パワーエレクトロニクスにおける最高のMOSFETの比較

投稿日 2022/04/25, 月曜日
更新日 2024/07/1, 月曜日

MOSFETは、安定した電力供給、高速スイッチング、低損失を必要とするさまざまなアプリケーションで重要なコンポーネントの一つです。特に、ディスクリートMOSFETは、モーター制御、電力調整、特殊ロジック、高出力アンプ、照明、および低損失で高電流を必要とするその他のシステムで主要な役割を果たしています。コンポーネント市場を見渡すと、ほとんどの半導体メーカーから複数のコンポーネントオプションが見つかります。多くのコンポーネントオプションがある中で、さまざまなオプションをナビゲートし、比較することは難しい場合があります。

すべてのシステムに最適なMOSFETがあると思いたいところですが、客観的に「最良」のMOSFETは存在しません。一部のMOSFETは特定の製品、アプリケーション、または業界を対象としています。他のものは、一般的な「高出力」または「低出力」の設計者を対象としています。トレードオフを考慮するには、時間、スキル、経験が必要であり、すべてのエンジニアがすべてのコンポーネントを比較する時間を持っているわけではありません。したがって、システムを過剰設計し、そのような便利さのために余分なコストをかけてしまうかもしれないにもかかわらず、すべてに使用するお気に入りのMOSFETを持っているエンジニアがいるのは理解できます。

製品に最適なコンポーネントへのアクセスをエンジニアに提供することを非常に重視しているため、さまざまな電力エレクトロニクスアプリケーション向けの最高のMOSFETのリストをまとめました。これらの製品の一部は、その人気に基づいて選択および比較されていますが、他の製品は、より人気のあるMOSFETオプションよりも大きな利点を提供する、あまり知られていないまたは新しいコンポーネントです。

最高のMOSFETを比較する

新しい電子デバイスに最適なMOSFETオプションを探している場合、比較のための正しい次元は何でしょうか？MOSFETを比較するために使用できるいくつかの次元があり、基本的な電気パラメータから高周波性能に至るまでさまざまです。まず、一般的にMOSFETに適用される基本的な電気仕様を見てみましょう。次に、特殊アプリケーションで重要なより高度な性能指標を見ていきます。

基本的な電気仕様

システムに最適なMOSFETを選択する際に考慮すべき重要な電気仕様は次のとおりです。

電流制限：これは、最適なMOSFETを選択する際に最も頻繁に使用される仕様の一つです。特定のON状態抵抗で電流制限を超えると、チャネル内の熱放散が加速し、コンポーネントはすぐに故障します。
ON状態抵抗：これは電流制限の対となるものです。ON状態抵抗は、チャネル内で消費される電力の量と、コンポーネントが高電流に耐えられるかどうかを決定します。
温度制限：これは信頼性を定量化する別の方法に過ぎません。MOSFETの接合部温度が定格値を超えると、ほぼ即座に故障するため、この仕様は高信頼性システムにおいて重要です。
エンハンスメントモード対デプレッションモード：これは、運用中にMOSFETをONまたはOFFにするためにゲートをどのように変調するかを単純に決定します。
耐圧：これは、ボディダイオードを逆バイアスに駆動するために必要な電圧を単に示します。これらの電圧はかなり高い傾向がありますが、負の極性で動作する可能性のある高電力システムでは依然として重要です。
立ち上がり時間：スイッチングコンバーターなどのスイッチングアプリケーションでは、立ち上がり時間が重要な考慮事項です。PWMパルスドライバーで駆動される場合、立ち上がり時間はゲートに送られるパルスよりも短くなければなりません。

MOSFETを過剰設計することは問題ありません。特にチップ不足の間は、チャネル内の低電力損失と熱放散を確保するために低いON状態抵抗を受け入れることができますし、信頼性の目的でより高い電流定格を受け入れることもできます。コンポーネントの不足が一つのコンポーネントクラスから別のものに移り変わるように見えるため、好みのスルーホールMOSFETが突然不足するかもしれないときを決して予測できません。

より高度な性能指標

上記のポイントは、シリコン上の一般的なコンポーネントのみが必要な低周波数、低電力システムには適しています。しかし、RFパワープロダクトを含む新しいアプリケーションが急速に標準となり、一部の産業では信頼性が非常に重視されるため、他の指標が非常に重要になり、最適なMOSFETを選択するための基礎を形成します。

材料プラットフォーム：シリコンは統合回路の大多数に選ばれる材料ですが、高度なアプリケーションには他のプラットフォームがずっと望ましいです。ここで重要なのは、低損失周波数範囲と熱伝導率が材料プラットフォームによって異なるということです。GaAs、SiC、GaNなどの代替材料は、高周波での与えられた出力に対してはるかに高い熱伝導率を提供します。
入力および出力容量：実用的な無線周波数や超高速デジタルシステムでは、容量が重要になります。これは入力インピーダンスを変更し、コンポーネントの帯域幅を制限するからです。非常に高い周波数（mmWave）では、入力および出力容量が意図しないフィードバックループを形成し、ノイズが増幅される閉じたループで電力が流れることがあります。
温度係数：高信頼性システムを設計する際には、複数の温度係数値を考慮する必要があります。これらの係数は、精密測定や電気光学（例：精密ライダーイメージング）などのアプリケーションでも重要です。
インダクタンス：回路としてのトランジスタにはインダクタンスがありませんが、インダクタンスはパッケージから来ます。パッケージングにおける寄生インダクタンスは、パッド/ポストとダイの間の電気リードに由来します。この値は高周波での理想的な動作を保証するためにできるだけ低くすべきです。

代替材料プラットフォームは、5Gや高出力レーダー、ソフトウェア定義ラジオなどの新しい技術を可能にするために非常に重要です。技術的にはMOSFETではありませんが、これらのFETコンポーネントの選択肢が市場に出てきており、成長が続くことが期待されています。

人気のMOSFETオプション

主要メーカーから提供されているMOSFETの範囲の中で、特に人気のあるNチャネル増強型MOSFETが3つあります：

一般用途に適したInfineon IRFZ44N
複数のメーカーから提供されている低電流アプリケーション向けの汎用コンポーネント2N7002
多くのアプリケーションにおいて低損失の中電流ドロップインオプションとしてON Semiconductor FQP30N06L

これらのNチャネルオプションは、電源システム内での単純な調整やスイッチとして非常に人気がありますが、幅広いアプリケーションで非常に有用である特性を持っています。これらのコンポーネントは汎用的であり、モーターコントロールやDC-DCコンバーターのドライバーとして理想的だと考えます。RF周波数で動作するシステムにこれらを使用することは複数の理由から避けますが、その詳細は後ほど説明します。さて、これらについてもう少し詳しく見ていきましょう。

Infineon IRFZ44N

InfineonのIRFZ44Nは、高い耐圧と高い電流制限のおかげで、最も人気のあるMOSFETの一つです。このコンポーネントは、商業および産業用途に好まれるTO-220パッケージで提供されています。耐圧は60Vで評価され、出力電流は室温で最大49A DCまたはパルス時160Aと評価されています。オン時間も比較的速く、約60nsに達します。以下のパルス転送曲線は、低ゲート駆動電圧での出力電流を示しています。

2N7002

このMOSFETは、汎用コンポーネントであり、複数のメーカーから提供されているため、特定のメーカー名を記載していません。このコンポーネントは、時には2N7000、VQ1000J、VQ1000Pと同じデータシートに記載されることがあります。Vishayのこの2N7002に注目しました。これは、低電流アプリケーション向けの低コストオプションです。低電流供給（400mA DC、またはパルス時2A）のみを目的としていますが、耐圧60V、オン状態抵抗が約1オームと低く、オン時間も10-20ns（ゲートソース電圧によって異なる）と比較的短いです。

ON Semiconductor FQP30N06L

ON SemiconductorのFQP30N06L MOSFETも、一般消費者および自動車用DC電源アプリケーションで必要とされる高い耐圧を提供します。IRFZ44Nと比較して最大DC電流は32Aとやや低いですが、それでも128Aの高いパルス電流を供給できます。オン状態抵抗も2N7002より低く、名目上約27mオームに達します。スイッチング時間は2N7002よりもはるかに遅く、約200nsですが、数MHz以下のスイッチング周波数で動作するスイッチングレギュレータには十分です。以下に、低ゲート駆動時のDC転送特性を示します。

次のコンポーネントは、高周波または高出力アプリケーションで役立つ高出力GaN FETです。GaNおよびGaN-SiCコンポーネントは通常、高周波アプリケーション向けに市場に出されていますが、Siよりもはるかに高い熱伝導率を持っているため、高出力/高電流供給製品にも依然として有用です。

Nexperia GAN063-650WSAQ

NexperiaのGAN063-650WSAQは、高出力アプリケーションを対象としています。このGaN FETは、10Vゲート駆動時に650V、50mOhmの定格を持ち、34.5Aの高いドレイン電流定格を有しています。しきい値電圧はわずか4Vなので、ロジックレベルで動作する小型のPWMソースで駆動することができます。また、この動作温度範囲は-55から175°Cに及び、一部の最高のMOSFETよりもはるかに広いです。このコンポーネントはAEC-Q101にも適合しており、自動車アプリケーションやその他の過酷な環境に最適な選択肢です。100Aを超えるパルス電流の安全動作領域は以下に示されています。

電力およびモーターシステムにおけるその他の重要なコンポーネント

トランジスタは、ディスクリートでも集積回路内でも、現代の電子機器の基本的な構成要素であり、恐らく置き換えられることはありません。現代の電子機器を可能にするほど基本的なものであるにもかかわらず、パワーMOSFETを搭載したシステムには、適切に動作するために多くの他のコンポーネントが必要です。これらには、測定およびフィードバックの安定性のためのコンポーネントから、全体的なシステム制御および構成のためのプロセッサまでが含まれます。MOSFETベースの電力システムをサポートするために必要なコンポーネントには、以下のようなものがあります：

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