Vol.26 No.1 新タイプIGBTモジュール 低ノイズタイプ 「Ａ」シリーズの紹介 小宮 明＊ 田中 俊光＊ １．はじめに １． 「Ａシリーズ」の特徴 近年，地球規模での環境問題やエネルギーに対する関 ・低スイッチング損失 Low Esw 心が高まり，パワーデバイスの低損失化にかけられる期 ・新開発ソフトリカバリ特性のファストリカバリダイ 待はますます大きくなっています。さらに，スイッチン ， オード（FRD）の採用により低損失化（Low VF） グ速度は，ますます高速化されています。高速化につれ 低ノイズ化（Low Noiz）を実現 てノイズの問題に対する取り組みが求められています。 これらのニーズに応えるべく，弊社ではこのたび新シ ２．定格・特性値 表１に「Ａシリーズ」の定格・特性値を示します。 リーズのIGBTモジュールとして「Ａシリーズ」を開発 しました。 「Ａシリーズ」では，新世代のIGBTチップに よる低飽和電圧・低スイッチング損失を実現すると共 に，フリーホイーリングダイオードには新開発の低順電 圧ソフトリカバリーダイオードを採用し，発生するノイ ズを大幅に低減しました。 ここにその概要を紹介します。 定格・特性一覧表 「Ａシリーズ」最大定格 Circuit Scheme E Type C E G G2 E2 C2E1 E2 C1 E1 G1 + + G1 E1 Ｕ − G2 E2 G3 E3 Ｖ G4 E4 G5 E5 IGBT − toff 300 2.4 0.3 0.12 0.24 500 0.8 400 2.4 0.3 0.085 0.20 500 0.8 600 2.4 0.3 0.06 0.14 650 0.85 0.8 800 2.4 0.3 0.045 0.11 650 0.4 0.7 50 2.3 0.3 0.50 1.00 220 2.6 0.4 0.7 75 2.3 0.3 0.38 0.80 220 2.6 0.4 0.7 100 2.3 0.3 0.31 0.65 220 150 2.6 0.4 0.7 150 2.3 0.3 0.22 0.45 430 200 2.6 0.4 0.7 200 2.4 0.3 0.16 0.38 430 600 300 2.6 0.75 0.8 300 2.4 0.3 0.12 0.24 430 600 400 2.6 0.85 0.8 400 2.4 0.3 0.085 0.20 450 PTMB５０A６ 600 50 2.5 0.4 0.7 50 2.3 0.3 0.50 1.00 550 PTMB７５A６ 600 75 2.6 0.4 0.7 75 2.3 0.3 0.38 0.80 550 PTMB１００A６ 600 100 2.6 0.4 0.7 100 2.3 0.3 0.31 0.65 550 PTMB１５０A６ 600 150 2.6 0.4 0.7 150 2.3 0.3 0.22 0.45 550 PHMB３００A６ 600 300 2.6 0.75 0.8 PHMB４００A６ 600 400 2.6 0.85 PHMB６００A６ 600 600 2.6 0.85 PHMB８００A６ 600 800 2.6 PDMB５０A６ 600 50 2.5 PDMB７５A６ 600 75 PDMB１００A６ 600 100 PDMB１５０A６ 600 PDMB２００A６ 600 PDMB３００A６ PDMB４００A６ 表１ 「Ａ」シリーズの特性一覧 7 IGBT FWD Weight trr IC IF Rth(j-c) VF VCE(sat) ton VCES Ｗ G6 E6 FWD Vol.26 No.1 VGE=15V 400 ３．IGBTの特性 TC=25℃ １）出力特性 ゲート電圧をパラメータとした出力特性を図１に示し ます。定格電流における飽和電圧ＶCE （sat） は， 「Ｔシ リーズ」の2.6Vに対「Ａシリーズ」では2.1Vと特性改善 300 コレクタ電流IC（A） 的な特性を従来品「Ｔシリーズ」と比較し紹介します。 125℃ 350 400Ａ／600Ｖ定格のPDMB400A6型を例にとり，代表 250 200 150 100 が進みました。又，実使用領域（定格電流の60％）では 50 2.0Vが1.8Vと低くなり，従来のＴシリーズと比較して､ 0 0 約10％の低飽和電圧化＝低損失化を実現しました。 0.5 TC=25℃ 800 12V VGE=20V 700 1 1.5 2 コレクタ−エミッタ間電圧VCE（V） 2.5 図２（ａ）Ｔシリーズ 出力特性（Tc=25℃/125℃） 10V 15V VGE=15V 400 TC=25℃ 500 9V 125℃ 350 400 300 300 コレクタ電流IC（A） 8V 200 100 7V 0 0 2 4 6 コレクタ−エミッタ間電圧VCE（V） 8 10 VGE=20V 150 50 0 0 TC=25℃ 700 200 100 図１（ａ）Ｔシリーズ 出力特性（Tc＝25℃） 800 250 0.5 1 1.5 2 コレクタ−エミッタ間電圧VCE（V） 2.5 3 12V 図２（ｂ）Ａシリーズ 出力特性（Tc=25℃/125℃） 15V 10V 600 ３）ゲート特性 500 ゲートチャージの波形を図３に示します。ゲートチャ 400 ージは，ドライバ回路の電源電圧やキャリア周波数と共 9V 300 リーズ」では「Ｔシリーズ」の後継機種として従来の特 200 8V 100 性に近づけた設計を行いました。 400 7V 2 4 6 コレクタ−エミッタ間電圧VCE（V） 8 10 図１（ｂ）Ａシリーズ 出力特性（Tc＝25℃） ２）温度特性 高温時の飽和電圧を実使用領域（定格電流の60％）レ ベルで比較しますと，「Ｔシリーズ」では2.1Vに対し 「Ａシリーズ」では1.7Vと約20％の低損失化が可能とな りました。これらを図２（a） ， （b）に温度をパラメー タとした出力特性を示します。 コレクタ−エミッタ間電圧VCE（V） 0 0 にドライバ回路の電力損失に影響を与えますが， 「Ａシ 350 16 RL=0.75Ω TC=25℃ 14 300 12 250 10 8 200 VCE=300V 6 150 VCE=200V 100 4 VCE=100V 50 0 0 ゲート−エミッタ間電圧VGE（V） コレクタ電流IC（A） 600 コレクタ電流IC（A） 3 2 600 1200 0 1800 ゲート電荷Qg（nC） 図３（ａ）Ｔシリーズ ゲートチャージ特性 8 Vol.26 No.1 350 RL=0.75Ω TC=25℃ 16 この問題を解決するため，一般的にはターンオン時の 14 ゲート抵抗を大きくする等の手法が用いられますが，こ 300 12 250 10 8 200 VCE=300V 6 150 VCE=200V 4 100 VCE=100V 50 0 0 ゲート−エミッタ間電圧VGE（V） コレクタ−エミッタ間電圧VCE（V） 400 2 600 1200 0 1800 れはスイッチング損失の増大を招き，総合的な損失を増 やすこととなり，動作周波数の制約に繋がります。 「Ａシリーズ」ではこのターンオン時にノイズの発生 がほとんどなく，「Ｔシリーズ」で使用していました FRDと比べ低ノイズ化を実現しました。 また， ターンオフ動作ではテール部分の損失が小さく， スイッチング損失につきましても「Ｔシリーズ」と比較 して，大幅な改善を図っています。 ゲート電荷Qg（nC） 図３（ｂ）Ａシリーズ ゲートチャージ特性 ４）誘導負荷スイッチング特性 VCE 誘導負荷・ハーフブリッジ回路でのスイッチング波形 のターンオン波形を図４ （a） ， （b） に，ターンオフ波形 を図５ （a） ， （b） に示します。 条件 IC=４００A VCC=３００V RG=８． ２Ω Tj=１２５℃ IC： １００A/div VCE： ５０V/div t： ２００ns/div IC ターンオン時には対向アームに流れるフリーホイーリ GND ングダイオード（FWD）の逆回復電流が重畳され波高 Eoff 値の高い電流が流れます。この際に発生するノイズが周 辺機器や制御機器に対してコモンモードノイズとなって 図５（ａ）誘導負荷 Ｔシリーズ ターンオフ波形 誤動作を引き起こす原因にもなります。 IC 条件 IC=４００A VCC=３００V RG=８． ２Ω Tj=１２５℃ IC： １００A/div VCE： ５０V/div t： ２００ns/div VCE 条件 IC=４００A VCC=３００V RG=８． ２Ω Tj=１２５℃ IC： １００A/div VCE： ５０V/div t： ２００ns/div IC GND VCE GND Eoff Eon 図５（ｂ）誘導負荷 Ａシリーズ ターンオフ波形 図４（ａ）誘導負荷 Ｔシリーズ ターンオン波形 スイッチング損失はターンオン，ターンオフを繰り返 IC 条件 IC=４００A VCC=３００V RG=８． ２Ω Tj=１２５℃ IC： １００A/div VCE： ５０V/div t： ２００ns/div VCE GND すたびに発生する損失で，一般にスピードが速いほど損 失が小さく，高周波での駆動が可能となります。しかし， スイッチングスピードと飽和電圧はトレードオフの関係 にあり，両方を同時に改善することはできません。 「Ａ シリーズ」では従来の「Ｔシリーズ」と比べIGBTチッ プの微細加工を進め，セルサイズを約半分に縮小しまし た。このことによって，低飽和電圧を実現すると共に， Eon 高速動作を可能としました。 図６にコレクタ電流とスイッチング損失，図７に外部 図４（ｂ）誘導負荷 Ａシリーズ ターンオン波形 ゲート抵抗によるスイッチング損失の特性カーブを示し ます。 9 Vol.26 No.1 外部ゲート抵抗を同じ値にした場合， 「Ａシリーズ］ 100 は「Ｔシリーズ」よりも若干ターンオン時のスイッチン 50 形のようにターンオン時のノイズの発生がないため， 「Ｔシリーズ」よりも小さなゲート抵抗でドライブする ことが可能となり，総合的には損失を低減することがで きます。 スイッチング損失ESW（mJ） グ損失が大きくなりますが，先程のスイッチング動作波 TC=25℃ 30 10 ESW(on) 5 1 1 10 ゲート抵抗RG（Ω） ESW(off) 20 図７（ａ）Ｔシリーズ ゲート抵抗とスイッチング損失 15 100 10 ESW(on) 50 5 0 0 100 200 コレクタ電流IC（A） 300 400 図６ （ａ）Ｔシリーズ コレクタ電流−スイッチング損失 TC=25℃ 30 VCC=300V RG=1.6Ω 25 VGE=±15V スイッチング損失ESW（mJ） スイッチング損失ESW（mJ） ESW(off) 20 2 VCC=300V RG=2.7Ω 25 VGE=±15V スイッチング損失ESW（mJ） TC=25℃ VCC=300V IC=400A VGE=±15V TC=25℃ VCC=300V IC=400A VGE=±15V ESW(off) 20 10 5 ESW(on) 2 1 1 10 ゲート抵抗RG（Ω） ESW(off) 20 図７（ｂ）Ａシリーズ ゲート抵抗とスイッチング損失 15 ４．フリーホイーリングダイオードの特性 10 ESW(on) １）フリーホイーリングダイオードの順電圧特性 5 図８にフリーホイーリングダイオードの順電圧特性を 0 0 100 200 コレクタ電流IC（A） 300 400 図６ （ｂ）Ａシリーズ コレクタ電流−スイッチング損失 示します。 フリーホイーリングダイオードの損失もスイッチング 回路で発生する損失の大きな要因となります。 「Ａシリーズ」では新規開発のFRDを採用することに よって順電圧の増大を押さえ，従来の「Ｔシリーズ」 とほぼ同じ1.9Vを達成できました。 10 Vol.26 No.1 800 TC=25℃ 125℃ IF 700 順電流IF（A） 600 500 条件 IF=４００A Tj=２５℃ -di/dt=８００A/μs IF： １００A/div t： ２００ns/div 400 300 GND 200 100 0 0 1 2 3 図９（ａ）Ｔシリーズ ダイオード逆回復特性 4 順電圧VF（V） 図８（ａ）Ｔシリーズ ダイオードの順電圧特性 IF 800 TC=25℃ 700 125℃ 条件 IF=４００A Tj=２５℃ -di/dt=８００A/μs IF： １００A/div t： ２００ns/div 順電流IF（A） 600 500 GND 400 300 200 図９（ｂ）Ａシリーズ ダイオード逆回復特性 100 0 0 1 2 3 4 順電圧VF（V） 図８（ｂ）Ａシリーズ ダイオードの順電圧特性 ５．モーター負荷での損失比較 正弦波ＰＷＭインバータ回路を想定し，従来の「Ｔシ リーズ」と［Ａシリーズ］の各タイプを次の条件で，平 ２）フリーホイーリングダイオードの逆回復特性 図９にフリーホイーリングダイオードの逆回復時の波 形を示します。 「Ｔシリーズ」では逆回復時間が短いものの，逆回復 均電力損失を試算してみました。 試算条件（線形近似による簡易式を用いています） ・モーター容量：45kW ・出力電流の最大値：230A 時に大きな振動電圧を発生させています。これら，ノイ ・電源電圧：AC200V ズの発生要因をなくすため， 「Ａシリーズ」には新規に ・デュティー：50％ 開発しましたソフトリカバリFRDを採用しました。 ・ＰＷＭキャリア周波数：20kHz ここでも誘導負荷回路でのターンオン波形と同様に， ノイズの発生を抑制していることが判ります。 「Ａシリーズ」では「Ｔシリーズ」並に順電圧を低く 抑えたまま，逆回復時のソフト性を増しています。 ・出力正弦波の力率：0.8 損失の内容はIGBTチップの飽和電圧によって発生す る定常損失とスイッチング時に発生するスイッチング損 失とフリーホイーリングダイオードによって発生する損 失を合計したものです。尚，飽和電圧やスイッチング損 失など，全ての項目は125℃での値を用いています。 図10に20kHzでの平均電力損失試算のグラフをＴシリ ーズ，Ａシリーズを比較して示します。 図11にキャリア周波数による電力損失を， Ｔシリーズ， Ａシリーズを比較して示します。 11 Vol.26 No.1 45kW三相200V正弦波PWMインバータの平均電力損失試算 Vcc=300V, fc=20kHz, duty=50%, 力率：0.8, ICP=230A 250 ゲートの入力容量ＣiesやゲートチャージＱgが若干増大 するため，ゲートドライバーの負担が増えますので，設 計に当たられては配慮が必要となります。 平均電力損失（W） 200 以上，当社の新タイプIGBTモジュール「Ａシリーズ」 30 29 の概要を紹介しました。 「Ａシリーズ」では中容量から 150 ダイオード損失 104 スイッチング損失 88 定常損失 100 大容量まで多彩なラインナップを取りそろえ，用途にあ った最適なモジュールを選択できるよう準備していま す。 パワーデバイスには，常に低損失化・低ノイズ化の優 50 77 69 れた製品が求められています。当社では市場のニーズに 0 応えるべく，高性能・高信頼性の製品の開発に力をそそ 当社従来品との比較 図10 平均電力損失試算（20kHz） ぐ所存です。尚，ご意見・ご要望等がございましたら営 業窓口または弊社カスタマーサービスグループへご用命 願います。 IGBT モジュールの電力損失比較 45kW 三相 200V 正弦波インバータの試算結果 Vcc=300V, VGE=±15V, duty=50%, 力率：0.8, ICP=230A Tj=125℃ 2000 損失（W） 1000 500 200 実線：PDMB400T6 破線：PDMB400AH6 100 50 0.1 0.2 図11 0.5 1 2 5 10 周波数（kHz） 20 50 100 200 キャリア周波数−電力損失 高周波でスイッチング動作させた場合､発生する損失 はIGBTの飽和電圧やフリーホイーリングダイオードの IGBTモジュール Ａシリーズ外観 順電圧に起因する定常損失にとスイッチング損失の和と なります。 20kHzでの試算結果から「Ａシリーズ」では， 「Ｔシ リーズ」と比較して約13％の損失低減が可能となりまし た。 スイッチング損失につきましては，高周波になるほど 低電力化の効果が大きく現れてきます。 ６．まとめ ∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼ ＊ 筆者紹介 小宮 明 Akira Komiya 1973年入社 現在，生産本部 モジュール技術部 勤務 田中 俊光 Toshimitu Tanaka 1996年入社 現在，生産本部 モジュール技術部 勤務 「Ａシリーズ」は従来の「Ｔシリーズ」の後継機種と して開発いたしました。 「Ｔシリーズ」からの置き換え によって，次のような特徴を見いだすことが出来ます。 まず，定常損失やスイッチング損失が低減し，発生す る損失が小さくなり，装置の効率を上げられます。 次にスイッチングによるノイズの発生が無いため，小 さいゲート抵抗でドライブすることが可能となり，より 一層スイッチング損失を低減することが可能です。 反面， 12