MOSFETの選択：VDS、RDS(on)、Qg、熱
ほとんどのMOSFET選定は、1番目ではなく2番目または3番目の数値でつまずく。電圧定格は容易だが、実際のゲート駆動条件でのオン抵抗と、それに伴う熱こそが、設計を誤らせる箇所である。
簡単な回答
- VDS：過渡現象を含む最大入力電圧の少なくとも1.5–2×。
- RDS(on): 実際に印加するゲート電圧において — 10 V の数値ではなく。
- Qg: ゲート駆動損失とスイッチング速度を決める；大きなダイほどそれが多い。
- 熱: パッケージと銅が、その損失に耐えられるかどうかを決める。
1. 電圧：簡単な数字
負荷過渡を伴う24 Vレールでは、ドレインに30～36 Vが現れることがあります。40 VのFETは妥当な出発点ですが、30 Vの部品は不適切です。目安は公称レールの1.5～2倍で、負荷が誘導性の場合はアバランシェ定格を確認してください。
高い電圧定格は通常、同じダイサイズではより高いRDS(on)を伴うため、過剰な仕様にしないでください。12 Vレールに100 Vの部品を使うと、不要なマージンのためにオン抵抗を犠牲にします。
| レール | 探すべきVDS | コメント |
|---|---|---|
| 5 V | 20–30 V | Plenty of choice, low RDS(on) |
| 12 V | 30–40 V | The common sweet spot |
| 24 V | 40–60 V | Check transients on the rail |
| 48 V | 80–100 V | RDS(on) rises; parallel devices may be better |
2. ゲート電圧におけるRDS(on)
データシートはRDS(on)を10 Vで示し、多くの場合4.5 Vでも示すが、2.5 Vで示すことはほとんどない。ゲートドライバが3.3 VのMCUピンである場合、10 Vの数値はあなたの設計にとって架空のものだ。素子は部分的にしかエンハンスされず、抵抗は数倍高くなる可能性がある。
| ゲート駆動 | 部品クラス | 注意すべき点 |
|---|---|---|
| 10–12 V | Standard | Gate charge and driver current |
| 4.5–5 V | Logic-level | Check the 4.5 V column exists |
| 2.5–3.3 V | Sub-logic-level | Fewer parts; watch threshold spread |
3. Qgとドライバ
ゲート損失 = Qg x Vg x fsw Qg 30 nC, 10 V, 100 kHz: 30 mW Qg 6 nC: 6 mW
ゲート損失は100 kHzでは小さく、1 MHzでは支配的になる。もう半分は遷移中のスイッチング損失で、これはドライバがゲートをどれだけ速く充電・放電できるかに依存する — Qgが大きくドライバが弱いと、「低RDS(on)」の部品がヒーターと化す。
ドライバの強さは式のもう半分だ。3.3 VのGPIOが流せるのは数ミリアンペアだが、専用のゲートドライバは数ナノ秒の間アンペア級を流す。Qgが大きくドライバが弱いと、FETは各エッジでより長く線形領域にとどまり、その時間が熱になる。
4. 損失のバジェット
| 用語 | 計算式 | 注記 |
|---|---|---|
| Conduction | I² × RDS(on) × D | Use RDS(on) at temperature |
| Switching | 0.5 × VDS × I × (tr + tf) × fsw | Measured, not guessed |
| Gate | Qg × Vg × fsw | Driver loss often included |
| Body diode | VF × I × dead time × fsw | Matters in synchronous stages |
例：24 Vから5 V、5 A、200 kHz、100 °C時のRDS(on) 10 mΩ、D = 0.21。導通損失は25 × 0.010 × 0.21 ≈ 53 mW；20 nsエッジでのスイッチング損失は0.5 × 24 × 5 × 40e-9 × 200e3 ≈ 480 mW；10 nC時のゲート損失は2 mW。問題は導通ではなくスイッチングである — より速いエッジまたはより低い周波数なら答えが変わる。
その結果は通常の直感とは逆である。24 Vおよび200 kHzではスイッチング項が支配するため、RDS(on)がわずかに高くてもQgがはるかに低くエッジが速い部品の方が低温で動作できる。5 Vおよび50 kHzでは導通項が通常は勝ち、低RDSの部品が正しい。
5. 熱：パッケージと銅
ドレインパッドがヒートシンクである。ビアアレイと裏面の銅箔を備えたDFNは20 °C/Wに達することができる；銅箔のないSOT-23は無風状態で200 °C/Wに近い。パッケージを選ぶことは熱抵抗を選ぶことである。
5b. 3つの候補、同じ用途
| 候補 | 4.5 VでのRDS(on) | Qg | 適合 |
|---|---|---|---|
| A: big die | 5 mΩ | 30 nC | Low frequency, high current |
| B: balanced | 10 mΩ | 10 nC | Most 100–300 kHz designs |
| C: small die | 20 mΩ | 3 nC | High frequency, light load |
これらの中で「最良」のものはない。正しい答えは損失バジェットに依存するため、選定順序は部品リストではなくアプリケーションの数値から始まる。
6. 選定順序
- VDS（レール電圧の1.5～2倍、加えて過渡）で絞り込む。
- 使用するゲート電圧、100 °CにおけるRDS(on)で絞り込む。
- スイッチング周波数におけるドライバの能力に対してQgを確認する。
- パッケージ熱抵抗を損失バジェットと照らし合わせて確認します。
- 次に、ボディダイオード、SOA、アバランシェを確認します。これらは最後の2候補を決める詳細です。
7. FAQ
RDS(on)は低いほど常に優れていますか？
いいえ。RDS(on)が低いと通常はダイが大きくなり、Qgが増え、スイッチングが遅くなるため、高周波では総損失が増える可能性があります。
標準的なMOSFETを3.3 Vで駆動できますか？
通常はうまくいきません。しきい値は満たすかもしれませんが、部品は完全にはエンハンスされないため、RDS(on) はデータシートの値よりはるかに高くなります。
低電流でFETが熱くなるのはなぜですか？
電流が減ってもスイッチング損失とゲート損失は減りません。軽負荷では、特に高周波でこれらが支配的になることがあります。
ゲート抵抗は必要ですか？
小さいもの（2–10 Ω）はリンギングを抑え、EMIを制御します。大きすぎるとスイッチング損失が増え、小さすぎるとリンギングがゲート定格を超えます。
ハイサイドにはN-channelとP-channelのどちらを使うべきですか？
NチャネルはRDS(on)が優れていますが、ブートストラップまたはチャージポンプが必要です。Pチャネルはより簡単ですが、単位面積あたりの性能は劣ります — 低電流用途なら問題ありません。
ボディダイオードはどうですか？
同期ステージでは、ボディダイオードはデッドタイム中に導通します。その順方向降下とリカバリ電荷は損失を増やし、ハードスイッチングブリッジではリンギングを引き起こす可能性があります。順方向電圧だけでなく、trrとQrrを確認してください。
安全動作領域はどう読めばよいですか？
SOAグラフは、与えられたVDSとパルス幅に対して部品が扱える電流を示します。これはホットプラグ、突入電流、故障条件で重要であり、定常動作では重要ではありません。
銅箔はどれくらい必要ですか？
予想損失でタブを周囲温度＋数度程度に保つのに十分です。パッド下のサーマルビアが最初のステップであり、ヒートシンクではありません。
8. 出典
- メーカーのMOSFETデータシート — 25 °Cおよび100 °CでのRDS(on)、Qg、SOA、熱抵抗。
- MOSFETの電力損失とゲートドライブに関するアプリケーションノート（TI、Infineon、onsemi）。
- パッケージの熱データ — 推奨される銅面積とビアパターンにおけるRθJA。
MOSFETの選び方？
レール電圧、負荷電流、スイッチング周波数、ゲートドライブをお送りください。ご注文前に、損失バジェットとパッケージを確認します。
