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MOSFET選択の基本ルール/チェック

Drain to Source max voltage rating (max Vds) はスイッチできる最大電圧を決定します。

ゲートしきい値電圧は、MOSFETを動作させるためにゲートに加える必要のある電圧差を決定します。

ゲート/ソース間最大電圧（最大 Vgs）は、（たとえ数 nSでも）超過してはならない重要な要素で、MOSFET が破壊される可能性があります。 電源レールはスパイクしますか? その場合は、何らかの保護（例：過渡現象抑制装置）を施すか、より高い定格を持つデバイスを選択する。 高電圧レール（例：低電圧ロジックから24V）をスイッチングする場合、MOSFETに0V以上のゲート電圧を供給する分圧器を使用すれば、この要件を満たすことができる場合があります。

モスフェット・ドライバICを使用する必要がありますか。 ゲートスイッチング電流が大きい場合 (高電流MOSFETなど)、または高速にスイッチングする場合 (最小限の電力損失で効率的に動作させるため) には、必要な場合があります。

以下の「MOSFETが故障する理由」を確認してください。

強化型MOSFETは、オンにすると、本質的に同一のRDSONでどちらかの方向に電流を流すことができます。 オフでは、一方向の電流を遮断します。

MOSFETは入力インピーダンスが高いため、静電気放電による破壊に弱い。 保護ダイオードやツェナーを内蔵している場合もあります。

エンハンスメント・モードのMOSFETは、ソースとドレインの間にダイオードを内蔵している。
ダブルエンハンスメント・モスフェットは、カソードとカソードの間に2つのダイオードを内蔵している。

MOSFETは、スイッチング・エッジの間だけ、GS容量を充電するためにゲート電流を必要とします。 このゲート電流は高くてもかまいません。

0Vをスイッチングする場合

ソースが0Vに接続され（直接または電流制限抵抗を介して）、負荷がドレインに接続されたNチャンネルMOSFETを使用する。

ゲート電圧がソース電圧をゲートしきい値電圧以上上回ると、MOSFETは導通する。 電圧が高いほど、MOSFETはより多く伝導することができます。

NチャンネルMOSFETはPチャンネルMOSFETよりもオン抵抗が低いので、どちらをスイッチングするか選択できる場合は、NチャンネルMOSFETの方が望ましい。

N チャネル MOSFET は、特定の構成で、ドレインが Vin、ソースが Vout に切り替わり、+V をスイッチングすることもできます。

PチャンネルMOSFETで+Vを切り替えるには

ソースが+Vに（直接または電流制限抵抗を介して）接続され、負荷がドレインに接続されているPチャンネルMOSFETを使用する。

通常、ソース ピンはドレインよりも正でなければなりません (ただし、たとえば逆極性保護を提供するために P MOSFET を使用する場合は、これは当てはまりません)。

ゲート電圧が（ソース電圧-ゲートしきい値電圧）より低いときはいつでもMOSFETは導通します。 ゲート電圧がこれより高い場合は導通しません。 ソースとの電圧差が大きいほど、MOSFETは導通することができます。

PチャンネルMOSFETはNチャンネルMOSFETよりもオン抵抗が高く、あまり好まれないことが多い。

PチャンネルMOSFETは、オン/オフ制御が簡単なため、一部のアプリケーションではNチャンネルMOSFETよりも有利である。 NチャネルMOSFETが+Vをスイッチングする場合、ゲートに追加の電圧レールが必要ですが、Pチャネルは不要です。

NチャネルMOSFETで+Vを切り替えるには

NチャネルMOSFETを使用し、ドレインを+Vに、負荷をソースに接続する。

ただし、この配置には問題があります。Vgsスレッショルドに達すると、MOSFETのスイッチが入り、この配置のソース電圧はオフ（0V）とオン（Vin）の間で変化します。 つまり、ゲートをVinに切り替えることはできず、Vinより少なくともモスフェットのVgsスレッショルド分高く、かつ最大Vgs仕様を超えない別の電圧レールが必要です。

ゲート抵抗

MOSFETドライバとMOSFETゲート端子間に低い値の抵抗を使用すると、リード・インダクタンスとゲート容量によるリンギング振動が減衰し、ゲート端子の最大許容電圧を上回る可能性があります。 また、MOSFETのオン/オフの速度も遅くすることができます。 これは、MOSFETに内蔵されたダイオードが十分に速くオンしない場合に有効です。

ノイズの多いラインからMOSFETを駆動する場合（リレー接点など）、VHF発振を抑えるために、MOSFETの近くに小さな直列ゲート抵抗を使用する必要があります。 22オームで十分です。

速度/伝搬遅延が重要な場合は、ゲート抵抗の使用を避けるか、値を小さくする必要があります。 たとえば、5Vの信号とFDN335Nの場合、1Kのゲート抵抗は200～400nSの伝搬遅延（ゲートからドレインへのスイッチングの遅れ）を追加することができます。

大電流MOSFETの場合、ゲート・チャネル容量が非常に高く、ドレイン電圧が急速に変化すると、数ミリアンペアの過渡ゲート電流が発生する可能性があります。 これは、オーバードライブに十分で、繊細なCMOSドライバ・チップさえも損傷する可能性があります。 直列抵抗は、スピードと保護の妥協点であり、100Rから10Kが一般的な値である。 誘導性負荷がない場合でも、ダイナミックなゲート電流は存在する。 また、MOSFETは静電気によるダメージに非常に弱く、一度のゲート破壊で不可逆的なダメージを受けることがある。 このため，1K～10Kのゲート直列抵抗を使用することが非常に有効です。 ゲート信号が他の回路基板から来る場合は、特に重要です。

MOSFETをフローティングのままにできる場合は、ゲートからソースにプルダウン抵抗（一般に100K～1MでOK）を使用します。

ゲートドライバIC

高電流MOSFETや、MOSFETが状態を変えるために短いが大きな電流を必要とするため、高速スイッチング・レートではドライバICがよく使用されます。 ドライバの入力は通常ロジック・レベルです。 多くの場合、MOSFETは数百キロヘルツの周波数で効率的にスイッチングするために、1～2Aのドライバを必要とします。 この駆動は、MOSFETのゲート容量を素早く充電・放電するためにパルス的に必要とされます。

MOSFETの並列化

MOSFETは、電流処理能力を向上させるために並列に配置することができます。 ゲート端子、ソース端子、ドレイン端子を接続するだけです。 MOSFETはいくつでも並列化できますが、並列化するほどゲート容量が増え、最終的にはMOSFETドライバが駆動できなくなることに注意してください。

Nch MOSFET を使用して正電圧を切り替える

はい、できます! Vgs仕様が満たされている限り、Nチャネルは通常オンとなり、ソースからドレインへ電流を流すことができます（ソースはドレインよりプラス）。 ボディ・ダイオードはとにかく電流を流しますが、モスフェットをオンにすることで、電流を完全に流すことができます。

ボディ ダイオードの使用

ボディ ダイオードを使ってモスフェットに電流を流すことはできますが、それによってモスフェットが損傷しないように注意し、自分が何をしているかを把握する必要があります。

Mosfet True Switch / PチャンネルMOSFETによる双方向スイッチ

このPチャンネルMOSFETの背中合わせの配列を使用すると、オン時に電流はどちらかの方向に流れます。 オフ時には両側が絶縁されます。 一般的なPチャンネル・モスフェットを使用することができます。

トランジスタ スイッチが必要なのは、ゲートをオープン・ドレイン出力で切り替える必要があり、切り替えられるドレインに接続された電源レールに関連して、オン/オフ信号から十分大きな Vgs が発生しないようにするためです。 トランジスタは、オフ時のドレイン電圧に耐えられるオープンドレインICを信号源として使用することで、紛失する可能性があります。

この配置は、切り替えられる電圧が使用するMOSFETの> Vgsスイッチング・スレッショルドである場合にのみ適していることに留意してください。

これが保証できない場合、または光絶縁が必要な場合、フォト MOSFET ソリッド ステート リレーは優れたソリューションとなります。 例

Avago ASSR-1218 – 200mA、60V定格。 3V3などの低電圧を、オン状態の抵抗による電圧降下なしに（すなわち、トランジスタ出力光アイソレータを使用した場合の電圧降下なしに）切り替えることができます。

Mosfet True Switch / NチャンネルMOSFETによる双方向スイッチ

例：NチャンネルMOSFETの場合。

MOSFET が失敗する理由

不十分なゲート駆動

MOSFET デバイスは、オンにしたときに最小限の電力を消費するように設計されているため、大きな電力をスイッチングできるに過ぎません。 導通時の損失を最小にするために、MOSFETを確実にハード・オンする必要があります。 デバイスが完全にオンになっていない場合、デバイスは導通中に高い抵抗を持ち、かなりの電力を熱として放散することになります。

過電圧

MOSFETの定格電圧をわずか数nSでも超えると、破壊される可能性があります。 予想される電圧レベルに対してMOSFETデバイスを保守的に選択し、電圧スパイクやリンギングを許容または抑制するように対処してください。

ピーク電流による過負荷

短時間の過負荷電流により、MOSFETは故障に至るまでほとんど顕著な温度上昇を伴わず、徐々に損傷することがあります。 MOSFETはしばしば高いピーク電流定格を示しますが、これは通常、数100uSのピーク電流にのみ対応するものです。 誘導性負荷をスイッチングする場合は、ピーク電流を処理できるようにMOSFETをオーバーレートする必要があります。

長時間の過電流

MOSFETが大電流を流した場合、そのオン状態の抵抗が発熱の原因になります。 ヒートシンクが不十分な場合、MOSFETは過度の温度で破壊される可能性があります。 このため、複数のMOSFETを並列接続し、高負荷電流を分担させる方法があります。

Hブリッジまたはフルブリッジ構成 シュートスルー/相互導通

HまたはL出力電圧を得るために電圧レール間でPおよびN MOSFETを使用する場合、MOSFETへの制御信号が重なると事実上電源が短絡し、これはシュートスルー状態として知られています。 この状態が発生すると、スイッチング遷移が起こるたびに、両方のデバイスを通じて電源のデカップリングコンデンサが急速に放電され、非常に短いが大きな電流パルスが発生します。

これを避けるには、スイッチング遷移の間にデッドタイムを設け、その間はどちらのMOSFETもオンさせないようにする必要があります。

フリーホイール電流経路がない

誘導性負荷を切り替える場合、MOSFETがオフするときに逆起電力がフリーホイールする経路が必要です。 エンハンスメント・モードMOSFETは、この保護を提供するダイオードを内蔵しています。

MOSFETのボディ・ダイオードの遅い逆回復

高品質共振回路は、インダクタンスと自己容量にかなりのエネルギーを蓄えることができる。 ある種の同調条件下では、これにより、一方のMOSFETがオフになり、他方のデバイスがオンになると、MOSFETデバイスの内部ボディ・ダイオードを介して電流が「フリーホイール」することになります。 このとき、対向するMOSFETがオンしようとすると、内部のボディダイオードがゆっくりとターンオフ（または逆回復）するという問題が発生する。 MOSFETのボディダイオードは、一般にMOSFET自体の性能に比べ、逆回復時間が長くなっている。 もし、一方のMOSFETのボディダイオードが、対向するデバイスのスイッチが入ったときに導通していれば、前述のシュートスルー状態と同様の「短絡」が発生することになる。 この問題を解決するには、MOSFETのソースに直列に接続したショットキーダイオード（フリーホイール電流によってMOSFETのボディダイオードが順方向バイアスされるのを防ぐ）と、MOSFETとショットキーのペアに並列接続した高速（ファストリカバリー）ダイオードとを追加して、フリーホイール電流がMOSFETとショットキーを完全にバイパスさせるようにすればよい。 これにより、MOSFETのボディダイオードが導通することはありません。 フリーホイール電流は、シュートスルー問題の少ないファストリカバリダイオードによって処理されます。

過度のゲート駆動

MOSFETのゲートを高電圧で駆動した場合、ゲート酸化膜に穴が開き、MOSFETが破壊される可能性があります。 ゲート駆動信号には、最大許容ゲート電圧を超えるような狭い電圧スパイクがないことを確認してください。

低速スイッチング遷移

定常的なオン/オフ状態ではほとんどエネルギーは消費されませんが、遷移時にはかなりのエネルギーが消費されます。 したがって、スイッチング時の電力損失を最小限に抑えるためには、状態間をできるだけ速く切り替えることが望ましい。 MOSFETのゲートは容量性であるため、数十ナノ秒の間にゲートを充放電させるには、かなりの電流パルスが必要である。 ピーク時のゲート電流は1アンペアにもなります。

スプリアス発振

MOSFETの入力は比較的ハイ・インピーダンスであり、安定性の問題につながることがある。 特定の条件下では、高電圧MOSFETデバイスは、周囲の回路の浮遊インダクタンスと容量により、非常に高い周波数で発振することがあります。 (また、浮遊信号がデバイスのゲートに結合しないように、低インピーダンスゲートドライブ回路を使用する必要があります。

コントローラへの伝導妨害

大電流の急速なスイッチングにより、電源レールに電圧ディップや過渡スパイクが発生し、制御回路に干渉する可能性があります。 良好なデカップリングとスターポイント・グラウンディング技術を使用する必要があります。

静電気障害

MOSFETは静電気に非常に敏感です。 ゲート酸化膜の損傷を防ぐため、帯電防止処理予防策を使用する必要があります。