｢Ｂシリーズ｣ 1200V IGBTモジュールの紹介 高速性と低損失を実現した 新世代チップを採用 日本インター株式会社 モジュール製品部 主な特性の改良点 (Ｃシリーズとの比較) スイッチング特性は従来の特性を維持したまま、 ＩＧＢＴの飽和電圧ＶCE(sat)を２７%、 ﾌﾘｰﾎｲｰﾘﾝｸﾞﾀﾞｲｵｰﾄﾞの順電圧ＶFを２４%低減。 大幅に総合損失の改善を図る事が可能となった。 Ｃharacteristics Ｓｙｍｂｏｌ コレクタ・エミッタ間飽和電圧 ゲートしきい値電圧 入力容量 ゲート抵抗(測定条件） 順電圧 ＶCE(sat) ＶGE(th) Ｃies ＲG ＶF Ｍｉｎ － 4.0 － Ｂシリーズ Ｔｙｐ 1.9 － 8,300 10 1.9 Ｍａｘ 2.4 8.0 Ｍｉｎ － － 2.4 － Ｃシリーズ Ｔｙｐ 2.6 － 10,000 8.2 2.5 Ｍａｘ 3.3 10 3.3 Ｕｎｉｔ Ｖ Ｖ ｐＦ Ω Ｖ ｢Ｂシリーズ｣の特性例 Ｓｙｍｂｏｌ ＶCES ＶGES ＩC ＤＣ ＩCP １ｍｓ ＩF ＤＣ ＩFM １ｍｓ ＰC Ｔstg Ｔj Viso Ｓｙｍｂｏｌ ＩCES ＩGES ＶCE(sat) ＶGE(th Ｃies tr ton tf toff ＶF trr Ｒth(j Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ＶCE=1,200V,ＶGE=0V ＶCE=0V,ＶGE=±20V ＩC=100A,ＶGE=15V ＶCE=5V,ＩC=100mA ＶCE=10V,f=1MHz ＶCC=600V ＩC=100A ＶGE=±15V ＲG=10Ω ＩF=100A,ＶGE=0V ＩF=100A,ＶGE=-10V, -di/dt=200A/μs ＩＧＢＴ ＦＷＤ Ｒａｔｅｄ １,２００ ±２０ １００ ２００ １００ ２００ ５００ -４０～＋１２５℃ -４０～＋１５０℃ ２,５００ (100AＴｙｐｅ) Ｕｎｉｔ Ｖ Ｖ Ａ Ａ Ａ Ａ Ｗ ℃ ℃ Ｖ Ｍｉｎ － － － ４.０ － － － － － － Ｔｙｐ － － １.９ － ８,３００ ０.２５ ０.４０ ０.２５ ０.８０ １.９ Ｍａｘ ２.０ １.０ ２.４ ８.０ Ｕｎｉｔ ｍＡ μＡ Ｖ Ｖ ｐＦ ０.４５ ０.７０ ０.３５ １.１０ ２.４ － ０.２ ０.３ μs － － － － ０.２５ ０.５０ ℃/W μs Ｖ Ｂシリーズのラインナップ 定格電流 (A) 50 75 100 150 200 300 400 600 800 Single － － － － PHMB200B12 PHMB300B12 PHMB400B12 PHMB600B12 PHMB８00B12 回路構成 ２-in-１ ６-in-１ Ｈ-Bridge PDMB50B12 PTMB50B12/C PBMB50B12/C PDMB75B12 PTMB75B12/C PBMB75B12 PDMB100B12/C PTMB100B12/C PBMB100B12 PDMB150B12/C － PBMB150B12 PDMB200B12/C － PBMB200B12 PDMB300B12/C － － PDMB400B12/C － － － － － － － － Chopper PCHMB50B12 PCHMB75B12 PCHMB100B12 PCHMB150B12 PCHMB200B12 PCHMB300B12/A PCHMB400B12/A － － PRHMB50B12 PRHMB75B12 PRHMB100B12 PRHMB150B12 PRHMB200B12 PRHMB300B12/A PRHMB400B12/A － － * ２-in-１と６-in-１には、同一定格で外形の異なる モジュールを準備しています。 ＩGBTチップの構造の比較 Epitaxial Float Zone Planar構造 Ｂシリーズ Emitter Very Thin Wafer Ｐ＋ Collector Substrate Non - Punch Through (NPT) Punch Through (PT) Soft Punch Through (SPT) Positive temperature coefficient of on-state Extremely rugged Low losses 出力特性 100A/1,200V Type 25℃ Output Characteristics 125℃Output Characteristics 出力特性 200 VGE =20V 12V 150 C 8V 50 7V 2 4 6 8 10 10V 12V 15V コレクタ電流 100 Collector Current I 9V 0 VGE =20V (A) (A) C 150 0 TC=125℃ 200 10V 15V コレクタ電流 Collector Current I 出力特性 TC=25℃ 9V 100 8V 50 7V 0 0 2 4 6 8 Collector to Emitter Voltage VCE (V) Collector to Emitter Voltage VCE (V) コレクタ・エミッタ間電圧 コレクタ・エミッタ間電圧 10 飽和電圧が低く、極めて低損失 1.9V@定格電流25℃ 温度特性 25/125℃ ＩＧＢＴ 100A1,200V Type ＦＷＤ On-State Characteristics Forward Characteristics of Free Wheeling Diode ダイオード部順方向特性 コレクタ・エミッタ間飽和電圧特性 VGE=15V 200 Formard Current IF (A) 順方向電流 (A) 200 コレクタ電流 Collector Current I C 150 TC=25℃ TC=125℃ 100 50 0 TC=25℃ 150 TC=125℃ 100 50 0 0 0.5 1 1.5 2 Collector to Emitter Voltage 2.5 3 VCE (V) コレクタ・エミッタ間飽和電圧 3.5 0 0.5 1 1.5 Forward Voltage 順方向電圧 ＩＧＢＴチップは顕著な正の温度係数を 持つ為、大容量化やパラ接続が容易 2 VF (V) 2.5 3 100A1,200V Type 900 30 2 250 750 1 200 600 900 30 20 2 250 750 20 10 1 200 600 10 0 -1 100 300 -10 -2 50 150 -20 -3 0 0 t : 2 . 0 μ s/ D IV -30 5.4x10 -5 5.6x10 -5 5.8x10 -5 6x10 -5 6.2x10 0 150 450 VGE (V) 300 VCE (V) 450 3 IC (A) 150 Turn-On / 100A/1.2kV/SPT at VCC=600V, IC=100A, RG=10Ω, VGE =±15V, TC=125℃ IG (A) 100 300 -10 -2 50 150 -20 -3 0 0 -30 -5 Turn-Off / 100A /1.2kV /SPT at VCC=600V, IC=100A, RG=10Ω, VGE=±15V, TC=125℃ 0 -1 -2x10 t : 1. 0μs/DIV -6 -1x10 -6 0x10 -6 Time (s) 0.01 0.005 0 1.0x10 5 0.02 1.0x10 5 7.5x10 4 0.015 7.5x10 4 5.0x10 4 5.0x10 4 2.5x10 4 2.5x10 4 0.0x10 0 5.4x10 t : 2 . 0 μ s/ D IV -5 5.6x10 -5 5.8x10 -5 Time (s) 6x10 -5 6.2x10 -5 0.01 0.005 0 P (W) 0.015 P (W) ESW (J) 0.02 -6 1x10 2x10 -6 3x10 -6 4x10 -6 5x10 -6 Time (s) ESW (J) 0 VGE (V) 300 VCE (V) 3 IC (A) IG (A) スイッチング動作波形 (誘導負荷) t : 1. 0μs/DIV 0.0 -2x10 -6 -1x10 -6 0x10 -6 1x10 -6 2x10 -6 Time (s) Turn-off動作では跳ね上がり電圧が小さく、テイル領域での 電流が低く早く消滅する為、スイッチング損失も小さい。 Turn-on動作時には、ﾌﾘｰﾎｲｰﾘﾝｸﾞﾀﾞｲｵｰﾄﾞのﾘｶﾊﾞﾘ電流が ｿﾌﾄで高いdi/dtにも耐えられる。(高速動作が可能) 3x10 -6 4x10 -6 5x10 -6 スイッチング時間 100A/1,200V Type （誘導負荷） Collector Current Vs. Switching Time スイッチング特性 1000 10000 ハーフブリッジ誘導負荷スイッチング動作 VCC=600V,RG=10Ω, VGE=±15, TC=125℃ 100 ｔｒ 10 10 100 Collector Current IC (A) コレクタ電流 200 スイッチング時間 Switching Time スイッチング時間 ｔ d(on) ｔ d(off) 1000 ｔf Switching Time ハーフブリッジ誘導負荷スイッチング動作 VCC=600V,IC=100A, VGE=±15, TC=125℃ 3000 ｔ d(off) t (ns) t (ns) 5000 Series Gate Impedance Vs. Switching Time スイッチング特性 ｔf ｔ d(on) 300 ｔｒ 100 30 10 10 20 30 40 50 60 100 Series Gate Impedance RG (Ω) ゲート抵抗 外付けｹﾞｰﾄ抵抗、コレクタ電流によるスイッチング時間の変化 スイッチング時間 100A/1,200V Type （抵抗負荷） Collector Current Vs. Switching Time スイッチング特性 Series Gate Impedance Vs. Switching Time スイッチング特性 1.6 10 1.2 t (μs) t (μs) 抵抗負荷スイッチング動作 1.4 VCC=600V,RG=10Ω, VGE=±15, TC=25℃ ｔoff 1 抵抗負荷スイッチング動作 VCC=600V,IC=100A, VGE=±15, TC=25℃ ｔoff ｔon ｔf 3 スイッチング時間 Switching Time スイッチング時間 Switching Time 1 0.8 ｔf 0.6 0.4 ｔon 0.2 ｔｒ 0 0 ｔｒ 0.3 0.1 0.05 25 50 Collector Current IC (A) コレクタ電流 75 100 10 30 Series Gate Impedance RG (Ω) ゲート抵抗 100 200 100A/1,200V Type スイッチング損失 Collector Current Vs. Switching Loss コレクタ電流 対 スイッチング損失 Series Gate Impedance Vs. Switching Loss ゲート抵抗 対 スイッチング損失 100 (mJ/Pulse) ハーフブリッジ誘導負荷スイッチング動作 VCC=600V, IC=100A, VGE=±15, TC=125℃ 30 E SW( ON) E SW( OF F ) 10 5 10 30 Series Gate Impedance RG (Ω) ゲート抵抗 ハーフブリッジ誘導負荷スイッチング動作 VCC=600V, RG=10Ω, VGE=±15, TC=125℃ E SW 30 E SW( ON) SW E SW Switching Losses, E スイッチング損失 Switching Losses, E スイッチング損失 SW (mJ/Pulse) 100 (誘導負荷) 100 E SW( OF F) 10 3 1 10 30 Collector Current IC (A) コレクタ電流 100 200 逆回復波形 100A/1,200V Type Free Wheeling Diode VCC=600V, IF=100A, -di/dt=200A/μs, TC=25℃ 100 75 25 F I (A) 50 0 -25 -50 ０．００ ０．５０ １．００ １．５０ Time (μs) 高温時でのリカバリ波形は、よりソフトになる為 対向アームの高速動作が可能となる ２．００ リカバリ特性 100A/1,200V Type Reverse Recovery Characteristics ダイオード部逆回復特性 Peak Reverse Recovery Current I RrM (A) 逆回復電流ピーク値 Reverse Recovery Time trr (ns) 逆回復時間 500 IF=100A TC=25℃ 300 trr 100 30 10 IRrM 3 1 0 100 200 300 400 -di/dt (A/μs) 500 600 ゲートチャージと容量特性 100A1,200V Type Capacitance vs. Collector to Emitter Voltage 容量 － コレクタ・エミッタ間電圧 14 600 12 500 10 400 8 VCE=600V 300 6 400V 200 4 200V 100 2 0 0 0 150 300 450 Total Gate Charge Qg (nC) ゲート電荷 600 750 Gate to Emitter Voltage VGE (V) 700 コレクタ・エミッタ間電圧 16 RL=6Ω TC=25℃ ゲート・エミッタ間電圧 Collector to Emitter Voltage V CE (V) 800 Capacitance Cies, Coes, Cres (F) 容量 Gate Charge vs. Collector to Emitter Voltage ゲート電荷 － コレクタ・エミッタ間電圧 1x10 -7 3x10 -8 1x10 -8 3x10 -9 1x10 -9 3x10 -10 1x10 -10 3x10 -11 1x10 -11 Cies Coes Cres VGE=0V f=1MHZ TC=25℃ 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 Collector to Emitter Voltage VCE (V) コレクタ・エミッタ間電圧 入力容量･ｹﾞｰﾄしきい値電圧と共に、ｹﾞｰﾄﾄﾞﾗｲﾌﾞ回路の性能と 関わる。高速動作･ﾄﾞﾗｲﾌﾞ電力の節減が可能。 帰還容量Ｃresが小さく、短絡時にも安定したゲート電圧を維持 短絡耐量 50A1,200Vﾁｯﾌﾟでの動作波形 Short Circuit 1.2kV/ 50A/ SPT at VCC=900V, t=10μs, TJ =125℃ 30 1x10 6 800 1000 20 8x10 5 600 800 10 PW (A) 6x10 5 400 600 VGE (V) 1200 VCE (V) 1000 IC (A) 6 1.2x10 0 4x10 5 200 400 -10 2x10 5 0 200 -20 ESC=2.35J 0x10 0 -200 0 -30 0x10 0 5x10 -6 1x10 -5 1.5x10 -5 2x10 -5 Time (s) 低い飽和電圧を達成しながら、短絡電流を抑制する事で 保護素子無しで短絡耐量１０μSを確保した。 短絡耐量 100A1,200V Type Short Circuit 1.2kV/ 100A /SPT VCC=900V, t=10μs, TC=125℃, RG=24Ω, Lσ=50nH 30 4x10 6 1250 1250 20 3.2x10 6 1000 1000 10 2.4x10 6 1.6x10 6 500 500 -10 8x10 5 250 250 -20 0x10 0 0 0 -30 P (W) 750 750 VGE (V) 1500 VCE (V) 1500 IC (A) 6 4.8x10 0 -5x10 -6 0x10 -6 5x10 -6 10x10 -6 Time (s) 15x10 -6 20x10 -6 短絡耐量 100A1,200V Type 電源電圧を更に上げていった場合の動作波形 Short Circuit 1.2kV/ 100A/ SPT Ｖcc=1,000V V =1000V, T =125℃, R =10Ω, Lσ=60nH 1500 30 4x10 6 1250 1250 20 3.2x10 6 1000 1000 10 2.4x10 6 750 750 1.6x10 6 500 500 5 250 250 VGE (V) 1500 VCE (V) 4.8x10 6 IC (A) P (W) CC C G 0 -10 ESC=5.05J 8x10 -20 t :2μs/DIV 0x10 0 0 0 -30 -2x10 -6 0x10 -6 2x10 -6 4x10 -6 6x10 -6 8x10 -6 10x10 -612x10 -614x10 -616x10 -6 Time (s) 逆バイアスＳＯＡ 100A1,200V Type Reverse Bias Safe Operating Area 逆バイアスSOA 500 =7.5Ω RRGG=10Ω GE =±15V V VGE=±15V TC≦125℃ TC≦125℃ Collector Current I C (A) コレクタ電流 100 10 1 0.1 0 400 800 1200 Collector to Emitter Voltage V CE (V) コレクタ・エミッタ間電圧 1600 二次降伏による低減がなく、広い安全動作領域を持つ 100A,1200V Type トレードオフカーブ M社との比較 4 従来のｼﾘｰｽﾞと比較して 格段に性能が上回る。 ｢Ｆ｣ｼﾘｰｽﾞについては現在 調査中。 傾向としてＶCE(sat)は低いが、 スイッチング損失は大きい。 トータルバランスの中では、 ｢Ｂ｣ｼﾘｰｽﾞが一番優れている。 @TJ=125℃,IC=100A VCE(sat.) (V) 3.5 3 「U」シリーズ 2.5 2 「H」シリーズ NIEC 「B」シリーズ 1.5 1 5 10 15 20 ESW(OFF) (mJ) @TJ=125℃,IC=100A, VCC=600V 25 100A1,200V Type 平均電力損失試算比較 20kWクラス三相440V正弦波PWMインバータの平均電力損失試算 Ｖcc=600V,ｆc=20kHz,duty=50%,力率:0.8,ＩCP=57A 140 120 9.79 8.15 100 平均電力損失 (W) ＲＧ Ｃｼﾘｰｽﾞ１５Ω Ｂｼﾘｰｽﾞ１０Ω(標準値) Fｼﾘｰｽﾞ 3.3Ω(標準値) (Ｍ社資料より算出) 最適値を選定することにより、 モジュールの特性を最大に 発揮する事ができる。 7.30 80 95.53 60 73.70 85.21 ダイオード損失 スイッチング損 失 定常損失 40 20 22.75 16.03 15.04 B シリーズ名 F 0 C 比較製品：PDMB100C12 PDMB100B12 CM100TU-24F ノイズの発生が少ない為、安定した動作が可能となる。 100A1,200V Type 平均電力損失試算比較 ＲＧ Ｃｼﾘｰｽﾞ１５Ω Ｂｼﾘｰｽﾞ１０Ω(標準値) Fｼﾘｰｽﾞ 3.3Ω(標準値) (Ｍ社資料より算出) 20kW三相400V正弦波PWMインバータの平均電力損失試算 Ｖcc=600V,ｆc=20kHz,duty=50%,力率:0.8,ＩCP=57A Ｃ 1000 Ｆ Energy (W) Ｂ 100 「Ｂ」ｼﾘｰｽﾞ 「Ｃ」ｼﾘｰｽﾞ 「Ｆ」ｼﾘｰｽﾞ 10 0.1 1 10 frequency (kHz) 100 1000 まとめ ○市販されている1,200VＩＧＢＴの中では トップクラスの性能を誇る。 ○ＶCE(sat)/ＶFを大幅に低減した為、 装置の効率アップに貢献できる。 ○スイッチング損失が小さく、かつ 低ノイズの為、高周波化が容易。 ◆ ご清聴ありがとうございました。