安定性が示されています(変曲点は1msパルスで5Vに位置します)。青の破線で示した理論的なリミットは、Zth = Zth(j-mb)として、式 4を用いて計算したものです。このリミットは、図12に示すCauerモデルのようなRC熱モデルを用いて求めることができます。赤の破線は、デバイスの実際の性能を示しています。この場合では、Zth ≠ Zth(j-mb)であることから、理論的モデルを用いてリミットを求めることはできません。性能の低下は非常に深刻な事態となる可能性があります。この場合では、VDSが20Vのとき、MOSFETが処理できる最大電流は理論上の60Aから約15A(75％減)になります。この現象はスピリト現象としても知られ、シリコンダイ上の電流分布が不均一になることで発生します1。ZTC点
以下では、ダイの他の部分よりも温度が高い小さな領域が存在すると、その領域はより多くの電流を引き込み、より多くの電力を消費してさらに高温になります。このプロセスは、最終的に熱暴走を引き起こし、3端子ショート回路となってMOSFETが破壊されます。AN11243 Failure signature ofelectrical overstress on power MOSFETs (1.3 Linear mode operation)に記載されているように、ダイの中央付近とダイボンディングの構造の近くに焼損した痕が現れます。

Tmb = 25˚C、IDM はシングルパルス
図11. SOAグラフのスピリト現象
さらに、これらのホットスポットは、電力パルス幅が広いほど頻繁に発生することが確認されています。図11を参照すると、10msのパルス幅では、1msのパルス（5V）よりも低いVDS（3V程度）でスピリト現象が起こり、DC動作ではどの電圧でも熱的不安定性により制限されます。

図12. Cauer型RC熱モデル
シリコンダイ上の電流分布の不均一性は、MOSFETセルの均一性、ダイアタッチの完全性と均一性に影響されます。その他にも、ダイボンディング技術の種類も大きな影響を与えることがあります。
図13に示すように、ワイヤーボンディングによってダイの小さな領域で電流密度が増加し、ホットスポットとなる可能性があります。一方、LFPAKの銅クリップを使用することで、局所的な電流の集中が防止されるため、ホットスポットが形成される可能性を低減します。

1 Electro-thermal instability in low voltage power MOS: Experimental characterization - IEEE; G. Breglio, F.
Frisina, A. Magri, P. Spirito
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注：電流密度を表す色と数値のスケーリングはLFPAK88とD2PAKで異なっています。
図中のカラースケーリングを参照してください。
図13. a) LFPAK88とb) D2PAKパッケージの電流密度の比較
また、セル密度もSOAの形状に影響を与えます。従来のトレンチ(またはプレーナ)技術では、セルピッチが広く、セル密度が低いため、RDSonが高くなります。同じ全ドレイン電流では、従来技術のセルは、セルあたりの電流が大きいため、熱的に安定するZTC点を超えて動作する可能性が高くなります。その結果、同じダイサイズでは、従来のトレンチ（またはプレーナ）技術の方が高いRDSonを示しますが、その代わりにリニアモードでの性能は良くなります。
新しいトレンチ構造によってもたらされた技術革新によって、他の分野、特にスイッチング、アバランシェおよび定常動作における性能が著しく向上しました。新しい技術は一般にリニアモードの性能が劣っていますが、より厳しい要件を満たす必要がある場合、より低いRth(j-mb)、より大きなパッケージ、従来技術（より低いセル密度）のMOSFET（大きなダイに相当）、またはNexperia社のASFETポートフォリオからSOA性能を向上させたMOSFETのいずれかを設計者は選択することが可能です（熱設計を改善できない場合）。

5.2. 高温におけるSOAディレーティング
Nexperia社のデータシートにあるSOAグラフは、マウンティングベース温度が25˚Cの場合のみ有効です。一般に、他の温度での性能は特性評価されていないため、マウンティングベースが異なる温度に保持されている場合、グラフをディレーティングする必要があります。この場合、デバイスの動作領域に応じて、新たなリミットの近似値または正確な値を求めます。
どの数値を増減させるか、または一定に保つかによって、主に3つのディレーティング方法があります。電流を増減させれば電圧は一定に保たれ、逆に電圧を増減させれば電流は一定に保たれます。
第3の選択肢は、電圧と電流の両方を増減させることで、電力を一定に保つことです。RDSon、パッケージ、ブレークダウン、およびリニアモードのリミットは、これらの方法によってすべて同じように予測されます。唯一異なるのは、スピリト領域の近似方法、つまり変曲点の位置です。同じVDS
では、電流ディレーティング法で最も高い限界値、電圧ディレーティング法で最も低い限界値となります。一般に、高温におけるSOAの測定値と比較すると、どの方法でもデバイスの実際の性能より低くなることが観察されており、これにより熱的不安定性に対してある程度の安全マージンが得られます。図14に示すように、通常は電流ディレーティング法によって最良のスピリト近似値が得られます。表 1では、VDS = 30 V、Tmb = 125˚C、1 msのパルスという条件下で、3つの測定方法を用いて予測された電流リミットをまとめています。

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実測値

図14. BUK7Y2R0-40Hの実測値と各SOAディレーティング方法の比較例
表 1. 実測データと各ディレーティング法を用いた際のIDの比較
IDリミット: VDS = 30 V、Tmb = 125˚C、パルス幅 = 1 ms
実測値

電流ディレーティング

電圧ディレーティング

電力ディレーティング

4A

1.5 A

1A

0.4 A

これらの方法のいずれかを適用する前に、パワースケール係数(kPSF)を算出する必要があります。図15のプロットを参照するか、式 5を使用すれば得られます。このグラフは、Nexperia社のデータシートに記載されており、実装基板温度の関数としての正規化電力損失を表しています。電力ディレーティングでは、ダブルディレーティングであるため、式 6で算出した別の係数を使用します。

図15. マウンティングベース温度の関数としての正規化総電力損失：パワースケール係数(5)(6)

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例として、Tmb = 100˚C、VDS = 3V、パルス幅1msという条件下における、MOSFETの電流リミットを電流ディレーティング法により算出します。
1. Tmb = 25˚Cでの電流リミットは、図16に示すように400Aです。
2. kPSF は式 5を用いて算出され、ちょうど0.5(すなわち50％)です。
3. Tmb = 100˚Cでの新しいリミットは、式 7で計算されるように200Aとなります。
(7)

図16. データシート記載のSOA：Tmb = 25˚Cでの電流リミット
以下の手順で高温時のSOAグラフを完成させることができます(電流ディレーティング法を使用していますが、他の方法でも可能です)。
•RDSonのリミットは175˚CでのRDSonを用いて算出されているため、ディレーティングは実施しません。

•

リニアモードの変曲点およびブレークダウンのリミットを下方にシフトし、新しい電流リミットをパワースケール係数(この場合は0.5)を使用して求めます。スピリト領域の新しい変曲点は、元の変曲点の半分の電流で生成されます。

•

最後に、同じ傾きで終点まで線形を伸ばすことができます。

図17. Tmb = 100˚C、パルス1msの場合の電流ディレーティング法によるSOAリミットのディレーティング

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6. SOA：パルス形状変換
アプリケーションによっては、電力が矩形波でない場合やパルス幅がSOAグラフで指定されたものと異なる場合があります。どちらの場合も、電力形状の変換を行い、SOA内での動作を確認することができます。この変換は、MOSFETがオーミックモードまたはリニアモードで動作している場合には正確です。しかし、スピリト領域での動作では不正確な場合があります。
MOSFETがスピリト領域で動作していない場合、パルス幅またはピーク値を調整することにより、同じエネルギー量を持つ矩形波に変換することができます。図18は、三角形の電力パルスの変換を示したものです。パルス幅がSOAグラフと一致しない場合、データシート(またはRC熱モデル)にある熱インピーダンスの値と式 4を用いてリミットを算出できます。接合部温度を正確に予測するには、熱および電熱モデルを使用することを常に推奨いたします。

図18. スピリト領域外で動作するMOSFETを用いた三角波の電力形状変換デバイスがスピリト領域で動作している場合、熱インピーダンスを用いてパルスを変換することはできません。この場合、熱モデルや電熱モデルを使用しても、接合部温度の平均値しか得られず、ホットスポットの温度が反映されません。従来の手法では、元のパルスと同じピーク値およびパルス幅を持つ矩形波で検討します。しかし、経験則により、三角波は同じパルス幅でピーク値が半分の矩形波に変換できることが示唆されています。図19では、アクティブクランプ回路でBUK7S1R040Hを使用したテストが実施されています。ただし、この結果はこのデバイスに対してのみ有効であると考えるべきです。

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Voltage

Voltage

図19. BUK7S1R0-40Hを使用したアクティブクランプ回路
アクティブクランプはアバランシェと同様に誘導性スイッチングで使用されますが、アバランシェよりも低 いク ランプ 電圧の 時にリニ アモ ードで 動作し ます。sw1 スイ ッチ を閉じ た状態で、MOSFET M1を オ ンに す ると 、 主回 路 に電 流 が流 れます 。 イン ダ クタ が 「充 電」さ れ ると 、MOSFETはオフになります。この時、インダクタに蓄えられたエネルギーによって高電圧が発生し、ツェナーダイオードZD1がブレークダウンします。これにより、ゲート電圧が制限されることでMOSFETがオンとなり、インダクタから放電されたエネルギーを吸収します。この動作が継続する
間、MOSFETはリニアモードで動作し、図20（シミュレーション）に示すように、VDSはほぼ一定であり、ドレイン電流は減少します。したがって、電力損失は1msの三角形のパルスとなります。

time (ms)図20. アクティブクランプ時のMOSFETのVDSとID
この回路を使用して、VDSが20V、22V、28V時にBUK7S1R0-40Hをテストします。データシートにあるSOAと同じ方法を適用して、破壊が発生する電流をディレーティングすることでリミット値が得られます。図21は、アバランシェ時(IAL)とアクティブクランプ時の電流耐量を、クランプ電圧を変えて時間に対して示したものです。表 2では、1msのパルスにおけるグラフから得られた結果をAN50006

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まとめています。三角波の電流耐量は、矩形波の2倍程度であることが示されています。矩形波の場合に予想されるように、電圧が上昇すると電流は減少します。

time (s)(1) IAL; (2) VCL = 20 V; (3) VCL = 22 V; (4) VCL = 28 V
図21. BUK7S1R0-40Hのアバランシェ時およびアクティブクランプ時の時間に対する電流耐量
表 2. BUK7S1R0-40H：三角波および矩形波パルス耐量
1 msアクティブクランプ

1 ms SOA (データシート)

電圧(V)

電流(A)

電流(A)

20351622311428158

容量性プリチャージも同じ原理で、MOSFETは三角波の電力パルスを消費します。しかし、この場合、IDは一定でVDSは減少します。電圧の低下により、動作点がスピリト領域から離れてSOAグラフの左側に移動し、アクティブクランプに関して熱的不安定性のリスクが低くなります。

7. 結論
このアプリケーションノートでは、パワーMOSFETのリニアモード動作の概要について説明しました。RDSonモードとの主な違いを強調して理論的に簡単な紹介をした後、リニアモードとSOAの関係について説明しました。これには、熱的不安定性（スピリト領域）、高温時のSOAディレーティン
グ法およびパルス形状変換が含まれます。

8. 改訂履歴表 3. 改訂履歴
改訂番号

日付

概要

2.0

2022/04/12

Section 5.1の内容を更新。

1.0

2022/04/01

初版

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商標
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表リスト
表 1. 実測データと各ディレーティング法を用いた際のIDの比較 ...............................................................................10
表 2. BUK7S1R0-40H：三角波および矩形波パルス耐量 .....14
表 3. 改訂履歴 ......................................................................14AN50006

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図リスト
図1. MOSFETの出力特性の例：オン/オフの軌跡 .................. 3
図2. エアーバッグアプリケーションの回路図と波形............. 3
図3. アクティブクランプの回路図と波形 .............................. 4
図4. ソフトスタートの回路図と波形...................................... 4
図5. LDOの回路図と波形 ....................................................... 5
図6. SOA：VDS=3V、1msパルス時の最大電流値 .................. 5
図7. SOAグラフ ― リミット曲線 .......................................... 6
図8. 接合部からマウンティングベースまでの過渡熱インピーダンスをパルス幅の関数として示したもの ― 代表値 .............. 6
図9. 正と負の温度係数領域を示す伝達特性 ........................... 7
図10. 接合部温度の関数としてのゲート・ソース間の閾値電圧 ............................................................... 7
図11. SOAグラフのスピリト現象 .......................................... 8
図12. Cauer型RC熱モデル ..................................................... 8
図13. a) LFPAK88とb) D2PAKパッケージの電流密度の比較 ...................................................................... 9
図14. BUK7Y2R0-40Hの実測値と各SOAディレーティング方法の比較例.........................................................................10
図15. マウンティングベース温度の関数としての正規化総電力損失：パワースケール係数 ..............................10
図16. データシート記載のSOA：
Tmb = 25˚Cでの電流リミット ................................................11
図17. Tmb=100˚C、パルス1msの場合の電流ディレーティング
法によるSOAリミットのディレーティング ..........................11
図18. スピリト領域外で動作するMOSFETを用いた三角波の電力形状変換.........................................................................12
図19. BUK7S1R0-40Hを使用したアクティブクランプ回路 ........................................13
図20. アクティブクランプ時のMOSFETのVDSとID ...............13
図21. BUK7S1R0-40Hのアバランシェ時およびアクティブクランプ時の時間に対する電流耐量 ...................14

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Nexperia

リニアモードにおけるパワーMOSFET

内容
1.

はじめに......................................................................... 22.

リニアモードの定義 ....................................................... 23.

リニアモードアプリケーションの典型例 ...................... 3

3.1.

エアーバッグアプリケーション .................................. 3

3.2.

アクティブクランプ .................................................... 4

3.3.

コンデンサのプリチャージ（ソフトスタート／ホットスワップ） ....................... 4

3.4.

LDO（低ドロップアウト）レギュレータ .................... 5

4.

SOAグラフ .................................................................... 55.

温度依存性 ..................................................................... 7

5.1.

熱的不安定性 ............................................................... 75.2.

高温におけるSOAディレーティング........................... 96.

SOA：パルス形状変換..................................................127.

結論 ...............................................................................148.

改訂履歴........................................................................149.

法的情報........................................................................15© Nexperia B.V. 2022.無断転載禁止
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公開日：2022年4月12日

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