ワイドバンドギャップ特性評価

SiCやGaNなどの超高速ワイドバンドギャップ（WBG）半導体のスイッチング損失を測定するには、DPTが必要です。標準の動作掃引では速度が速すぎて個々の遷移を鮮明に分離できないので、DPTでは、制御された電流および電圧ベースラインの下でターンオン／ターンオフイベントを分離することで、エネルギー散逸を精密に計算します。

スイッチング損失はエネルギー測定（単位ジュール）であり、トランジスタ両端の瞬時電圧とトランジスタを流れる電流を乗じて、そのパワー波形をスイッチング遷移の期間にわたって積分することによって得られます。

GaNやSiC半導体のナノ秒単位の超高速スイッチングエッジを測定するには、プローブから生じるノイズを除去し、ハードウェア帯域幅を遷移エッジの速度に合わせる必要があります。

長いワニ口グランドクリップを備えた標準のオシロスコーププローブは、寄生インダクタンスによる信号歪みをもたらし、人為的な電圧オーバーシュートやリンギングによって真のデバイス動作が見えなくなる可能性があります。これを防ぐには、標準のグランドワイヤを完全にバイパスし、MMCX同軸コネクタなどの専用のPCB取り付け型テストフィクスチャを使用するか、短い金属グランドスプリングをローカルグランドプレーンに直接押しつける必要があります。

測定システムの選択は、スイッチング周波数でなくエッジの立ち上がり時間に基づいて行います。高速ニー周波数の公式を使用して、オシロスコープとプローブの組み合わせが十分な帯域幅の余裕（1 nsエッジに対して一般的に1 GHz以上）を持つようにします。ハーフブリッジレイアウトでの重要なハイ側測定の場合、標準の差動プローブでは、きわめて大きい電圧ステップに耐えるために必要なコモンモード除去比（CMRR）が不足しています。そのため、光絶縁型の光ファイバープローブ（R&S®RT-ZISOなど）を使用して、測定器を完全に絶縁し、コモンモードリーケージを遮断する必要があります。

最後に、パワー計算では電圧波形と電流波形が同時に乗算されるため、校正デスキューフィクスチャを使用して、あらかじめ物理的にプローブのタイミングを合わせておく必要があります。タイミングが1ナノ秒ずれただけでも、スイッチング指標の計算結果が20 %以上変化することがあるからです。

RDS（ON）は、MOSFETが完全にオンになり、線形導通状態で動作しているときの、ドレイン端子とソース端子の間の全内部抵抗を表します。このパラメータは、トランジスタがアクティブに電流を通しているときの効率の主要なボトルネックとなります。システムの導通損失はこれによって直接決まるからです。

導通損失とは、トランジスタの「オン」状態の全期間にわたって熱として消費される連続的な熱エネルギーです。ジュールの法則より、これはデバイスを流れるドレイン電流の実効値（RMS）に対して指数関数的に増加します。RDS（ON）を最小化することが重要なのは、導通損失が大きすぎるとパワーコンバーター全体の効率が低下し、大きな熱ストレスを生じることでシステムの信頼性に悪影響を与えるからです。

SiCやGaNなどのWBG半導体の重要な利点はここにあります。優れた材料属性により電子密度を大幅に高くできるので、従来のシリコンよりもはるかに小さい物理ダイサイズで、きわめて小さいRDS（ON）を達成できるからです。

パワーMOSFETの動的オン抵抗RDS（ON）を、回路内でのアクティブなスイッチング中に測定することは、パワーエレクトロニクスにおける最も困難な課題の1つです。これがなぜ困難かというと、オシロスコープは、トランジスタがオンのときにその両端のミリボルト単位のわずかな電圧降下を測定できる必要があり、かつ、その1マイクロ秒後にトランジスタがオフになったときには、同じ端子に生じる数百ボルトの電圧に耐える必要があるからです。

1. クランピング回路法
クランピング回路法は、トランジスタのオン状態とオフ状態の間の極端な電圧差に対処して、オシロスコープを入力増幅器の飽和から保護するために用いられます。プローブを直接ドレインに接続し、ズームインしてオン状態でのミリボルト単位のわずかな電圧降下を分解できるようにすると、オフ状態の高電圧によってオシロスコープがオーバードライブされて測定不能になり、以降のデータは無意味になります。これを防ぐには、超高速のダイオードを使用した特別なフィクスチャを挿入して、オフ状態の高電圧スパイクを遮断することで、オシロスコープが、飽和していない真のオン状態電圧降下RDS（ON）を、高感度の垂直軸スケールで安全に測定できるようにする必要があります。

2. 直接数式
直接数式を使用すると、オシロスコープは、リアルタイム演算機能を使用して、タイムドメインで連続的にRDS（ON）を計算してマッピングできます。クランピング回路によって真のオン状態電圧降下が分離されたら、オシロスコープは、この時間変動する電圧波形を、電流表示抵抗（CVR）などの広帯域幅電流センサで捕捉された同時ドレイン電流I_Dで除算します。これによって得られる式[RDS(ON)(t) = V_DS(ON)(t) / I_D(t)]を使用することで、トランジスタの内部抵抗が高速スイッチング遷移の直後にセトリングする様子を正確に観察できます。

トランジスタの内部抵抗の評価には、静的テストと動的テストという根本的に異なる2種類の環境が使用されます。静的テストでは、カーブトレーサーまたはソース・メジャー・ユニット（SMU）を使用して、非スイッチングデバイスに定常的なDC信号を印加します。これはベースラインデータシート検証に最適ですが、実際のシステム動作の再現には適しません。

これに対して、動的テストでは、DPTの場合のように、デバイスが負荷条件下でアクティブにスイッチングを行っている間に抵抗を測定します。これは、GaNデバイスやSiCデバイスで高電圧電荷トラッピングによって生じる一時的な動的RDS（ON）のような、実環境での動作異常を発見するために不可欠です。

スイッチングエミッションとは、トランジスタの超高速ターンオン／ターンオフ遷移の間に発生する不要な電磁波障害（EMI）や高周波ノイズを表します。パワー半導体の状態が切り替わる際に、電圧の時間変化率（dv/dt）と電流の時間変化率（di/dt）の急速な変動により、高周波エネルギーが空中に放射されたり回路トレースを伝わって伝導したりすることで、信号歪みやコンポーネントの動作異常の原因となることがあります。

大きいコモンモード除去比が必要なのは、パワーコンバーターの主要なコンポーネント、具体的には標準のハーフブリッジ構成のハイ側ゲートドライバーおよびハイ側トランジスタが、安定したシステムグランドに接続されていないからです。これらの基準ノード（スイッチノード）は、スイッチングイベントのたびにDCバスレール間で数百Vあるいは数千Vといった急激な変動を示す、きわめて大きな電圧波形にさらされています。これらのハイ側スイッチを制御するミリボルト単位の繊細な信号を、テスト機器の故障やデータの破損を起こさずに捕捉するには、測定システムがフローティングを維持し、これらの巨大なコモンモード電圧スイングを無視できる必要があります。

そのため、従来の高電圧差動プローブでは、最新のワイドバンドギャップ（WBG）テクノロジーの評価には不十分です。超高速エッジを評価するには、広帯域幅性能（最大1 GHz以上）と、周波数スペクトラム全体にわたるきわめて高いコモンモード除去比（CMRR）が必要です。従来のプローブデザインでは周波数が高くなるとCMRRが急激に低下するため、このような困難なテストシナリオでは、専用の光絶縁測定システムを使用する必要があります。