富士電機技報　第88巻第4号（2015年12月）　

富士電機技報 第 88 巻 第 4 号（通巻第 888 号）
2015 年 12 月 30 日発行 ISSN 2187-1817
富士電機技報 第 88 巻 第 4 号（通巻第 888 号）
2015 年 12 月 30 日発行
富士電機技報
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
2015 Vol.88 No.4
本誌は再生紙を使用しています。
雑誌コード 07797-12 定価 756 円（本体 700 円）
2015
Vol.88 No.
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
4
2015
Vol.88 No.
4
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
低炭素社会の実現に向けて，エネルギー利用の高効率化が非常に重要
になっています。特に，電気エネルギーは，自動車，産業機械，社会イ
ンフラ，家電製品など多くの分野でなくてはならないものであり，電気
エネルギーの高効率利用を実現するパワーエレクトロニクスの進展には
大きな期待が寄せられています。富士電機では，パワーエレクトロニク
ス技術のキーデバイスであり，エネルギー変換効率が高く，低ノイズで
使いやすいパワー半導体を開発しています。
本特集では，富士電機のパワー半導体について，最新の技術および製
品を紹介します。
表紙写真（左上から右回り）
車載用第３世代直接水冷型パワーモジュール，All-SiC モ
ジュール，3,300 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
目 次
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
〔特集に寄せて〕出来そうもないこと，思いも寄らぬこと
233（ 3 ）
清水 敏久
〔現状と展望〕パワー半導体の現状と展望
234（ 4 ）
高橋 良和 ・ 藤平 龍彦 ・ 宝泉 徹
All-SiC モジュールのパッケージ技術
241（11）
仲村 秀世 ・ 西澤 龍男 ・ 梨子田 典弘
1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
245（15）
小根澤 巧 ・ 北村 祥司 ・ 磯 亜紀良
3,300 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール技術
249（19）
金子 悟史 ・ 金井 直之 ・ 辻 崇
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
254（24）
川畑 潤也 ・ 百瀬 文彦 ・ 小野澤 勇一
第 2 世代小容量 IPM
259（29）
荒木 龍 ・ 白川 徹 ・ 小川 裕貴
IPM 用 HVIC 技術
264（34）
上西 顕寛 ・ 赤羽 正志 ・ 山路 将晴
車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
269（39）
荒井 裕久 ・ 樋口 恵一 ・ 小山 貴裕
車載用第 3 世代パワーモジュールのパッケージ技術
274（44）
郷原 広道 ・ 玉井 雄大 ・ 山田 教文
車載用 RC-IGBT
279（49）
吉田 崇一 ・ 野口 晴司 ・ 向井 弘治
車載用燃料タンク圧検知相対圧センサ
283（53）
加藤 博文 ・ 芦野 仁泰 ・ 佐藤 栄亮
ピーク負荷対応 PWM 電源制御 IC「FA8B00 シリーズ」
287（57）
松本 晋治 ・ 山根 博樹 ・ 藪崎 純
第 2 世代 低損失 SJ-MOSFET「Super J MOS S2 シリーズ」
292（62）
渡邉 荘太 ・ 坂田 敏明 ・ 山下 千穂
高速ディスクリート IGBT「High-Speed W シリーズ」
296（66）
原 幸仁 ・ 内藤 達也 ・ 加藤 由晴
新製品紹介論文
アモルファスモルトラ「FM-AT14」
サーキットプロテクタ「CP30F シリーズ」
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
301（71）
303（73）
305（75）
略語・商標
308（78）
富士電機技報 vol.88 2015（平成 27 年）総目次
Power Semiconductors Contributing in Energy Management
2015
Vol.88 No.
4
Contents
[Preface] Challenges for Difficulty of Realization
and Unexpected Matter
233（ 3 ）
SHIMIZU, Toshihisa
Power Semiconductors: Current Status and Future Outlook
TAKAHASHI, Yoshikazu
FUJIHIRA, Tatsuhiko
All-SiC Module Packaging Technology
NAKAMURA, Hideyo
NISHIZAWA, Tatsuo
KITAMURA, Shoji
KANAI, Naoyuki
MOMOSE, Fumihiko
SHIRAKAWA, Toru
259（29）
KOGAWA, Hiroki
HVIC Technology for IPM
JONISHI, Akihiro
264（34）
AKAHANE, Masashi
YAMAJI, Masaharu
3rd-Generation Direct Liquid Cooling Power Module for
Automotive Applications
ARAI, Hirohisa
HIGUCHI, Keiichi
TAMAI, Yuta
NOGUCHI, Seiji
ASHINO, Kimihiro
YAMANE, Hiroki
SAKATA, Toshiaki
NAITO, Tatsuya
292（62）
YAMASHITA, Chiho
High-Speed Discrete IGBT “High-Speed W-Series”
HARA, Yukihito
287（57）
YABUZAKI, Jun
2nd-Generation Low-Loss SJ-MOSFET “Super J MOS S2 Series”
WATANABE, Sota
283（53）
SATO, Eisuke
PWM Power Supply Control IC “FA8B00 Series”
Capable of handling Peak loads
MATSUMOTO, Shinji
279（49）
MUKAI, Koji
Relative Pressure Sensor for Automobile Fuel Tanks
KATO, Hirofumi
274（44）
YAMADA, Takafumi
RC-IGBT for Automotive Applications
YOSHIDA, Soichi
269（39）
KOYAMA, Takahiro
Packaging Technology of 3rd-Generation Power Module for
Automotive Applications
GOHARA, Hiromichi
254（24）
ONOZAWA, Yuichi
2nd-Generation Small IPM
ARAKI, Ryu
249（19）
TSUJI, Takashi
7th-Generation “X Series” IGBT Module
KAWABATA, Junya
245（15）
ISO, Akira
3,300-V Withstand Voltage SiC Hybrid Module Technology
KANEKO, Satoshi
241（11）
NASHIDA, Norihiro
1,700-V Withstand Voltage SiC Hybrid Module
ONEZAWA, Takumi
234（ 4 ）
HOSEN, Toru
296（66）
KATO, Yoshiharu
New Products
Amorphous MOLTRA “FM-AT14”
Circuit Protector “CP30F Series”
7th-Generation “X Series” IGBT Module
301（71）
303（73）
305（75）
Abbreviations and Trademarks
308（78）
Volume Contents of FUJI ELECTRIC JOUNAL vol.88, 2015
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
特集に寄せて
出来そうもないこと，思いも寄らぬこと
Challenges for Difficulty of Realization and Unexpected Matter
清水 敏久
SHIMIZU, Toshihisa
首都大学東京 理工学研究科 電気電子工学専攻 教授
ôÙÜ建物Þ一体化ÍÜÍô¼gĜŜĘœsı建築j構
ŜŇÞº¼困難à課題解決Âh現在ä人類á課ÑÿĂܺ
造物ä寿命å 100 年以上ôÝ伸éÜåºāÂh定期補修å
āgĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ}ĺŘđŕ~åÉä課題解決
不可欠ݸāgĺŘđŕ装置ä寿命Ĉ無保守Ý 50 年以上
Ĉ支¾ā技術ÞÍÜÉĂôÝ以上á注目Ĉ集÷ܺāgÓ
áÝÃĂæh建築補修Þ併ÑÜ交換ÏĂæþºg大都市空
ä中Ý SiC ĺŘsİĹčĢä実用化åhĺŘđŕ分野á大
間Þ電気đĶŔėsä双方Ĉ有効á使ÙÕ新Õà営õ}É
ÃàčŜĺĘıĈ与¾āÉÞå疑¼余地åàºg
Þ~Â生ôĂāÁøÍĂàºg
HEVjEVhLED 照明h太陽光発電àßå注目ä的ݸ
āÂhĺŘđŕ技術Ĉ知ā人å少àºg小生Â以前á滞在
⑵ 電気飛行機
機体操舵}Ó¼Ö~ä電動化Â手始÷Þàāݸă¼Âh
ÍÕĹsġĴċ工科大学ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢĤŜĨs
推進力ä電動化áÚºÜø小型飛行機Ý数百ŇčŔ飛行Ý
ÝåhĺŘđŕå Enabling Technology}可能化技術j実
ÃāŕłŔôÝ達ÍܺāgĸčĿœĬIJ方式ú燃料電
現技術~Þ定義ÍܺÕgĺŘđŕä本質Ĉ見事á表現Í
池j新型蓄電池áþÙÜ航続距離å飛躍的á伸éāݸă
ܺāgĺŘđŕå目的Ĉ達成Ïā{手段|Þ言ÙÜøþ
¼gÓäÞÃå超長寿命á加¾Ü超軽量j超高信頼àčŜ
ºÁøÍĂàºgĺŘđŕ装置Þº¼{øä|áþÙÜh
ĹsĨÂ必要áàāg
価値¸ā{ÉÞ|ä実現á貢献ÏāÉÞݸāg
⑶ 非接触給電Ý高速道路Ĉ長距離走行Ïā電気自動車
小生Â学生時代ä 40 年前Ýå出来Ó¼øàÁÙÕÉÞ
ÉĂå韓国Ýå真剣á検討ËĂܺāþ¼Ý¸āg高速
ÂhĺŘđŕ技術áþÙÜ実現ÍܺāgčŜĹsĨ駆
道路上á大Ãà電源å設置ÝÃàºÁøÍĂàºÂhàÿ
動ä新幹線å旅行ú出張ä在Ā方Ĉ一変ËÑÕgHEV ú
æ長寿命j超小型čŜĹsĨÞĜčŔĈ路面内á埋÷込ĉ
EV åúÂÜ自動運転Þ相ôÙÜ移動手段á大変革Ĉø
ÝÍô¾æþºg地下áĚsĿŔĈ埋設ÏĂæ電磁ķčģ
ÕÿÏݸă¼g当時å変換効率 95 % Â精一杯ÖÙÕ絶
障害ä心配ø緩和ËĂāÍhISM}産業科学医療用~周波
縁形
DC-DC
ĜŜĹsĨøhSiC ĺŘsİĹčĢä登場á
þÙÜ 99 % á到達Íþ¼ÞÍܺāgĺŘđŕ装置ä可
数Ĉ使¼手ø¸āg
突拍子øàºÉÞæÁĀ言ÙÜåºÿĂàºÂhĺŘđ
能化äņįŜĠŌŔå飛躍的á向上ÏāÉÞå間違ºàºg
ŕ技術áþÙÜ出来Ó¼øàºÉÞÂ可能áàĂæhSiC
ÝåhĺŘđŕ技術Ý何Ĉ実現ÏāäÁ ? 現有製品ä性
ĺŘsİĹčĢĈ使ºÉàÍÕĺŘđŕ技術者ä面目躍如
能åø×ăĉ向上ÏāÖă¼ÂhÓĂåĺŘsİĹčĢ技
ݸāg
術ä恩恵ݸÙÜĺŘđŕ技術ä貢献Þå言º難ºg
一方Ýh原発事故Ý経験ÍÕþ¼áh現代ä科学技術Ý
ĺŘsİĹčĢä発達á伴ÙÜĺŘđŕ装置ä性能å格
ø思ºø寄ÿâ事故Â発生Íܺāg新ͺÉÞîä期待
段á向上ÍÕÂhÓÉáå回路ıņŖġsh受動部品h制
ÞÞøáh思ºø寄ÿâ{ÉÞ|áø真正面Áÿ向Ã合¼
御装置àßä技術革新Â欠ÁÑàÁÙÕgSiC ĺŘsİĹ
度量Â欠ÁÑàºgąĂąĂä研究ęŔsŀÝåhĺŘđ
čĢä時代áÀºÜh果ÕÍÜÉĂôÝä手法Â通用Ïā
ŕ機器Þ情報通信機器Â融合ÍÕ大規模統合ĠĢįʼnä
äÁg熱解析ú信頼性åøÞþĀh材料物性ä限界値àß
EMI}電磁障害~œĢĘä研究Ĉ進÷ܺāgĺŘđŕ装
ø見据¾Ü真剣á取Ā組ôãæ折角äĺŘsİĹčĢĈ生
置ä電磁ķčģÂ通信機器ä動作障害Ĉ引Ã起ÉÑæh大
ÁÏäå難ͺÁøÍĂàºg
規模ĠĢįʼnå致命的à大事故ÞàāgĺŘđŕå今後ô
出来Ó¼øàº{ÉÞ|á挑戦ÏāäÂĺŘđŕ技術j
産業ä醍醐味}ÖºÊõ~ÝåàºÖă¼Ág無責任à思
º付ÃÝå¸āÂh出来Ó¼øàºÉÞä例Ĉ示Ó¼g
⑴ 電気室äàº建築物
ÏôÏ社会ĠĢįʼnú市民生活ä中Ý不可欠à技術á発展
ÏāÉÞå間違ºàºÂhÓĂÖÇá社会的責任ø大úg
SiC ĺŘsİĹčĢä出現åh出来Ó¼øàºÉÞî
ä挑戦ä絶好ä機会ݸāg同時áh思ºø寄ÿâÉÞ
大切à居住空間Ĉ削ÙÜÍô¼電気設備室å邪魔物ݸ
îä洞察力ø試ËĂܺāg50 年後ä社会ݹùĂä
āgàÿæh超小型j長寿命ä半導体変圧器ú半導体遮断
Enabling Technology Â合格点Ĉøÿ¾āÉÞĈ期待ÍÕ
器Ĉ作ÙÜ構造物ä柱j床下j壁ä空間á埋÷込ĉÝÍ
ºg楽ÍõÝø¸Āh不安Ýø¸āg
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
233（3）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
đĶŔės安定供給h地球環境保全h経済成長äıœŕ
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
パワー半導体の現状と展望
Power Semiconductors: Current Status and Future Outlook
高橋 良和 TAKAHASHI, Yoshikazu
藤平 龍彦 FUJIHIRA, Tatsuhiko
宝泉 徹
パワーモジュール
富士電機åh創業以来 90 年áąÕĀ磨Ã上ÈÜÃ
図
Õ電気j熱đĶŔės技術ÞhÓĂĈ駆使ÍÕøäÚ
áhĺŘsŋġŎsŔ製品ä応用例Ĉ示Ïg大
} ＊ 4~
容 量 市 場 向 Ç á åhSiC-SBD}Schottky Barrier
}＊ 5~
}＊ 6~
ÅĀ力Ýh地球規模ä重要àįsŇä一ÚݸāđĶ
Diode~Þ SiC-MOSFET Ĉ搭載ÍÕ All-SiC ŋġŎs
Ŕės課題ä解決á取Ā組ĉÝÃܺāg
ŔĈ開発ÍÕgôÕhSiC-SBD Þ Si-IGBT}Insulated
近年hôÏôÏ深刻ÞàÙܺā地球温暖化Ĉ防止
}＊ 7~
Gate Bipolar Transistor~ÞĈ組õ合ąÑÕ 1,700 V 耐
Íh地球環境Þä調和Ĉ図ĀÚÚh安全j安心Ý持続
可能à社会Ĉ実現Ïā必要¸āgÓäÕ÷h太陽光
発電àßä再生可能đĶŔėsä普及ÞhđĶŔės
ä効率的à利用Ĉ支¾āĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ}ĺ
Řđŕ~技術á対Ïā世ä中ä期待å非常á大úg
電 流
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
まえがき
HOSEN, Toru
大容量市場
SiC ハイブリッドモジュール
（1,700V，3,300V）
，All-SiC モジュール
ハイブリッド車用
RC-IGBT チップ
中容量市場
HEV・EV
電気鉄道
風力発電
Éäþ¼à期待ä中h富士電機Ýåh省đĶŔės
}省đĶ~Ý地球環境áúËͺĺŘs半導体製品Ĉ
開発Íh製品化ÍܺāgĺŘs半導体åhđĶŔ
第 2 世代小容量 IPM
太陽光発電
家電製品
インバータ
ėsÞ環境分野ĈåÎ÷ÞÍÕ自動車h産業機械h鉄
道車両Àþé家電製品áÀºÜĺŘđŕ技術äĖsİ
ĹčĢÞÍÜ世ä中á貢献Íܺāg
}＊ 1~
ロボット
データ
サーバ
産業用第 7 世代
IGBT モジュール
UPS
車載用 RC-IGBT
小容量市場
}＊ 2~
本稿ÝåhĺŘsŋġŎsŔ hĺŘs IC hĺŘs
電 圧
}＊ 3~
İČĢĘœsı Ĉ中心áhĺŘs半導体ä最新ä技術
Àþé製品ä現状Þ展望áÚºÜ述ïāg
（＊ 1）パワーモジュール
図 1 パワーモジュール製品の応用例
TO-3P à߸āg小容量Ĩčŀä PC 電源h無停
（＊ 6）SiC
ĩčēsIJúıŒŜġĢĨÞºÙÕ複数äĺŘs素
電電源装置h液晶İČĢŀŕčh小型ŋsĨä制御回
Ǻ素}Si~Þ炭素}C~ä化合物ݸāg3Ch4Hh
子Ĉ一ÚäĺĬĚsġá搭載ÍÕøäݸāg一Ú
路àßá使ąĂܺāg
6H àß多Åä結晶ä構造多形Â存在Íh構造áþÙ
äŋġŎsŔä中ä素子}通常å IGBT＋逆並列接続
FWD~ä数á応ÎÜh1 in 1h2 in1 h6 in1 àßÞ呼æ
Ü 2.2v3.3 eV äĹŜIJėŌĬŀĈ持ÚŘčIJėŌĬ
（＊ 4）SBD
ĂāgĺŘs素子Ĉ制御Ïā駆動回路ø搭載ÍÕøä
Schottky Barrier Diode ä略ݸāg金属Þ半導体Þ
åhčŜįœġĐŜıĺŘsŋġŎsŔ}IPM~Þ呼
ä接合áþÙÜ生ÎāĠŐĬıĖs障壁Ĉ利用ÍÕ整
æĂāg
流作用Ĉ持ÚĩčēsIJݸāgÓä優ĂÕ電気特性
ŀ半導体ÞÍÜ知ÿĂāg絶縁破壊電圧ú熱伝導率Â
高ºàßĺŘsİĹčĢÞÍÜ有利à物性Ĉ持ÚÕ
÷h高耐圧j低損失j高温動作İĹčĢÂ実現ÝÃā
ÞÍÜ実用化Â進÷ÿĂܺāg
áþĀhSiC-SBD ä FWD îä適用検討Â始ôÙÜ
（＊ 2）パワー IC
ºāg少数ĖŌœċø利用Ïā PiN}P-intrinsic-N~ （＊
7）IGBT
ĺŘs素子Þ制御j保護回路Ĉ一Úä半導体ĪĬŀ上
ĩčēsIJÞ比較ÍÜh多数ĖŌœċäõÝ動作Ïā
Insulated Gate Bipolar Transistor ä略ݸāgěs
á集積ÍÕ高耐圧 IC ݸāgĺŘsđŕĘıŖĴĘ
SBD å逆回復ĢĽsIJÂ速Åh逆回復損失ø小˺g
ı部å MOSFET Þ同Î構造Ýh酸化物絶縁膜Ý絶
Ģ機器ä小型化ú低消費電力化Â可能ÞàĀh産業h
車載h
民生ä各用途á応ÎÜ数十 V ĘŒĢÁÿ 1,200 V
ĘŒĢôÝäøäÂ製品化ËĂܺāg
縁ËĂÕěsı部Ĉ持Ú電圧制御型İĹčĢݸāg
（＊ 5）MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
（＊ 3）パワーディスクリート
ĺŘs素子ä IGBT ú MOSFET Ĉ 1 素子hôÕåÓ
Ăá逆並列áĩčēsIJÂ挿入ËĂÕ 1 in 1 Þ呼æĂ
ā回路Áÿ構成ËĂāĺŘs半導体ݸāg形状åh
汎用的áĽŜŕčċďıÂ決ôÙÜÀĀhTO-220 ú
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
234（4）
ä略ݸāg電界効果ıŒŜġĢĨä一ÚݸĀh酸
化物絶縁膜Ý絶縁ËĂÕěsı部Ĉ持Ú電圧制御型İ
ĹčĢݸāgLSI Ýå最ø一般的à構造ݸāgŏ
ĴņsŒ動作ݸāÕ÷高速動作Â可能ݸāÂh耐
圧á応ÎÜēŜ抵抗ø上昇ÏāÕ÷低耐圧j高周波İ
ĹčĢÞÍÜ用ºÿĂāg
MOSFET ÞĹčņsŒıŒŜġĢĨä長所Ĉ生ÁÍ
ÕøäݸāgĹčņsŒ動作ݸāÕ÷伝導度変調
Ĉ用ºāÉÞÂÝÃāäÝhčŜĹsĨîä応用á十
分àĢčĬĪŜę速度Þ高耐圧j低ēŜ抵抗Ĉ両立Ý
Ãāg
パワー半導体の現状と展望
現状と展望
圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔĈ開発Íh製品化ÍÕg
øáhĪĬŀ接合部äèÐõĈ緩和ÍÜ信頼性Ĉ大Ã
Ëÿáh3,300 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔĈ
Å向上ËÑܺā}241 Ńsġ{All-SiC ŋġŎsŔ
開発Íh駆動用主変換装置}čŜĹsĨhĜŜĹsĨ~
äĺĬĚsġ技術|参照~
g
á搭載ÍÜ新幹線áÜ走行試験Ĉ実施中ݸāg中
容量市場Ýåh産業用第 7 世代 IGBT ŋġŎsŔh車
2 . 2 1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
} ＊ 8~
RC-IGBT}Reverse-Conducting
IGBTk 逆 導
富士電機ÝåhÉĂôÝá 600 Vh1,200 Vh1,700 V
通 IGBT~ ŋ ġ Ŏ s Ŕ Ĉ 開 発 Íh 実 用 化 Í Õg 小 容
耐 圧 ä SiC-SBD ä 開 発 Ĉ 完 了 Í Ü À Āh É Ă ÿ ä
載 用
}＊ 9~
量分野Ýåh第 2 世代小容量 IPM}Intelligent Power
SiC-SBD Þ Si-IGBT ÞĈ組õ合ąÑÜ搭載ÍÕ SiC
Module~Ĉ開発Íh製品化ÍÕg
ĸčĿœĬIJŋġŎsŔĈ製品化Íܺāg今回h系
ôÕh車載向Çä直接水冷äÕ÷äĺĬĚsġ技術
áø取Ā組ĉݺāg
列ä拡大Ĉ図āÕ÷h電気鉄道市場á向ÇÕ高信頼性
SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔĈ開発Íh製品化ÍÕg
1,700 V/1,200 A}2 in 1~定格ä SiC ĸčĿœĬIJŋ
近年h急速á普及Íܺā太陽光発電áÀºÜh発
ġŎsŔåh高信頼性Ĉ確保ÏāÕ÷hłsĢ材料á
AlSiC}ċŔňĴďʼnÞ炭化Ǻ素ä複合材料~
h絶縁
電ÍÕ電力ĈþĀ効率的á供給ÏāÕ÷h富士電機Ý
基板材料á高熱伝導率ä AlN}窒化ċŔňĴďʼn~Ĉ
åhAll-SiC ŋġŎsŔĈ搭載ÍÕŊĕĦsŒs用ĺ
適用ÍÕ高信頼性ĺĬĚsġĈ採用ÍܺāgôÕh
ŘsĜŜİČĠŐij}PCS~ä量産Ĉ 2014 年度á開
á PCS ä外観Þ内蔵ÏāĺŘsŏĴĬıh
始ÍÕg図
電気鉄道市場ÝåhĖŌœċ周波数Â約 0.5 kHz 以下
Þº¼低ºĢčĬĪŜę周波数áÀÇā運転Â多ºÉ
Àþé All-SiC ŋġŎsŔä外観Ĉ示ÏgAll-SiC ŋ
ÞÁÿh定常損失Â支配的ÞàāgÉä SiC ĸčĿ
ġŎsŔĈ搭載ÏāÉÞÝ効率 98.8 % Ĉ実現ÍhËÿ
œĬIJŋġŎsŔÝåhĖŌœċ周波数 0.3 kHz ä
⑴
á装置ä小型j軽量化ø図ÙܺāgÉäŋġŎsŔ
ÞÃhĜŕĘĨ−đňĬĨ飽和電圧 V CE}sat~ Â低º仕
åh従来ä
ŋġŎsŔÞ異àĀh銅ĽŜÞ
様ÝåhĨsŜēľ損失 E off å増大Ïāøääh発生
ĺŘs基板Ĉ用ºÕ三次元配線úh厚銅板Þ高熱伝導
損失å Si ŋġŎsŔá対ÍÜ 11 %h標準仕様á対Í
ĤŒňĬĘĢ基板}Si3N4~Ĉ接合ÍÕĤŒňĬĘĢ絶
Ü 6 % 低減Ïā}245 Ńsġ{1,700 V 耐圧 SiC ĸčĿ
縁基板ä採用áþĀh小型h低čŜĩĘĨŜĢh低熱
œĬIJŋġŎsŔ|参照~
g
Si-IGBT
抵抗化Ĉ図ÙܺāgôÕhÉĂÿĈđņĖĠ樹脂Ý
封止ÏāÉÞáþÙÜh電気的絶縁性Ĉ確保ÏāÞÞ
2 . 3 3,300 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
富士電機Ýåh1,700 V Ĉ超¾ā高耐圧化要求á応
¾āÕ÷h3,300 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔ
Ĉ開発ÍÕg
図
áh3,300 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔä
外観j内部回路ÀþéľĬıŀœŜıĞčģä比較Ĉ
}＊ 10~
示ÏgFWD}Free Wheeling Diode~áåh共同研究
体 ÚÅæĺŘsđŕĘıŖĴĘĢĜŜĢįŕsĠŐ
Ŝ}TPEC~Þ共同Ý開発ÍÕ SiC-SBD Ĉ適用ÏāÉ
ÞÝh現行ä Si-IGBT ŋġŎsŔþĀø発生損失Ĉ
PCS
パワーユニット
（a）メガソーラー用 PCS と
内蔵パワーユニット
（b）All-SiC モジュール
大幅á低減ËÑÕg2. 4 節Ý述ïā第 7 世代‡ⅩĠœs
ģˆIGBT ŋġŎsŔäÕ÷á開発ÍÕ Sn-Sb 系åĉ
ÖĈĪĬŀ下äåĉÖá適用ÏāÉÞÝh高信頼性Ĉ
図 2 メガソーラー用 PCS と All-SiC モジュール
（＊ 8）RC-IGBT
確保Íh連続動作温度Ĉ Si-IGBT ŋġŎsŔä 125 ℃
（＊ 9）IPM
（＊ 10）FWD
Reverse-Conducting} 逆 導 通 ~IGBT ä 略 Ý ¸ āg Intelligent Power Module ä略ݸāgĺŘs半導体
Free Wheeling Diode ä 略 Ý ¸ āg 還 流 ĩ č ē s IJ
ŋġŎsŔáÀºÜ対Ý使ąĂā IGBT Þ FWD Ĉ 1
Þøº¼gčŜĹsĨàßä電力変換回路áÀºÜh
素子á加¾h駆動回路h保護回路Ĉ内蔵ÍÕĺŘsŋ
ĪĬŀ化ÍÕ素子ݸāgIGBT 部Þ FWD 部Â交互
ġŎsŔݸāg回路設計ä負担Ĉ軽減ÝÃā上h専
IGBT Þ並列á接続ËĂhIGBT ĈēľÍÕ際áčŜĩ
á動作ÏāäÝ放熱性á優ĂhŋġŎsŔ内äĪĬŀ
用ä駆動回路Ĉ用ºāÉÞÝ半導体素子ä性能Ĉ最大
ĘĨŜĢá蓄¾ÿĂÕđĶŔėsĈ電源側î還流ËÑ
数Ĉ削減ÝÃāÕ÷hIGBT ŋġŎsŔä小型化Þĺ
限á引Ã出ÏÉÞÂÝÃāg
ā役割Ĉ担¼İĹčĢݸāgSi ä FWD ÝåhPiN
Řs密度向上áÚàÂāg
ĩčēsIJÂ主流ݸāg少数ĖŌœċø用ºÕĹč
ņsŒĨčŀݸāÕ÷h順方向電流通流時ä電圧降
下Ĉ小ËÅÝÃāÂh
Óä分h
逆回復損失Â大ÃÅàāg
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
235（5）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
2 . 1 All-SiC モジュールのパッケージ技術
現状と展望
パワー半導体の現状と展望
200
SiC-SBD
C
IGBT接合温度（℃）
C
V シリーズ EP3（75 A）
C
G
E
E
E
175
X シリーズ
jop
X シリーズ EP2
（75 A）
V シリーズ
150
jop
125
（a）外観・内部回路
約 35% 増加
3,300 V 耐圧 1,200 A 定格 1 in 1 モジュール
100
35
単位：mm
140
DC=600 V
=50 Hz
=8
kHz
c
cosφ=0.9
変調率 =1.0
a=40 ℃
逆回復d /d =10 kV/µs
o
45
55
65
75
インバータ出力電流（A）
85
図 4 インバータ出力電流と IGBT 接合温度の関係
130
190
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
140
約 30 ％
低減
力変換装置Â小型áàĀh今後ä電力変換装置äËÿ
àā普及Þ高効率化áþÙÜ世界的àđĶŔės問題
現行品（Si-IGBT モジュール）
ä解決áø大ºá貢献ÝÃā}254 Ńsġ{第 7 世代
開発品（SiC ハイブリッド
モジュール）
‡X ĠœsģˆIGBT ŋġŎsŔ|参照~
g
（b）フットプリントサイズ比較
2 . 5 第 2 世代小容量 IPM
図 3 3,300 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュールの概要
ŋsĨIJŒčĿĠĢįʼnä構築á必要àĺŘsİĹ
Áÿ 150 ℃á向上ËÑÕgÉĂÿ発生損失ä低減Àþ
čĢú制御 IC àßĈ一ÚäĺĬĚsġá集積ÍÕ小
é連続動作温度ä向上áþÙÜ高ĺŘs密度化Ĉ実現
容量 IPM Ĉ開発Íh製品化ÍÜÃÕ g小容量 IPM á
⒝ á示ÏÞÀĀh現行品Þ比較ÍÜŋġŎs
åh三相čŜĹsĨĿœĬġ回路h制御回路j保護回
Íh図
⑷⑸
ŔäľĬıŀœŜıĞčģĈ約 30 % 低減ÍÕ}249
路Ĉ内蔵Íܺāg 図
Ńsġ{3,300 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔ技
構成Ĉ示Ïg
術|参照~
g
á製品ä外観Ĉh 図
á回路
今回hËÿàā省đĶĈ図āÕ÷第 2 世代小容量
IPM Ĉ開発ÍÕg第 2 世代小容量 IPM å第 1 世代Þ
同一ä外形ĞčģhĽŜ配置ä互換ĺĬĚsġ構造
2 . 4 第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
富士電機ÝåhIGBT ŋġŎsŔäËÿàā小型化h
低損失化h高信頼性化Ĉ実現ÏāÕ÷áh新ÕàĪĬ
ÞÍܺāgŒčŜċĬŀå 600 V/10 v 30 A ݸĀh
đċĜŜä入力電力 1.5 kVA äĜŜŀŕĬĞ用Þh0.1
ŀ技術ÀþéĺĬĚsġ技術Ĉ開発ÍhÉĂĈ適用Í
v 0.2 kW 出力ä小容量ä産業用čŜĹsĨúĞsŅ
Ü第 7 世代‡X ĠœsģˆIGBT ŋġŎsŔĈ開発Í
向Çá新Õá 10 A 定格Ĉ加¾h系列拡充Ĉ行Ùܺāg
Õg本ŋġŎsŔÝåhĪĬŀ特性ÞĺĬĚsġä長
第 2 世代小容量 IPM ä特徴å次äÞÀĀݸāg
期信頼性Ĉ向上ÏāÉÞáþĀhĪĬŀ接合温度 T j
⒜ 省đĶ性能Â向上Ïā低損失特性
 175 ℃Ýä連続動作Ĉ実現ÍÕg
⒝ čŜĹsĨä設計自由度向上Þ動作領域ä拡大
ĪĬŀä小型化hÏàą×ĺŘs密度ä上昇á対Í
⒞ 熱抵抗ä低減
ÜåhĪĬŀ接合温度ä上昇ÞÉĂáþā信頼性ä低
⑶
下Â課題Þàāg新Õá開発ÍÕ薄型ä AlN 絶縁基板
áþĀ放熱性Ĉ向上ËÑāÞÞøáh高強度åĉÖä
採用ÞŘčōŅŜİČŜę設計ä最適化áþĀhΔT j
ĺŘsĞčĘŔ耐量ø向上ËÑÕg
Ëÿáh従来þĀø耐熱性Ĉ向上ËÑÕĠœĜs
ŜěŔĈ採用ÏāÉÞáþĀhX Ġœsģ IGBT ŋ
ġŎsŔÝå連続 175 ℃動作Â可能ÞàÙÕgôÕh
放熱性ø改善ÍÕÉÞáþĀh同Î定格電流ä第 6 世
代‡V Ġœsģˆä製品Þ比ïÜh約 35 % ä出力電
流ä増加Â可能áàÙÕ} 図
~
g従来製品Áÿ X Ġ
œsģ IGBT ŋġŎsŔá置Ã換¾āÉÞáþÙÜ電
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
236（6）
図 5 第 2 世代小容量 IPM
パワー半導体の現状と展望
現状と展望
⒜ 高放熱冷却器ä設計技術
3×BSD
NC
⒝ 超音波接合ä設計技術
P
⒞ 175 ℃連続動作保証技術
ÉĂĈ実現ÏāÕ÷h冷媒ä流ĂÞ熱広ÂĀĈ再現
HVIC
U
Ïā高精度à熱流体ĠňŎŕsĠŐŜ技術hàÿéá
HVIC
V
実機破壊ŋsIJá合ąÑÕįĢıĽsĢáþā寿命予
HVIC
測技術áþĀh高精度à製品設計技術Ĉ構築ÍÕgÉ
W
ä設計技術Ĉ駆使ÍÜh要素技術ä向上ú製品開発期
N（U）
6×IGBT
LVIC
6×FWD
間ä短縮Ĉ進÷h早期ä技術展開Ĉ実施Íܺā}274
N（V）
Ńsġ{車載用第 3 世代ĺŘsŋġŎsŔäĺĬĚs
N（W）
ġ技術|参照~
g
2 . 7 車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
富士電機ÝåhĸčĿœĬIJ自動車}HEV~ú電気
通 年 đ Ķ Ŕ ė s 消 費 効 率}APFkAnnual Perfor-
自動車}EV~á搭載ËĂāčŜĹsĨä小型化ú高
mance Factor~á対Ïā省đĶ性能ÞÍÜ特á要求Ë
効率化á貢献ÏāÕ÷áh車両内部ä限ÿĂÕĢŃs
Ăā中間負荷領域áÀºÜh10 % 以上ä損失Ĉ低減Í
Ģá搭載可能Ýh高電力ÁÚ低損失à車載用第 3 世代
ܺāgôÕh動作保証温度ä拡大Þ熱抵抗ä低減á
標準ŋġŎsŔĈ開発ÍÕ g
þĀh許容電流Þ適用容量Ĉ拡大ÍhĠĢįʼnä設計
⑹
図
áh車載用第 3 世代直接水冷型ĺŘsŋġŎs
自由度Â向上Ïā製品ÞàÙܺā}259 Ńsġ{第
Ŕä外観Ĉ示Ïg開発ÍÕ製品åhĔĹs一体型äċ
2 世代小容量 IPM|参照~
g
ŔňĴďʼn製ä冷却ŏĴĬıĈ採用ÏāÉÞÝ高º冷
却性能Ĉ実現Íh従来構造á比ïÜ熱抵抗Ĉ 30 % 低
2 . 6 車載用第 3 世代パワーモジュールのパッケージ
技術
減ÍÕgôÕh新åĉÖĈ開発ÍÜ信頼性Ĉ向上ËÑh
175 ℃動作Â可能ÞàÙÕgËÿáh同製品á適用Í
車載用ĺŘsŋġŎsŔáå大幅à電力密度ä向上
Õ RC-IGBT ĪĬŀåh第 7 世代ĪĬŀ技術Ĉ使用Ï
Â求÷ÿĂh富士電機Ýåh車載用ċŔňĴďʼn直
ā É Þ Ý 損 失 ä 低 減 Ĉ 図 Ù ÕgRC-IGBT åhIGBT
接水冷型ĺŘsŋġŎsŔĈ開発Íh製品化Íܺ
Þ FWD Ĉ一ÚäĪĬŀá収÷Õøäݸāg従来ä
āgôÕh第 1 世代}2012 年~ä製品á対Íh第 2 世
IGBT ĪĬŀÞ FWD ĪĬŀĈ組õ合ąÑÕ場合ä合
代}2015 年~
h第 3 世代}2018 年~Þ世代ÊÞá電力
計äĪĬŀ面積á比ïÜ 30% 削減ÍhčŜĹsĨ動
密度Ĉ 20 % 以上向上Ïā技術開発Ĉ行Ùܺāg図
作時ä電力損失å 20 % 以上低減ÍÕg
á直接水冷構造Ĉ示Ïg今回h第 3 世代ä直接水冷型
ĺŘsŋġŎsŔÝå IGBT Þ FWD Ĉ統合ÍÕ
高放熱性能Ĉ実現ÍÕ冷却ĠĢįʼnä使用ĈåÎ÷h
RC-
動作温度Ĉ 175 ℃áÍhRC-IGBT Ĉ搭載ÏāÉÞá
IGBT ĪĬŀĈ採用ÏāÉÞÝh第 2 世代þĀ 30 % ä
þĀh従来品á対ÍÜ電力容量当ÕĀä体積Ĉ 40 %
大幅àľĬıŀœŜıä削減Ĉ行ÙÜÀĀh冷却構造
削減ÍÕ第 3 世代標準ŋġŎsŔĈ実現ÍÕ}269 Ńs
ä最適化áþÙÜ薄型化Ĉ実現Íܺāg
ġ{車載用第 3 世代直接水冷型ĺŘsŋġŎsŔ|参
軽量àċŔňĴďʼn冷却器Ĉ用ºÕ放熱性能ä向上
照~
g
Þ高密度配線技術ä技術展開á向ÇÜhĠňŎŕs
ĠŐŜÞ信頼性予測技術Ĉ用ºÜ次ä設計技術Ĉ構築
ÍÕg
2 . 8 車載用 RC-IGBT
富士電機åhŇčŔIJĸčĿœĬIJ車用 RC-IGBT
冷媒出口
ヒートシンク
フランジ
チップ
絶縁基板
ウォータージャケット
図 7 直接水冷構造図
冷媒入口
（a）表 面
（b）裏 面
図 8 車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
237（7）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
図 6 内部等価回路の構成
パワー半導体の現状と展望
現状と展望
1.2
HVIC
VS+15 V
1.0
レベルシフト
回路
ローサイド
回路
VCC
0.8
レベル
アップ
off
マイコン
発生損失（a.u.）
rr
on
0.6
0.4
f
IN
AE
DC
400 V
ハイサイド回路
入力・制御
レベル
ダウン
異常通知
信号出力
ゲート駆動
VB
HO
上アーム
IGBT
VS+5 V
OC
過熱・過電流
検出保護
OH
VS
GND
下アーム
IGBT
0.2
VCC/GND…ローサイド回路電源端子，VB/VS…ハイサイド回路電源端子
sat
0
IN…ゲート制御信号入力端子，HO…ゲート駆動出力端子
改良型 RC-IGBT
従来型 RC-IGBT
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
図 9 車載用 RC-IGBT のインバータ動作時の発生損失
OC/OH…過熱・過電流検出端子，AE…異常通知信号出力端子
図 1 0 1,200 V 耐圧保証 HVIC 回路および周辺回路ブロッ
ク図
}従来型 RC-IGBT~Ĉ改良ÍhþĀ低損失化ÍÕ車載
用 RC-IGBT}改良型 RC-IGBT~Ĉ開発ÍÕgľŔĸ
技術Ĉ確立ÍÕg 図
áh1,200 V 耐圧保証 HVIC 回
čĿœĬIJúŇčŔIJĸčĿœĬIJàßŋsĨä各駆
路Àþé周辺回路äĿŖĬĘ図Ĉ示Ïg上ċsʼn側á
動方法á対応ÏāÉÞÂÝÃāgHEV äčŜĹsĨ
過熱j過電流保護技術Ĉ導入ÏāÉÞþĀ素子保護機
á示Ïþ¼á定
能Ĉ実現ÍÕgôÕh新規ä省面積耐圧構造Þ高ķč
常損失}P sathP f~ä低減Â必須ݸāg車載用 RC-
ģ耐量ŕłŔĠľı回路技術ä導入áþĀh20 % ä
IGBT Ýåh表面構造ä微細化hľČsŔIJĢıĬŀ
省面積化Þ高信頼性化Ĉ図ÙÕ}264 Ńsġ{IPM 用
動作時Ĉ想定ÍÕ発生損失Ýåh図
}FS~構造ä最適化hŒčľĨčʼn制御方法ä確立à
HVIC 技術|参照~
g
ßÝh低ēŜ電圧化h低定常損失化h低ĢčĬĪŜę
損失化Ĉ実現ÍhčŜĹsĨ動作時ä発生損失Ĉ約
g
20 % 低減ÍÕ}279 Ńsġ{車載用 RC-IGBT|参照~
3 . 2 ピ ー ク 負 荷 対 応 PWM 電 源 制 御 IC「FA8B00
シリーズ」
富士電機Ýåh以前Áÿ高効率h低待機電力h低ķ
パワー IC・パワーディスクリートおよび車
čģĔŕŜıŋsIJ電源制御 IC Ĉ多数製品化Íܺ
āgķsı PC účŜĘġĐĬıŀœŜĨ分野áÀº
載用センサ
Üh新 CPU úŋsĨä駆動負荷àß最大出力電力ä
ĺŘs ICjĺŘsİČĢĘœsı分野áÀºÜåh
}＊ 11~
h
ĽsĘ負荷対応 PWM電源制御 IC‡FA8B00 Ġœsģˆ
増大á対応ÏāÕ÷á PWM 電源制御 IC‡FA8B00 Ġ
œsģˆĈ新規á開発ÍÕgÓä特徴ÞÍÜåh高º
J MOS S2 Ġ
ĢčĬĪŜę周波数á対応ÏāÉÞáþā 3 段電力出
œsģˆ
h高速İČĢĘœsı IGBT‡High-Speed W
力hŒčŜ電圧変動á強º過電流保護ä高精度化úĢ
Ġœsģˆä製品化hÀþéčŜįœġĐŜıĺŘs
čĬĪŜę周波数ġĬĨ拡大áþā EMI ķčģ低減
ŋġŎsŔ用 HVIC 技術ä開発Ĉ行ÙÕg
効果ä強化à߸āgÓä結果hĽsĘ負荷対応Ĉ
第 2 世代低損失
SJ-MOSFET‡Super
ôÕh自動車ä環境負荷低減äÕ÷á車載用燃料Ĩ
ŜĘ圧検知相対圧ĤŜĞĈ製品化ÍÕg
可能áÍÕñÁh電源平均効率 0.2 v 0.3 % 向上Ý
ÃÕ}287 Ńsġ{ĽsĘ負荷対応 PWM 電源制御 IC
‡FA8B00 Ġœsģˆ
|参照~
g
3 . 1 IPM 用 HVIC 技術
IPM åhĠĢįʼnáÀÇā部品点数ä削減ú小型化h
設計ä簡素化àßá貢献Íh産業機械hđċĜŜàß
ä家電製品hĞsĹ用電源機器àß幅広º用途Ý用º
ÿĂܺāg
S2 シリーズ」
富士電機Ýåh高効率à電力変換Ĉ実現可能ÞÏā
優ĂÕ特性Ĉ持Ú製品ä開発á取Ā組ĉݺāg今回h
富士電機Ýåh新Õá 600 V/1,200 V 耐圧保証 HVIC
（＊ 11）PWM
3 . 3 第 2 世代低損失 SJ-MOSFET「Super J MOS
素子ä耐圧 BV DSS Þ単位面積Ý規格化ËĂÕēŜ抵抗
āgDC 入力á対Íh一定周波数ÝēŜjēľĈ繰Ā
Pulse Width Modulation}ĺŔĢ幅変調~ä略ݸāg 返ÍhēŜä時間幅Ĉ変化ËÑāÉÞÝ出力Ĉ変化Ë
ĢčĬĪŜę素子Ĉ用ºÕ電力制御ä方式ä一Úݸ
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
238（8）
ÑāgčŜĹsĨÝ DC-AC 変換Ĉ行¼際àßá一般
的á用ºÿĂܺāg
パワー半導体の現状と展望
現状と展望
R onjA ÞäıŕsIJēľĈËÿá改善ÍhÁÚĨs
30
áhÓä製
S2 ĠœsģˆĈ開発Íh製品化ÍÕg表
品系列Ĉ示Ïg
電源ä CCM-PFC 回路部á搭載ÍÜh従来品Þ比較
Íh全負荷領域áÀºÜ高効率ݸāÉÞĈ確認ÍÕ
8.5 kVA クラス溶接機 負荷率 =50 %
25
約 20% 低減
c
ÍÕh第 2 世代 低損失 SJ-MOSFET‡Super J MOS
デバイス温度上昇 Δ
抑制Íh使ºúÏËÞ電力変換機器ä変換効率Ĉ向上
（℃）
Ŝēľ時ä跳ã上ÂĀ電圧Ĉ抑制ÏāÉÞÝ誤ēŜĈ
}292 Ńsġ{第 2 世代 低損失 SJ-MOSFET‡Super
20
15
10
5
0
650 V/40 A
High-Speed W シリーズ
J MOS S2 Ġœsģˆ
|参照~
g
3 . 4 高速ディスクリート IGBT「High-Speed W シ
600 V/35 A
従来品
図 1 1 600 V 系 IGBT の溶接機評価結果
ä 600 V 系 IGBT ä溶接機評価結果á示Ï
Õh 図
Ĩ溶接機ÝåhĢčĬĪŜęİĹčĢá対Ïā小型j
þ¼áh8.5 kVA ĘŒĢä溶接機Ýå 600 V ĘŒĢä
軽量化Ĉ可能ÞÏā高速ĢčĬĪŜęÞ低損失ä要求
IGBT ÝhİĹčĢä温度上昇Â従来品þĀ約 5 ℃}約
Â強ºg今回h富士電機ÝåhēŜ電圧ÞĢčĬĪŜ
20%~ 低 Å 抑 ¾ ÿ Ă āg1,200 V IGBTh600 V IGBT
ę特性äıŕsIJēľĈ改善ÍÕ高速İČĢĘœsı
Þøá発生損失ä大Ãà割合Ĉ占÷ā E off Ĉ低減ËÑ
IGBT‡High-Speed
W ĠœsģˆĈ開発Íh製品化
ÕÉÞÂhısĨŔ損失ä低減á大ÃÅ寄与Íܺā
}296 Ńsġ{高速İČĢĘœsı IGBT‡High-Speed
ÍÕg
⑺
従 来 品 ä‡High-Speed V Ġ œ s ģ ˆ á 対 Í Üh
W Ġœsģˆ
|参照~
g
High-Speed W Ġ œ s ģ Ý åh650 V À þ é 1,200 V
IGBT Ýh寄生容量Ĉ大幅á低減ËÑÕ活性部構造Þh
FS 層ä最適化hńsŔä注入Ĉ抑制ÏāĜŕĘĨ層h
3 . 5 車載用燃料タンク圧検知相対圧センサ
米国Ýåh自動車ä環境負荷ä低減Â求÷ÿĂhÓ
基板ä薄化àßĈ行ºh高速駆動向Çá E off Ĉ約 40 %
ä一環ÞÍÜ気化燃料漏Ăä検出Â義務化ËĂܺāg
以上低減ÍÕg
Éä検出Ĉ実現ÏāÕ÷h富士電機Ýåh車載用燃料
5 kW 出力ä UPS îä適用Ĉ想定ÍÕ発生損失äĠ
ňŎŕsĠŐŜÝåh1,200 V ĘŒĢä IGBT Ýh従
来 品 á 対 Í Ü ı s Ĩ Ŕ 損 失 Ĉ 約 19% 低 減 Í Õg ô
ĨŜĘ圧検知相対圧ĤŜĞĈ開発ÍÕg
図
áĤŜĞĤŔä実装形態ä例Ĉ示Ïg相対圧
ĤŜĞäĺĬĚsġáh燃料耐性Ĉ持Ú O œŜęú車
「Super J MOS S2 シリーズ」の製品系列
表 1 製品系列
TO-247
パッケージ
V DS（V）
R DS（on）
max.（mΩ）
TO-3P
パッケージ
TO-220
パッケージ
TO-220F
パッケージ
I D（A）
25.4
95.5
FMW60N025S2
−
−
−
40
66.2
FMW60N040S2
−
−
−
55
49.9
FMW60N055S2
−
−
−
70
39.4
FMW60N070S2
−
−
FMV60N070S2
79
37.1
FMW60N079S2
−
FMP60N079S2
FMV60N079S2
88
32.8
FMW60N088S2
−
FMP60N088S2
FMV60N088S2
99
29.2
FMW60N099S2
−
FMP60N099S2
FMV60N099S2
125
22.7
FMW60N125S2
−
FMP60N125S2
FMV60N125S2
160
17.9
FMW60N160S2
−
FMP60N160S2
FMV60N160S2
190
15.5
FMW60N190S2
FMH60N190S2
FMP60N190S2
FMV60N190S2
280
10.4
−
FMH60N280S2
FMP60N280S2
FMV60N280S2
380
8.1
−
−
FMP60N380S2
FMV60N380S2
600
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
239（9）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
リーズ」
無停電電源装置}UPS~ú PCSh小型äčŜĹs
現状と展望
パワー半導体の現状と展望
エアフィルタ
樹脂キャップ
大気圧参照
センサセル
参考文献
⑴ 梨子田典弘ñÁ. ŊĕĦsŒs用ĺŘsĜŜİČĠŐ
樹脂接着剤
ij 向 ÇAll-SiCŋ ġ Ŏ s Ŕ. 富 士 電 機 技 報. 2014, vol.87,
no.4, p.244-248.
⑵ Horio, M et al.{Ultra Compact and High Reliable SiC
MOSFET Power Module with 200 ℃ Operating Capa-
樹脂ハウジングケース
（ダイレクトマウントタイプ）
樹脂接着剤
O リング
bility|
, Proceedings of ISPSD, 2012, p.81-84.
⑶ Momose, F. et al.{The New High Power Density
Package Technology for the 7th Generation IGBT
圧力導入口
圧力印加（気化燃料を含む空気）
Module|
, PCIM Europe 2015.
⑷ Yamada, T. et al.{Novel Small Intelligent Power
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
Module For RAC|
, proc. 2012 PCIM Asia.
図 1 2 実装形態の例
⑸ 山田忠則ñÁ. čŜĹsĨđċĜŜ用小容量IPM. 富士
電機技報. 2012, vol.85, no.6, p.430-434.
載 IP 試験規格ä耐Îĉ性}IP6KX~Þ耐水性}IPX9K~
⑹ Higuchi, K. et al.{An intelligent power module with
ĈĘœċÍÕđċľČŔĨĈ採用Íh気化燃料Ĉ含ĉ
high accuracy control system|
, Proceeding of PCIM
Ö空気ú外来異物á影響ËĂáźh高耐久性ÁÚ高
Europe 2014, p.39-46.
精度à圧力検知Ĉ実現ÍÕ}283 Ńsġ{車載用燃料
ĨŜĘ圧検知相対圧ĤŜĞ|参照~
g
あとがき
⑺ 渡島豪人ñÁ. 高速İČĢĘœsıIGBT‡High-Speed
VĠœsģˆ富士時報. 2010, vol.83, no.6, p.393-397.
高橋 良和
ĺŘs半導体ä研究開発á従事g現在h富士電
ĺŘs半導体åh産業機器h鉄道車両h自動車h情
機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究所
次世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨs長g工学博士g
報機器Àþé新đĶŔėsàßä分野áÀÇāĺŘs
電気学会会員h応用物理学会会員hđŕĘı
đŕĘıŖĴĘĢ製品áÞÙÜ必要不可欠àĖsİĹ
ŖĴĘĢ実装学会会員h日本İğčŜ学会会員g
čĢݸāg
IGBThAll-SiC ŋġŎsŔhĸčĿœĬIJŋġŎs
ŔÀþéĺŘs ICjĺŘsİČĢĘœsıäĺŘs半
導体ä高性能化h高機能化Àþé高信頼性化åËÿá
藤平 龍彦
電子İĹčĢä研究開発á従事g現在h富士
電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開発統括
部長兼技術開発本部電子İĹčĢ研究所長g
進õhÉĂÿĺŘs半導体製品Ĉ適用ÍÕĺŘsđŕ
工学博士g電気学会会員h応用物理学会会員h
ĘıŖĴĘĢ製品äđĶŔėsä高効率化øôÏôÏ
日本金属学会会員hIEEE 会員g
進展ÍܺÅݸă¼g
富士電機ÝåhĺŘs半導体ä技術革新ä追究áþ
ĀhđĶŔėsĈ最ø効率的á利用ÝÃā製品ĈÚÅ
Ā出Íh安全j安心Ý持続可能à社会ä実現á貢献Í
ܺÅg
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
240（10）
宝泉 徹
ĺŘs半導体ä開発h事業企画á従事g現在h
富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業
統括部長g電気学会会員g
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
All-SiC モジュールのパッケージ技術
All-SiC Module Packaging Technology
仲村 秀世 NAKAMURA, Hideyo
西澤 龍男 NISHIZAWA, Tatsuo
梨子田 典弘 NASHIDA, Norihiro
ŊĕĦsŒs用ĺŘsĜŜİČĠŐijá新型ĺĬĚsġ構造ä All-SiC ŋġŎsŔĈ適用Íh変換効率 98.8 % Ĉ達成Í
Ü省đĶŔėsĈ実現ÍÕgÉäĺĬĚsġ構造åh従来äŘčōá変ąā銅ĽŜÞĺŘs基板Ĉ用ºÕ三次元配線úh
熱硬化性đņĖĠ樹脂áþāľŔŋsŔIJ構造Ĉ採用ÏāÉÞáþĀh小型h低čŜĩĘĨŜĢh高信頼性Þº¼特徴Ĉ
持Úg設計á当ÙÜåh構造設計áþÙÜ性能ä最適化Ĉ図āÞÞøáh樹脂流動ĠňŎŕsĠŐŜú樹脂流動ä可視化
We applied the All-SiC (silicon carbide) module with new package structure to mega solar power conditioning sub-system (PCS), achieving 98.8 % energy conversion efficiency and resulting in energy conservation. Key technologies are 3 dimensional wiring using Cu pins with
power board instead of conventional Al wiring and full-mold structure using the thermosetting epoxy resin. These technologies lead to small
package size, low inductance, and high reliability. We have optimized the package design to bring out the intrinsic performances of SiC device.
Resin flow analysis and its visualization methods are carried out to design molding process, resulting in the full mold structure with free air
void.
まえがき
地球温暖化àßä環境問題îä関心å年々高ôÙÜÀ
ĀhCO2 àßä温室効果ĕĢä排出量ä削減Â求÷ÿĂÜ
ºāgÓä実現á当ÕĀ再生可能đĶŔėsä積極的à活
用úhĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ}ĺŘđŕ~機器ä省đĶ
Ŕės}省đĶ~化Â必要ݸāgĺŘđŕ機器ä電力変
換áÀºÜh重要à役割Ĉ担ÙܺāäÂĺŘs半導体Ý
¸āg従来主流ݸÙÕ Si}ĠœĜŜ~İĹčĢå改良
Â進÷ÿĂh既á物性限界á近ۺܺāgÉäþ¼à中
PCS
パワーユニット
（a）メガソーラー用 PCS と
内蔵パワーユニット
（b）All-SiC モジュール
Ýh次世代半導体ݸā SiC}炭化Ǻ素~İĹčĢáþ
ĀhËÿàā低損失化Â可能ÞàĀh省đĶ化îä貢献Â
図 1 メガソーラー用 PCS と All-SiC モジュール
期待ËĂāg
富 士 電 機 Ý åhSiC-MOSFET}Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor~Þ SiC-SBD}Schottky
Þ Si-IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎs
Ŕá採用ÍܺÕ従来ĺĬĚsġä断面構造Ĉh表
á代
ŋġŎsŔĈ開発Íh
表的à特性ä比較Ĉ示Ïg新型ĺĬĚsġÝåhĞčģÂ
ŊĕĦsŒs用ĺŘsĜŜİČĠŐij}PCS~á適用ÍÜ
小˺ SiC ĪĬŀĈ並列á接続ÍhÍÁø大電流Ĉ流ÏÉ
ºāg本稿ÝåhÉä All-SiC ŋġŎsŔäĺĬĚsġ技
ÞÂÝÃāþ¼áhĪĬŀ上ä電気配線áåċŔňĴďʼn
術áÚºÜ述ïāg
ŘčōÝåàÅh銅ĽŜÞĺŘs基板Ĉ用ºÕ三次元配線
Barrier Diode~Ĉ使ÙÕ
All-SiC
Ĉ採用ÍܺāgÉĂáþĀhľĬıŀœŜıĈ従来品ä
約 40 % ôÝ削減ÍܺāgÉä小型化Þ三次元配線ä効
新型パッケージの特徴
果áþĀhčŜĩĘĨŜĢĈ従来品ä 1/4 以下ôÝ低減Ý
ŊĕĦsŒsàßä大容量太陽光発電áÀºÜh発電Í
ÃÕgôÕh厚銅板Þ高熱伝導ĤŒňĬĘĢ基板}Si3N4~
All-
Ĉ接合ÍÕĤŒňĬĘĢ絶縁基板Þ金属łsĢŕĢ構造á
SiC ŋġŎsŔĈ搭載ÍÕŊĕĦsŒs用 PCS ä量産Ĉ
þĀh熱抵抗Ĉ約 50 % á低減Íܺā gËÿáhđņĖ
áhŊĕĦsŒs用 PCS ä外観
Ġ樹脂Ĉ封止材料á使用ÏāÉÞÝhĪĬŀúĤŒňĬĘ
Õ電力ĈþĀ効率的á供給ÏāÕ÷h富士電機Ýå
2014 年á開始ÍÕg図
⑵⑶
ŋġŎsŔ
Ģ絶縁基板ä電気的絶縁性Ĉ確保ÏāÞÞøáhĪĬŀÞ
ä外観Ĉ示Ïg昇圧回路部á All-SiC ŋġŎsŔĈ採用
銅ĽŜä接合部àßáÀÇāèÐõĈ抑制ÍÜ信頼性Ĉ向
Íh98.8 % Þ高効率化ÍÜ省đĶĈ実現ÍhËÿá装置ä
上ËÑܺāgÉäÞÃhđņĖĠ樹脂封止ĈıŒŜĢ
Þ内蔵ÏāĺŘsŏĴĬıhÀþé
All-SiC
⑴
小型j軽量化ø図ÙÕøäݸāg
図
áhAll-SiC
ŋġŎsŔá採用ÍÕ新型ĺĬĚsġ
ľĊsŋsŔIJ成形Ý行¼ÉÞáþĀh従来ä樹脂ĚsĢ
Ĉ不要áÍh小型化Þ生産性ä向上áÚàÈāÉÞÂÝÃ
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
241（11）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
áþāŋsŔIJŀŖĤĢ設計Ĉ行ÙÜhŅčIJĈ抑制ÍÕľŔŋsŔIJ構造Ĉ実現ÍÕg
All-SiC モジュールのパッケージ技術
パワーチップ
1.1
パワー基板
エポキシ樹脂
厚銅板
高熱伝導
セラミックス
基板
セラミックス絶縁基板
冷却面
PN 間インダクタンス（a.u.）
銅ピン
アルミニウムワイヤ
0.9
計算結果
（端子除く）
0.8
0.7
0.6
0.5
（a）新型パッケージ（All-SiC モジュール）
シリコーンゲル
1.0
0
1
2
3
4
基板間隔（mm）
5
6
セラミックス絶縁基板
パワーチップ
図 3 基板間隔とインダクタンスの関係
端子
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ŊĕĦsŒs用 PCS Ýå大電流Ĉ扱¼Õ÷h新型ĺĬ
樹脂
ケース
ĚsġĈ採用ÍÕ All-SiC ŋġŎsŔĈ複数個並列á接続
金属ベース
冷却面
はんだ
ÍÜ使¼gÓä際äčŜĩĘĨŜĢåhŋġŎsŔä個数
á反比例ÏāÕ÷h従来äþ¼á大容量ŋġŎsŔĈ少数
使¼場合þĀøhËÿá高速ĢčĬĪŜęá有利Þàāg
（b）従来パッケージ（Si-IGBT モジュール）
図 2 パッケージの断面構造
3 . 2 封止構造
新型ĺĬĚsġÝåh熱硬化性đņĖĠ樹脂áþāľŔ
表 1 新型パッケージと従来パッケージの代表的な特性の比較
（1,200 V/100 A 定格における相対比較）
パッケージ特性
従来パッケージ
新型パッケージ
0.469
0.209
52
12
1
0.42
熱抵抗（K/W）
インダクタンス（nH）
フットプリント
ŋsŔIJ構造Ĉ採用ÍhĪĬŀ上ä電極ú銅ĽŜ接合部à
⑹
ßĈ樹脂Ý押˾込öÉÞÝhÓäèÐõĈ低減ÍÕgÉ
ĂáþĀhΔT j=150 ℃äĺŘsĞčĘŔ寿命åh従来ĺĬ
⑺
Ěsġá対ÍÜ 20 倍以上á向上Íܺāg
ÍÁÍhľŔŋsŔIJ構造Ýåh線膨張係数Â異àā部
材Ĉ一体化ÏāÕ÷h高温下Ý硬化ÍÕøäĈ常温á戻Í
ÕÖÇÝh内部á応力Â発生ÏāÞÞøáhŋġŎsŔ全
体ä反ĀÂ生Îāg反Āåh冷却ľČŜá取Ā付Çā際ä
āg新型ĺĬĚsġ構造ÝåhđņĖĠ樹脂ÂŋġŎsŔ
応力増加ú熱抵抗増加hËÿáå動作時ä温度変化áþā
ä性能Ĉ左右Ïā重要à構成材料ÞàÙܺāg
ĜŜĺďŜIJäņŜŀċďı現象áÚàÂā可能性¸ā
ƒ注„
äÝh極力小ËÅÏāÉÞÂ望ôͺg
図
パッケージ構造設計
åh新型ĺĬĚsġä突起部Ĉ含ôàº主要部厚
Ë} 樹 脂 厚 Ë ~ Þ 反 Ā ä 関 係 Ĉ FEM}Finite Element
Methodk有限要素法~解析Þ実測Ý調ïÕ結果ݸāg
3 . 1 内部配線構造
SiC-MOSFET
åh従来ä
Si-IGBT
á比ïÜ高速ĢčĬ
Éä結果Áÿh特定厚ËĈ境áhĺĬĚsġ厚ËÂ薄Å
ĪŜęÂ可能ݸāgÓä性能Ĉ十分á活用ÏāÕ÷áåh
àÙÜø厚ÅàÙÜø反ĀÂ小ËÅàāÉÞÂ分ÁāgÉ
ĢčĬĪŜę速度á比例ÍÜ増加ÏāĞsġ電圧Ĉ低減Ï
ĂåhĺĬĚsġÂ薄ÅĤŒňĬĘĢ絶縁基板ä剛性Â支
ā必要¸Āh内部配線ä低čŜĩĘĨŜĢ化Â不可欠Ý
配的áàā領域Ýåh樹脂厚Ëä減少ÞÞøáĤŒňĬĘ
¸āg
Ģ絶縁基板áÁÁā応力Â減ÙÜ反ĀÂ減少ÍhĺĬĚs
⒜äþ¼áh銅ĽŜÞĺŘs
ġÂ厚Å樹脂剛性Â支配的áàā領域Ýåh樹脂厚Ëä増
基板Ĉ用ºÕ三次元配線Ĉ採用ÏāÉÞáþÙÜ小型化Í
加ÞÞøá樹脂剛性ÂËÿá増ÍÜĤŒňĬĘĢ絶縁基板
ܺāgÉĂáþĀh配線距離Â短ÅàĀh自己čŜĩĘ
ä影響Ĉ受ÇáÅÅàĀ反ĀÂ低減ÏāøäÞ考¾ÿĂ
新型ĺĬĚsġÝåh図
ĨŜĢĈ低減ÍܺāgËÿáhĺŘs基板ÞĤŒňĬĘ
āgÕÖÍhĤŒňĬĘĢ絶縁基板ä厚ËúĪĬŀ厚Ëh
Ģ絶縁基板Ĉ平行á配置ÍhÁÚ電流ä変化}di /dt ~Â
ĺŘs基板ä積層àßĈ考慮ÏāÞh現実的áå樹脂剛性
逆方向áàāþ¼á配線ÏāÉÞÝøčŜĩĘĨŜĢä低
Â支配的à領域ÝŋġŎsŔĈ製作ÏāÉÞáàāgÍÕ
⑷
減Ĉ図ÙܺāgÉä構造Ýåh図
á示Ïþ¼áh二Ú
ÂÙÜh新型ĺĬĚsġÝ反ĀĈ抑制ÏāÕ÷áåh樹脂
ä基板Ĉ近ÛÇāñßčŜĩĘĨŜĢÂ低減ÏāäÝh絶
縁性能ú組立性á影響äàº範囲Ý狭間隔á設定Íܺāg
ÉĂÿáþÙÜh新型ĺĬĚsġä PN 間čŜĩĘĨŜĢ
⑸
åh従来ĺĬĚsġä 1/4 以下}約 12 nH~ÞàÙÕg
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
242（12）
ƒ注„ņŜŀċďı現象k動作時ä温度変化áþĀĺĬĚsġä変形
Â繰Ā返ËĂāÉÞÝh冷却ľČŜÞä間á¸āĜŜĺďŜIJ
Â外á押Í出ËĂh熱抵抗Â増加Ïā現象Ĉº¼g
All-SiC モジュールのパッケージ技術
端子
端子
樹脂
樹脂
セラミックス
絶縁基板
厚さ 4 mm
セラミックス
絶縁基板
厚さ 10 mm
（a）FEM モデル（1/2 モデル）
（a）流動シミュレーションモデル
3
反り（a.u.）
実測
2
速 度
高
FEM 解析
1
0
2
4
6
8
10
パッケージ厚さ（mm）
12
14
低
（b）反りの FEM 解析結果と実測結果
図 4 新型パッケージの FEM モデルと反り解析結果および実測
（b）流動樹脂の速度ベクトル図
図 5 樹脂流動シミュレーション
結果
厚ËĈ厚ÅÏāÉÞÂ効果的ݸāgÓä際h樹脂Ĉ厚Å
4 . 2 樹脂流動の可視化
Ïāñß外部á取Ā出Ï端子Â長ÅàĀhčŜĩĘĨŜĢ
製品品質ú量産性ä向上äÕ÷áåh樹脂流動ĠňŎ
Â増加ÏāÕ÷h樹脂厚ËÞčŜĩĘĨŜĢ値ä最適化Â
ŕsĠŐŜÝå織Ā込÷àºđċłŜıä動作ú気泡ä流
重要ݸāgËÿáåh端子ä対地間絶縁距離}沿面j空
動Þ排出ä挙動àßĈ考慮ÍÕ量産金型ä設計ÞŀŖĤĢ
間距離~ä考慮ø必要ݸāg
条件ä調整Â必要ݸāg
Éäþ¼áh低čŜĩĘĨŜĢ化äÕ÷áĺŘs基板Þ
ÓÉÝh図
á示Ïþ¼áh金型ÞĕŒĢĈ組õ合ąÑ
ĤŒňĬĘĢ絶縁基板Ĉ狭間隔Ý配置Ïā一方Ýh反Ā低
Õ実験用ä型Ĉ製作Íh樹脂流動ä可視化実験Ĉ行ÙÕg
減ä観点ÁÿŋġŎsŔä厚ËĈ厚ÅÏā設計ݸāÕ÷h
Óä結果ÁÿhđċıŒĬŀÂ発生Ïā部位á適正àđċ
ŋġŎsŔä内部構造åh冷却面側á集中ÍÕ配置ÞàÙ
łŜıĈ配置ÏāÉÞá加¾hěsı形状ä最適化ú流動
ܺāgÉäþ¼à構造á対ÍÜıŒŜĢľĊsŋsŔIJ
速度h温度h圧力àß流動条件ä調整Ĉ行ÙÜhŅčIJä
成型Ĉ行¼場合h樹脂ä流動Â不均衡ÞàĀh狭º部分á
発生ú滞留Ĉ抑¾Õg例¾æh図
⒝ÝåhŋġŎsŔä
十分á充塡}Îû¼Üĉ~ËĂàº懸念¸āÕ÷h樹脂
流動Ĉ正確á把握ÍÕŋsŔIJŀŖĤĢ設計Â必要ݸāg
取付け穴用リング
モールドプロセス設計
ガラス
ゲート
樹脂
4 . 1 シミュレーション技術と金型設計
新型ĺĬĚsġäıŒŜĢľĊsŋsŔIJ成型áÀÇā
金型
課題ÞÍÜåhĺŘs基板ÞĤŒňĬĘĢ絶縁基板ä間á
¸āĪĬŀú銅ĽŜàßä内部構造体Â樹脂ä流動ú充塡
（a）実験方法
Ĉ阻害ÏāÉÞhàÿéá狭間隔部ÞÓä他ä部位ä充塡
速度Â異àāÉÞÝhŋġŎsŔ内áđċıŒĬŀáþā
取付け穴用リング
樹脂
エア
トラップ
ŅčIJúďđŔIJ}樹脂流動ä会合部~Â発生ÍúϺÉ
Þà߸āg
ÓÉÝh金型設計á際ÍÜ樹脂流動ĠňŎŕsĠŐŜĈ
行ÙÕg図
áh樹脂流動ĠňŎŕsĠŐŜäŋİŔÞĠ
ňŎŕsĠŐŜä結果Ĉ示ÏgÉä結果Áÿh流動速度ú
ďđŔIJ位置h充塡状況àß樹脂流動状態ä把握ĈåÎ÷h
終
始
（b）取付け穴付近の可視化例
đċıŒĬŀ発生ņčŜıú流動Ïā樹脂á混入ÍÕ気泡
Â滞留ÍúϺ位置ä推定Ĉ行ºh金型設計á反映ËÑÕg
図 6 樹脂流動可視化実験
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
243（13）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
0
All-SiC モジュールのパッケージ技術
取付Ç穴付近Ý発生ÍÕđċıŒĬŀáþāŅčIJÂhœ
Ŝęä内側á押Í出ËĂÜ消滅ÏāôÝä様子Â分Áāg
Reliability|
, Proceedings of ISPSD, 2011, p.272-275.
⑷ Horio, M. et al.{Ultra Compact and High Reliable SiC
Éäþ¼à動作åh樹脂流動ĠňŎŕsĠŐŜÖÇÝå把
MOSFET Power Module with 200 ℃ Operating Capability|
,
握ÏāÉÞÂ難ͺg
Proceedings of ISPSD, 2012, p.81-84.
前述äþ¼áh樹脂流動ĠňŎŕsĠŐŜÞ樹脂流動ä
可視化Ĉ併用ÏāÉÞÝhŋġŎsŔ内äŅčIJ発生ŊĔ
⑸ 梨子田典弘ñÁ. All-SiCŋġŎsŔ技術. 富士電機技報.
2012, vol.85, no.6, p.403-407.
ĴģʼnÞÓä動ÃàßĈ正確á捉¾h金型設計Þ成型条件
⑹ Hinata, Y. et al.{Full SiC Power Module with Advanced
á反映ÝÃāŋsŔIJŀŖĤĢ設計技術Ĉ開発ÍÕgÉĂ
Structure and its Solar Inverter Application|
, Proceedings
áþÙÜhľŔŋsŔIJ構造ä
All-SiC
ŋġŎsŔĈ実現
ÍÕg
of APEC, 2013, p.604-607.
⑺ Nashida, N. et al.{All-SiC Power Module for Photovoltaic
Power Conditioner System|
, Proceedings of ISPSD, 2014,
あとがき
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
All-SiC ŋġŎsŔäĺĬĚsġ技術áÚºÜ述ïÕg
ÉäĺĬĚsġä設計áÀºÜåh構造設計技術äõàÿ
Ðh樹脂流動ĠňŎŕsĠŐŜú樹脂流動ä可視化áþā
ŋsŔIJŀŖĤĢ設計技術Â重要ݸāg
p.342-345.
仲村 秀世
MEMS 機器ä研究開発hĺŘs半導体用ĺĬĚs
ġä開発á従事g現在h富士電機株式会社技術開
発本部電子İĹčĢ研究所次世代ŋġŎsŔ開発
ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
今後øh小容量Áÿ大容量ŋġŎsŔîä展開Ĉ通ÎÜh
ËôÌôàĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機器á適用範囲Ĉ広Èh
ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ技術ä発展Þ低炭素社会ä実現á
西澤 龍男
貢献Ïā所存ݸāg
ĺŘs半導体用ĺĬĚsġ組立ä研究開発á従事g
現在h富士電機株式会社技術開発本部電子İĹč
Ģ研究所次世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨsĺĬĚs
参考文献
ġ開発部gđŕĘıŖĴĘĢ実装学会会員g
⑴ 梨子田典弘ñÁ. ŊĕĦsŒs用ĺŘsĜŜİČĠŐij向
ÇAll-SiCŋġŎsŔ. 富士電機技報. 2014, vol.87, no.4, p.244248.
⑵ Horio, M. et al.{New Power Module Structure with Low
Thermal Impedance and High Reliability for SiC Devices|
,
Proceedings of PCIM, 2011, p.229-234.
⑶ Ikeda, Y. et al.{Investigation on Wirebond-less Power
Module Structure with High-density Packaging and High
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
244（14）
梨子田 典弘
ĺŘs半導体用ĺĬĚsġä研究開発á従事g現
在h富士電機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ
研究所次世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨsĺĬĚsġ
開発部gđŕĘıŖĴĘĢ実装学会会員g
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
1,700-V Withstand Voltage SiC Hybrid Module
小根澤 巧 ONEZAWA, Takumi
北村 祥司 KITAMURA, Shoji
磯 亜紀良 ISO, Akira
省đĶŔėsá貢献ÏāčŜĹsĨ用äĺŘsİĹčĢÞÍÜh電気鉄道市場á向ÇÕ 1,700 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋ
ġŎsŔĈ開発ÍÕgIGBT áå第 6 世代ä IGBT ĪĬŀĈ搭載ÍhFWD áå SiC-SBD ĪĬŀĈ搭載ÍÕg製品定格åh
1,700 V/1,200 A}2 in 1~ݸĀh損失Ĉ重視ÍÕ標準仕様Þ低ĢčĬĪŜę周波数á適ÍÕ低 V CE}sat~仕様Þä 2 系列Ĉ持
Úg標準仕様åh従来ä Si ŋġŎsŔá対ÍÜ発生損失ä 18 % 低減Ĉ実現ÍÕgôÕhčŜĹsĨáÀÇā発生損失ä比
Fuji Electric has developed a SiC hybrid module with a 1,700-V withstand voltage. It is designed for use in the traction market as a
power device that can be utilized in inverters that contribute to energy savings. This module is equipped with 6th-generation IGBT chips
and applies SiC-SBD chips to its FWDs. It has a product rating of 1,700 V/1,200A (2 in 1) and has 2 specifications: standard specifications that
make much of power dissipation, and low V CE (sat) specifications suitable for low switching frequencies. The standard specifications reduce loss
by 18 % compared with conventional Si modules. Furthermore, the low V CE (sat) specifications achieve 6 % loss reduction compared with the
standard specifications at low switching frequency condition.
量 IGBT ŋġŎsŔ技術Ĉ継承ÍÕ SiC ĸčĿœĬIJŋ
まえがき
⑴v⑷
ġŎsŔĈ開発Íܺāg
近年h地球温暖化ä進行Ĉ抑制ÏāÕ÷hCO2 ĈåÎ÷
ÞÍÕ温室効果ĕĢä排出量ä低減Â求÷ÿĂܺāg電
本 稿 Ý åh1,700 V/1,200 A}2 in 1~ 定 格 ä SiC ĸ č Ŀ
œĬIJŋġŎsŔáÚºÜ述ïāg
力変換機器ĈåÎ÷ÞÏāĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機器á
対ÍÜøÓä要求å例外ÝåàÅh温室効果ĕĢä排出量
概 要
ĈºÙÓ¼削減ÏāÕ÷áhËÿàā省đĶŔės}省đ
Ķ~Ĉ行¼必要¸āg電力変換機器åh電気鉄道ĈåÎ
図
áh1,700 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔä外
÷ÞÏā社会čŜľŒ向ÇúđċĜŜàßä消費者向Çà
観Ĉ示ÏgłsĢ材料á AlSiC}ċŔňĴďʼnÞ炭化Ǻ
ßh社会生活全体á入Ā込ĉÝÀĀh省đĶ化áþā温室
素ä複合材料~Ĉh絶縁基板材料á高熱伝導率ä AlN}窒
効果ĕĢ削減îä寄与Â大úgÉä電力変換機器á搭載
化ċŔňĴďʼn~Ĉ使用ÍÕ高信頼性ĺĬĚsġݸāg
ËĂܺāčŜĹsĨä省đĶ化åhĺŘsİĹčĢh回
AlSiC åh線膨張係数 7.5 × 10−6/℃ݸĀ AlN 基板ä
路h制御àßä構成要素ä技術革新áþÙÜ実現ÝÃāg
4.5 × 10−6/℃á近ºÕ÷hCu}銅~łsĢá比ïÜĻs
ĺŘsİĹčĢÝåhËÿàā低損失化Ĉ達成Í続Çܺ
ıĞčĘŔ寿命úhĺŘsĞčĘŔ寿命Â向上Ïāg
ÅÉÞÂ重要à使命ݸāg
図
現在h主流äĺŘsİĹčĢå Si}ĠœĜŜ~ä IGBT
}Insulated Gate Bipolar Transistor~
Þ FWD}Free
á 等 価 回 路 Ĉ 示 ÏgIGBT á å 第 6 世 代 ä IGBT
ĪĬŀĈ搭載ÍhFWD áå 1,700 V 耐圧ä SiC-SBD ĪĬ
ŀĈ搭載ÍÕg
Wheeling Diode~äĪĬŀĈ用ºÕ IGBT ŋġŎsŔÝ
電気鉄道向ÇÝåhĖŌœċ周波数Â約 0.5 kHz 以下Þ
¸āgÍÁÍhSi İĹčĢä性能åh物性á基ÛÅ理論
º¼低ºĢčĬĪŜę周波数áÀÇā運転Â多Åh定常
的限界á近ÛÃÚÚ¸Āh今後h大幅à低損失化Â期待
ÝÃàºg高耐熱性Þ高破壊電界耐量ä特性Ĉ持ÙÕ SiC
}炭化Ǻ素~İĹčĢáþĀhSi İĹčĢÝå実現困難
à飛躍的à低損失化Â可能áàĀhčŜĹsĨ装置ä高効
率化ú小型化Â実現ÝÃāg
富士電機Ýåh開発ÍÕ 600 Vh1,200 Vh1,700 V 耐圧
ä SiC-SBD}Schottky Barrier Diode~ĪĬŀÞ Si-IGBT
Ī Ĭ ŀ Þ Ĉ 組 õ 合 ą Ñ Ü 搭 載 Í Õ SiC ĸ č Ŀ œ Ĭ IJ ŋ
ġŎsŔĈ製品化Íܺāg中Ýø電気鉄道ä主電源向Ç
ä 1,700 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔä製品開発á
M278 パッケージ , 140×130×38 mm，質量 0.9 kg
注力Íh系列ä拡大Ĉ図ÙܺāgÉä用途Ýåh高耐圧h
大容量化Â必要不可欠ݸĀhÉĂôÝá培ÙÜÃÕ大容
図 1 1,700 V耐圧SiCハイブリッドモジュール
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
245（15）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
較áÀºÜh低 V CE}sat~仕様åh低ĢčĬĪŜę周波数ä条件áÀºÜ標準仕様á対ÍÜ 6 % ä低減Ĉ実現ÍÕg
1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
C2
1.0
E1
C2
G1
G2
E2
C1
E2
C1
順方向電流 F（a.u.）
E1
0.8
j
=25 ℃
j
=150 ℃
0.6
0.4
0.2
SiC-SBD
0
0
0.5
順方向電圧
1.0
1.5
（a.u.）
F
図 2 1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュールの等価回路
図 3 V F − I F 特性
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
損失Â支配的ݸāgÍÕÂÙÜh低º飽和電圧 V CE}sat~
特性Â望ôͺgôÕh大容量čŜĹsĨä主回路Ýåh
小j中容量äøäá比ïÜ主回路čŜĩĘĨŜĢ L s Â大
j
=150 ℃， CC=900 V， C=1,200 A，
=+15 V/−15 V， g=1.8 Ω
GE
ÃÅàāg式⑴Ý示Ïþ¼áhL s ÞĨsŜēľ電流ä傾
à di /dt ä影響áþÙÜ発生ÏāĨsŜēľĞsġ電圧
V sp Â大ÃÅàāÕ÷hV sp Â低ºøäÂ望ôͺgÍÁÍh
Éä V sp Ĉ抑制ÏāÕ÷hĨsŜēľ速度Ĉ遅ÅÏāÞh
rp
損失Â増大ÏāÞº¼問題¸āgÉäþ¼à観点Áÿh
低 V CE}sat~Þ低 V sp Þº¼要求Ĉ満足ÏāÕ÷hĢčĬĪ
Ŝę損失Ĉ重視ÍÕ標準仕様á加¾Üh定常損失Þ V sp Ĉ
=250 A
AK
0A
0V
AK：500 V/div
：500 A/div
：200 ns/div
F
=7.6 mJ
重視ÍÕ低 V CE}sat~ 仕様Ĉ系列á加¾Üºāg搭載Ïā
rr
F
IGBT äĪĬŀä厚ËĈ最適化ÏāÉÞÝhE off-V CE}sat~
äıŕsIJēľĈ改善ÍhĜŕĘĨÁÿäĖŌœċ注入量
（a）SiC ハイブリッドモジュール
Ĉ調整ÏāÉÞáþÙÜısĨŔ損失ä最小化Ĉ実現ÍÕg
Vsp = Vcc ＋L s
dIc
xxxxxxxxxxxxxxx⑴
dt
rp
=1,130 A
V sp k ĨsŜēľĞsġ電圧}V~
V cc k 回路電圧}V~
Ls k 主回路čŜĩĘĨŜĢ}H~
Ic k ĜŕĘĨ電流}A~
AK
0A
0V
F
=371 mJ
rr
AK：500 V/div
：500 A/div
：200 ns/div
F
特 性
（b）Si モジュール
3 . 1 標準仕様の 1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュー
ル
図 4 逆回復波形
⑴ FWD ä出力特性
今回hSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔá搭載ÍÕ 1,700 V
耐圧ä SiC-SBD ä順方向電圧 V F- 順方向電流 I F 特性Ĉ図
SiC-SBD ÂŏĴņsŒİĹčĢݸĀh少数ĖŌœċä
注入Þ掃出ÍÂ起ÃàºÉÞáþāg図
áhSiC ĸčĿ
á示Ïg並列á接続ËĂÕĪĬŀä一Úá他äĪĬŀþ
œĬIJŋġŎsŔÞ Si ŋġŎsŔäĨsŜēŜ波形ä比
Āø大Ãà電流Â流Ăþ¼ÞÏāÞ SiC-SBD ä強º正ä
較Ĉ示ÏgSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔåh前述äþ¼á
温度特性áþÙÜ抵抗Â増加Íh電流ä増加Ĉ抑制Ïāþ
逆回復電流Ĉ大幅á削減ÝÃāÕ÷hÓĂĈ反映ÍÕĨs
¼自己調整Ĉ行¼äÝh電流ä不平衡å発生ÍáÅÅàāg
ŜēŜ電流äĽsĘ値 I cp ø大幅á低減ÝÃāg
ÓäÕ÷hĪĬŀä並列接続Â多º大容量 IGBT ŋġŎs
ŔáÀºÜh有効à特性ݸāg
⑵ ĢčĬĪŜę特性
図
áhSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔÞ Si ŋġŎsŔ
Éäþ¼áhSi ŋġŎsŔÝåhE rr  371 mJ ݸā
äá対ÍhSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔÝå 7.6 mJ ÞàĀh
約 98% 低減ÍÕgËÿáhE on å Si ŋġŎsŔÝ 585 mJ
ݸāäá対ÍhSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔÝ 315 mJ
ä逆回復波形ä比較Ĉ示ÏgSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔ
ÞàĀh約 46 % 低減ÍÕg
Ýåh逆回復電流äĽsĘ値 I rp Â大幅á下ÂāgÉĂå
⑶ čŜĹsĨáÀÇāŋġŎsŔä発生損失
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
246（16）
1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
=150 ℃， CC=900 V， C=1,200 A，
=+15 V/−15 V， g=1.8 Ω
3 . 2 低 V CE（sat）仕様の 1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモ
j
GE
ジュール
⑴ IGBT ä出力特性
0V
GE
：20 V/div
：500 V/div
C：500 A/div
：500 ns/div
図
GE
CE
仕様åh共á正ä温度特性Ĉ持ÚÕ÷h電流ä不平衡å
=1,500 A
cp
発生ÍáÅÅàĀh容易á並列接続ÂÝÃāgôÕh低
V CE}sat~ 仕様Ýåh標準仕様á対ÍÜ T j=25 ℃Ý 0.20 Vh
CE
=315 mJ
on
0A
0V
T j=150 ℃Ý 0.22 V 低減Íܺāg
⑵ ĢčĬĪŜę特性
C
図
áĨsŜēľ波形ä比較Ĉ示Ïg標準仕様Ýå V sp
 1,420 V ݸāäá対Íh低 V CE}sat~仕様Ýå 1,260 V Þ
（a）SiC ハイブリッドモジュール
GE
1.0
：20 V/div
：500 V/div
C：500 A/div
：500 ns/div
GE
=2,250 A
cp
（a.u.）
CE
=585 mJ
on
0A
0V
C
コレクタ電流
C
CE
0.8
j
=25 ℃
j
=150 ℃
0.6
低
仕様
CE（sat）
0.4
標準仕様
0.2
（b）Si モジュール
0
0
図 5 ターンオン波形
0.5
1
飽和電圧
1.5
（a.u.）
CE（sat）
図 7 V CE（sat）− I C 特性
図
áhčŜĹsĨáÀÇā発生損失äĠňŎŕsĠŐ
Ŝ結果Ĉ示ÏgSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔä発生損失
åhSi ŋġŎsŔÞ比較ÍÜĖŌœċ周波数 0.3 kHzh
j
1 kHzh3 kHz äÞÃhÓĂÔĂ 5 %h18 %h32 % 低減ÝÃ
āÉÞÂ分ÁāgÉäþ¼áhĖŌœċ周波数Ĉ高ÅÏā
=150 ℃， CC=900 V， C=1,200 A，
=+15 V/−15 V， g=2.2 Ω
GE
GE
0V
：20 V/div
：500 V/div
C：500 A/div
：1µs/div
ÉÞÝh損失低減率Â大ÃÅàāÉÞÁÿh高周波動作á
GE
CE
ÀºÜ SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔä適用Â期待ÝÃāg
C
=1,420 V
sp
=515 mJ
off
CE
0A
0V
出力周波数 =41.482 Hz，出力電流（実効値）=554.3 A，
力率 =0.924，制御率 =0.53，バス電圧 =600 V
（a）標準仕様
1,200
rr
f
off
on
sat
発生損失（W）
1,000
1,025
690
SiC ハイブリッド
モジュール
800
GE
0V
：20 V/div
：500 V/div
C：500 A/div
：1µs/div
32 ％
低減
GE
CE
Si モジュール
600
482
453
5 ％低減
638
521
18 ％
低減
C
=1,260 V
sp
400
200
0A
0V
0
キャリア周波数
0.3 kHz
キャリア周波数
1 kHz
キャリア周波数
3 kHz
図 6 インバータにおける発生損失のシミュレーション
=877 mJ
off
CE
（b）低
仕様
CE（sat）
図 8 ターンオフ波形
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
247（17）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
0V
á V CE}sat~- I C 特性Ĉ示Ïg標準仕様Þ低 V CE}sat~
1,700 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
àĀ 160 V 低減ÍÕg 図
á V sp-I C 特性Ĉ示Ïg定格電
流 1,200 A Ý約 10 % 低減ÏāÉÞÂ分Áāg図
Ŝēľ損失 E off
⑶ čŜĹsĨáÀÇāŋġŎsŔä発生損失
áĨs
図 11 áhčŜĹsĨáÀÇā発生損失äĠňŎŕs
特性Ĉ示Ïg低 V CE}sat~仕様ä E off åh
ĠŐŜ結果Ĉ示ÏgĖŌœċ周波数 0.3 kHz äÞÃh
標準仕様Þ比較ÍÜ定格電流Ý約 70 % 増大ÏāÉÞÂ分
低 V CE}sat~仕様ä P off å増大Ïāøääh発生損失å Si ŋ
ÁāgÉĂåh低 V CE}sat~仕様ÝåĞsġ電圧Ĉ抑制Ïā
ġŎsŔá対ÍÜ 11 %h標準仕様á対ÍÜ 6 % 低減Ïāg
Õ÷áhĜŕĘĨ側ÁÿäĖŌœċ注入量Ĉ最適化ÏāÉ
Éäþ¼áh低 V CE}sat~仕様åhĖŌœċ周波数Â小˺
-I
C
ÞáþĀhįsŔ電流Â大ÃÅàÙܺāÕ÷ݸāg
領域áÀºÜhV sp ä低減ÞÞøá標準仕様þĀø発生損
失Ĉ低減ÝÃāg
=150 ℃，
=+15 V/−15 V，
GE
=2.2 Ω，
g
=900 V
CC
標準仕様
1,600
あとがき
本稿Ýåh1,700 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔá
10 ％
1,200
ÚºÜ述ïÕg本製品åhİĹčĢ自身ä大幅à損失低減
áþĀhčŜĹsĨä高効率j小型化á大ÃÅ貢献ÝÃ
āÞ考¾āg今後hËÿàā SiC ĸčĿœĬIJŋġŎs
800
仕様
低
Ŕä系列化Ĉ推進ÏāÞÞøáhIGBT ä代ąĀá SiC-
CE（sat）
400
MOSFET äĪĬŀĈhFWD ä代ąĀá SiC-SBD äĪĬ
0
0
200
400
600
800
コレクタ電流
C
1,000 1,200 1,400
（A）
図 9 V sp − I C 特性
ŀĈ搭載ÍÕ All-SiC ŋġŎsŔä系列化Ĉ推進Íh省đ
ĶŔės化á貢献ÍܺÅ所存ݸāg
参考文献
⑴ 木下明将ñÁ.{高温ÝäV fĈ特徴ÞÍÕ600 V/1,200 VĘ
ŒĢSiC-SBD|
. ÚÅæ市. 2010-10-21. 応用物理学会SiC及é
=150 ℃，
GE
=+15 V/−15 V，
=2.2 Ω，
g
=900 V
CC
1,000
ターンオフ損失
関連ŘčIJėŌĬŀ半導体研究会第19回公演.
⑵ 中沢将剛ñÁ. Si-IGBTjSiC-SBDĸčĿœĬIJŋġŎs
Ŕ. 富士時報. 2011, vol.84, no.5, p.331-335.
800
低
仕様
70 ％
CE（sat）
600
⑶ 小林邦雄ñÁ. 1,700 V耐圧SiCĸčĿœĬIJŋġŎsŔ. 富
士電機技報. 2013, vol.86, no.4, p.240-243.
off
（mJ/pulse）
j
⑷ 小林邦雄ñÁ. 1,200 V耐圧SiCĹčĿœĬIJŋġŎsŔ. 富
400
士電機技報. 2014, vol.87, no.4, p.240-243.
200
0
0
標準仕様
小根澤 巧
200
400
600
800
コレクタ電流
C
1,000 1,200 1,400
（A）
IGBT ŋġŎsŔä開発j設計á従事g現在h富
士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部
ŋġŎsŔ技術部g
図 1 0 E off − I C 特性
キャリア周波数 =0.3 kHz，出力周波数 =41.482 Hz，
出力電流（実効値）=554.3 A，力率 =0.924，制御率 =0.53，
バス電圧 =600 V
北村 祥司
半導体İĹčĢä開発j設計á従事g現在h富士
電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開発統括部İ
600
500
発生損失（W）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ターンオフサージ電圧
sp
（V）
j
2,000
f
off
300
on
磯 亜紀良
200
IGBT ŋġŎsŔ開発äĺĬĚsġ設計á従事g
sat
100
現在h富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部事
業統括部ŋġŎsŔ技術部Īsʼnœsĩsg
0
Si モジュール
標準仕様
低
CE（sat）
仕様
図 1 1 インバータにおける発生損失のシミュレーション結果
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
248（18）
ĹčĢ開発部g
11％低減
6％低減
rr
400
426.3
453.3
481.6
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
3,300V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール技術
3,300-V Withstand Voltage SiC Hybrid Module Technology
金子 悟史 KANEKO, Satoshi
金井 直之 KANAI, Naoyuki
辻 崇 TSUJI, Takashi
ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機器áåh省đĶŔės化á加¾Ü小型j軽量化h高出力化àßä性能向上Â強Å求÷ÿĂÜ
ºāg富士電機åhÉĂá応¾āÕ÷h3,300 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔä開発Ĉ推進Íܺāg共同研究体 ÚÅ
æĺŘsđŕĘıŖĴĘĢĜŜĢįŕsĠŐŜÞ共同Ý開発ÍÕ SiC-SBD Ĉ適用ÏāÉÞÝh現行ä Si ŋġŎsŔÞ比較
Íh発生損失Ĉ 24 % 低減ÍÕgôÕhSn-Sb 系åĉÖĈ適用ÏāÉÞÝh高信頼性Ĉ確保ÍÜ連続動作温度Ĉ 25 ℃向上Ë
There has been increasing demand for electronics to achieve not only energy savings, but also be more compact, lightweight and
improved performance such as high output. Fuji Electric is seeking to meet these demands by pursuing the development of a SiC hybrid
module with a 3,300 V withstand voltage. By adopting the SiC-SBDs that we developed in partnership with the joint research body Tsukuba
Power Electronics Constellation (TPEC), we have been able to reduce generated loss by 24 % compared with current Si modules. In addition, we have also utilized Sn-Sb solder to ensure high reliability and have been able to improve continuous operation temperature by 25 °
C.
Moreover, we made use of the reducing effect of generated loss to achieve improvements in power density while also reducing the footprint
size by approximately 30 %.
まえがき
SiC ハイブリッドモジュールの構成
近年h世界Ý消費ËĂā資源jđĶŔėså増大Íh環
富士電機ÝåhSiC-SBD}Schottky Barrier Diode~Þ
境汚染ú資源ä枯渇Â大Ãà問題ÞàÙÜÀĀh省đĶŔ
Si-IGBT Ĉ 搭 載 Í Õ 600 Vh1,200 Vh1,700 V 耐 圧 ä SiC
ės}省đĶ~化Â強Å求÷ÿĂܺāgÉĂÿä背景Á
ĸčĿœĬIJŋġŎsŔĈ製品化Íܺāg今回hËÿà
ÿh電力ä輸送h変換h制御h供給áÀºÜh省電力化Ĉ
ā高耐圧化ä要求á応¾āÕ÷h3,300 V 耐圧ä SiC ĸč
特徴ÞÏāĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ}ĺŘđŕ~機器á注
ĿœĬIJŋġŎsŔĈ開発ÍÕg
目Â集ôÙܺāg
ĺŘđŕ機器á対Ïā要求åh省đĶ化áþā環境負荷
áh3,300 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔä外
図
観j内部回路Àþé Si-IGBT ŋġŎsŔÞäľĬıŀœ
Ĉ軽減ËÑā社会要請áþāøäÁÿh高信頼性h制御性h
小型j軽量化h高出力化àßä性能向上á関ąāøäôÝ
多岐áąÕāgÉĂÿä要求á応¾āÕ÷áåhĺŘđŕ
SiC-SBD
機器Ĉ構成ÏāĺŘsİĹčĢh回路h制御àßä技術向
C
上Â必要不可欠Þàāg特áh基幹部品ݸāĺŘsİĹ
C
C
čĢÝåh小型Ý低損失àĺŘsŋġŎsŔÂ求÷ÿĂÜ
ºāg
G
現 在 ä 代 表 的 à ĺ Ř s İ Ĺ č Ģ åhIGBT}Insulated
E
E
Gate Bipolar Transistor~Ĉ用ºÕĺŘsŋġŎsŔݸ
Āh一般的á Si}ĠœĜŜ~ä IGBT Àþé FWD}Free
E
（a）外観・内部回路
Wheeling Diode~äĪĬŀÂ搭載ËĂܺāgÍÁÍhSi
ĪĬŀä性能å物性á基ÛÅ理論値限界á近ÛºÜÀĀh
3,300 V 耐圧 1,200 A 定格 1 in 1 モジュール
ÉĂôÝäþ¼á飛躍的à特性改善Ĉ期待ÏāÉÞåÝÃ
àºgÓÉÝhSi þĀø優ĂÕ特性Ĉ持ÚŘčIJĹŜIJ
約 30 ％
低減
130
ā SiC}炭化Ǻ素~å従来ä Si Þ比較ÍÜ高耐圧ÁÚ
140
190
ėŌĬŀ半導体Â注目ËĂܺāgÉä半導体ä一Úݸ
単位：mm
140
低損失ݸāÉÞá加¾h高温動作ú高周波動作Â可能Þ
àĀhĺŘsŋġŎsŔäËÿàā高ĺŘs密度化áþā
小型化Â可能Þàāg
本 稿 Ý åh É ä SiC Ī Ĭ ŀ Ĉ 搭 載 Í Õ 3,300 V 耐 圧
現行品（Si-IGBT モジュール）
開発品（SiC ハイブリッド
モジュール）
（b）フットプリントサイズ比較
1,200 A ä SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔ技術áÚºÜ述ïāg
図 1 3,300 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュールの概要
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
249（19）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ÑÕg発生損失ä低減効果Þ合ąÑāÉÞÝ高ĺŘs密度化Ĉ実現ÍhľĬıŀœŜıĞčģĈ約 30 % 低減ÍÕg
3,300V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール技術
ŜıĞčģä比較Ĉ示ÏgFWD áåh共同研究体 ÚÅ
æĺŘsđŕĘıŖĴĘĢĜŜĢįŕsĠŐŜÞ共同Ý開
発ÍÕ
SiC-SBD
Ĉ適用ÏāÉÞÝh現行ä
Si-IGBT
þĀ
ø発生損失Ĉ大幅á低減ËÑÕgĪĬŀ下äåĉÖáåh
図
á SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔÞ Si-IGBT ŋġŎs
ŔäΔT j ĺŘsĞčĘŔ試験ä結果Ĉ示ÏgSiC ĸčĿ
œ Ĭ IJ ŋ ġ Ŏ s Ŕ åhSi-IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ Þ 比 較 Í Ü
ΔT j=125 ℃時á約 5 倍以上äĺŘsĞčĘŔ耐量¸āg
第 7 世代‡X ĠœsģˆIGBT ŋġŎsŔäĺĬĚsġ技
⑶⑷
術ä一Úݸā Sn-Sb 系åĉÖĈ適用ÏāÉÞÝh高信
特 性
頼性Ĉ確保Íh連続動作温度Ĉ現行 Si-IGBT ä 125 ℃Á
⑴⑵
ÿ 150 ℃á向上ËÑÕgÉĂÿ発生損失ä低減Àþé動作
温度ä向上áþĀh高ĺŘs密度化Ĉ実現Íh図
⒝á示
ÏÞÀĀh現行品Þ比較ÍÜŋġŎsŔäľĬıŀœŜı
4 . 1 順方向特性
図
á SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔÞ Si-IGBT ŋġŎs
Ŕä順方向特性Ĉh図
á 1,200 A 定格áÀÇā順方向電
圧 V F ä温度依存性Ĉ示Ïg図
ĞčģĈ約 30 % 低減ÍÕg
á示ÏÞÀĀhSiC ĸč
ĿœĬIJŋġŎsŔåhSi-IGBT ŋġŎsŔÞ比較ÍÜh
ハイブリッド化に伴うパッケージ技術課題
25 ℃ÝhV F  29 % 程度小 ˺Âh150 ℃ Ýå逆転 ÍÜ
ŀ接合温度 T j ä上昇á伴ºhV F Â低下Ïā負ä温度特性
3 . 1 多並列接続構造の課題と検討
ĸčĿœĬIJ化áÀºÜ 1,200 A 定格Ĉ実現ÏāÕ÷á
ݸāäá対ÍhSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔå正ä温度
åh多数äĪĬŀĈ並列á接続Ïā必要¸āgÉäþ¼
特性Ĉ持Ùܺāg負ä温度特性Ĉ持ÙܺāĪĬŀĈ多
à多並列接続Ĉ持ÚĺĬĚsġ構造ä場合hĪĬŀ特性ä
並列Ý接続ÏāÞhT j ä上昇á伴ÙÜ内部抵抗Â小ËÅ
æÿÚÃáþā電流ä不均衡Â生Îh長期信頼性Ĉ低下Ë
àāÕ÷電流ÂþĀ流ĂúÏÅàĀh一部äĪĬŀá電流
Ñā懸念¸āgÓÉÝhĠňŎŕsĠŐŜáþā熱解析
Â集中ÍÜ電流ä不均衡Ĉ起ÉÍúϺg
Ĉ行ºh各ĪĬŀä温度ú熱応力ä状態Ĉ検証ÍÕgÉä
ÉĂá対Íh正ä温度特性å T j ä上昇á伴ÙÜ内部抵
検証結果ÁÿhĪĬŀ特性äæÿÚÃÂĪĬŀ温度ä変動
抗Â大ÃÅàāÕ÷h並列á接続ËĂÕĪĬŀ間Ý均一á
á及òÏ影響Ĉ模擬ÝÃāÉÞĈ確認ÍÕgÉä解析方法
電流Ĉ分担ÏāÉÞáàāgÍÕÂÙÜhSiC ĸčĿœĬ
Ĉ用ºh本開発品äĺĬĚsġ構造á反映ËÑh信頼性向
上á役立ÜÕg
1,200
3 . 2 パワーサイクル耐量の向上
ĪĬŀ温度ä上昇á対応ÍÕĺĬĚsġ構造Â必須Þàāg
ĪĬŀ温度ä上昇á伴ÙÜ構成部材áÁÁā熱応力Â増大
ÏāÞ同時áh運転j停止áþā温度変化Â大ÃÅàāÕ
÷hþĀ高º熱疲労á対ÍÜä性能Ĉ保証Ïā必要¸āg
順方向電流 F（A）
1,000
ĸčĿœĬIJ化áþÙÜ小型化Ĉ実現ÏāÕ÷áåh
SiC ハイブリッド
モジュール
25 ℃
Si-IGBT モジュール
150 ℃
800
600
Si-IGBT モジュール
25 ℃
400
SiC ハイブリッド
モジュール
150 ℃
200
ÓÉÝhÉä保証ä指針ÞàāΔT j ĺŘsĞčĘŔ耐量
Ĉ向上ËÑāÕ÷h第 7 世代 X Ġœsģ IGBT ŋġŎs
0
0
ŔäĺĬĚsġ技術áÀÇā Sn-Sb 系åĉÖĈĪĬŀ下
1
2
順方向電圧
3
（V）
4
5
F
á適用ÍÕgSn-Sb 系åĉÖå高強度ݸĀh熱疲労Á
⑴⑵
ÿ生ÎāĘŒĬĘä進展Ĉ抑制Ïā効果¸āg
図 3 順方向特性
109
4.0
108
30 ％
3.0
F
（V）
Si-IGBT モジュール
SiC ハイブリッド
モジュール
107
106
順方向電圧
パワーサイクル耐量（cycle）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
30 % 程度大ÃÅàāgÍÁÍhSi-IGBT ŋġŎsŔåĪĬ
105
Si-IGBT モジュール
104
29 ％
2.0
1.0
F（t）=1 % ライン
103
102
10
100
Δ j（℃）
図 2 ΔT j パワーサイクル試験結果
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
250（20）
0
0
SiC ハイブリッド
モジュール
50
100
チップ接合温度
図 4 順方向電圧の温度依存性
150
（℃）
j
200
3,300V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール技術
ĴņsŒİĹčĢݸāÕ÷h少数ĖŌœċáþā蓄積
IJŋġŎsŔåh多並列接続á有利ݸāg
効果ÂàºÉÞá起因Ïāg図
流依存性Ĉ示ÏgE rr å 1,200 A 定格ä場合hSi-IGBT ŋ
4 . 2 漏れ電流特性
図
áh逆回復損失 E rr ä電
á SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔÞ Si-IGBT ŋġŎs
ġŎsŔÞ比較ÍÜ発生損失Ĉ 95 % 低減ÝÃāgËÿáh
á漏Ă電流ä温度依存性Ĉ示
300 A ú 1,800 A áÀºÜø同様áh発生損失Ĉ同程度ô
Ïg125 ℃ÝĜŕĘĨ電圧 3,300 V äÞÃhSiC ĸčĿœĬ
Ý低減ÝÃāgÍÕÂÙÜh低電流領域Áÿ大電流領域ô
IJ ŋ ġ Ŏ s Ŕ ä 漏 Ă 電 流 I CES åhSi-IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ
Ý幅広Å損失低減Â可能ݸāg
Þ比較ÍÜ 11 % 程度小˺g150 ℃ÝåËÿá差Â広Â
⑵ ĨsŜēŜ特性
Ŕä漏Ă電流特性Ĉh図
Ā 44 % 程度小ËÅàāg図
á示ÏÞÀĀhSi-IGBT
ŋ
図
áhSiC ĸ č Ŀ œ Ĭ IJ ŋ ġ Ŏ s Ŕ Þ Si-IGBT ŋ
ġŎsŔä I CES åh温度áþÙÜ大ÃÅ変動ÏāgÉĂá
ġŎsŔäĨsŜēŜ波形ä比較Ĉ示ÏgSiC-SBD ä逆
対ÍhSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔåÀÀöã一定ݸĀh
回復時äĽsĘ電流åh対向ċsʼnä IGBT ĨsŜēŜ電
温度依存性Â小˺ÉÞÂ分ÁāgÉĂåhSi þĀøĹ
流á反映ËĂāÕ÷hĨsŜēŜĽsĘ電流ø大幅á低減
ŜIJėŌĬŀ 3 倍程度大úÕ÷hT j ä上昇á伴¼ĖŌ
ÝÃāg図
œċä励起Â少àºÉÞá起因ÏāgÍÕÂÙÜhSiC
ēŜ損失 E on åhSi-IGBT ŋġŎsŔÞ比較ÍÜ発生損失
ĸčĿœĬIJŋġŎsŔå Si-IGBT ŋġŎsŔÞ比ïÜh
Ĉ 28% 低減ÝÃāg
高温動作Â可能ݸāg
⑶ ĨsŜēľ特性
á示ÏÞÀĀh1,200 A 定格áÀÇāĨsŜ
ġŎsŔäĨsŜēľ損失 E off ä電流依存性Ĉ示ÏgĨs
4 . 3 スイッチング特性
⑴ 逆回復特性
図
áhSiC ĸ č Ŀ œ Ĭ IJ ŋ ġ Ŏ s Ŕ Þ Si-IGBT ŋ
=1,800 V,
ġŎsŔä逆回復波形ä比較Ĉ示ÏgSi-IGBT ŋġŎs
CC
GE
=±15 V,
g
=2.7 Ω ,
=125 ℃
j
ŔÞ比較ÍÜhSiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔå逆回復時ä
：1µs/div
ĽsĘ電流ÂñÞĉß発生ÍàºgÉĂå SiC-SBD Âŏ
：1,000 V/div
AK
：500 A/div
F
64
Si-IGBT ジュール
150 ℃
漏れ電流
CES
（mA）
32
44 %
低減
（a）SiC ハイブリッドモジュール
16
8
SiC ハイブリッド
モジュール
150 ℃
4
Si-IGBT モジュール
125 ℃
11 %
低減
SiC ハイブリッド
モジュール
125 ℃
2
1
0
500
1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000
コレクタ電圧 CE（V）
図 5 漏れ電流の特性
（b）Si-IGBT モジュール
図 7 逆回復波形
103
Si-IGBT モジュール
1.5
rr
101
100
逆回復損失
漏れ電流
CES
（mA）
10
2.0
SiC ハイブリッドモジュール
（J）
2
10−1
10−2
Si-IGBT モジュール
1.0
95 % 低減
SiC ハイブリッド
モジュール
0.5
10−3
10−4
0
0
50
100
チップ接合温度
図 6 漏れ電流の温度依存性
150
j（℃）
200
0
300
600
900 1,200 1,500 1,800 2,100
順方向電流 F（A）
図 8 逆回復損失の電流依存性
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
251（21）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
áhSiC ĸ č Ŀ œ Ĭ IJ ŋ ġ Ŏ s Ŕ Þ Si-IGBT ŋ
図
3,300V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール技術
=1,800 V,
CC
=±15 V,
GE
g
=2.7 Ω ,
=125 ℃
4
j
（J）
：1µs/div
：20 V/div
A/div
ターンオフ損失
c：500
Si-IGBT モジュール
3
off
GE
：1,000 V/div
CE
（a）SiC ハイブリッドモジュール
2
SiC ハイブリッド
モジュール
1
0
0
500
1,000
1,500
コレクタ電流 C（A）
2,000
図 1 1 ターンオフ損失の電流依存性
トータル発生損失（kW）
図 9 ターンオン波形
5
3
on
（J）
Si-IGBT モジュール
4
ターンオン損失
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
25
（b）Si-IGBT モジュール
28 % 低減
20.5
rr
20
f
16.6
off
15
on
12.7
10.4
sat
10
5
8.8
2.2 2.9
3.4
SiC Si
1
SiC
4.9
5.7
0
Si
SiC Si
SiC Si
2
4
8
キャリア周波数（kHz）
SiC Si
10
2
SiC ハイブリッド
モジュール
1
図 1 2 インバータ発生損失の計算結果
ジュールのインバータ発生損失の計算結果を示す。キャ
0
0
300
600
900 1,200 1,500 1,800 2,100
コレクタ電流 C（A）
リア周波数 1 kHz において，SiC ハイブリッドモジュール
のトータル発生損失は，Si-IGBT モジュールと比較して
図 1 0 ターンオン損失の電流依存性
24 % 低減できる。さらに，キャリア周波数を高くした場
合，トータル発生損失の低減率は大きくなり，キャリア周
ンオフ時に発生するサージピーク電圧は，一般的に式⑴
波数 10 kHz では 38 % 低減できる。したがって，SiC ハイ
で定義できる。IGBT の電流変化率 dI c/dt と評価回路の
ブリッドモジュールは，高周波動作が必要な製品への適用
主回路インダクタンス L s が同等であれば，ダイオードの
が期待できる。
過渡オン電圧の値がサージピーク電圧の差として現れる。
SiC-SBD
は
Si-FWD
と比較して，ドリフト層が低抵抗で
あるため，過渡オン電圧が低い。したがって，SiC ハイブ
現在，本開発品を搭載した駆動用主変換装置（インバー
タ，コンバータ）を東海旅客鉄道株式会社向けに開発し，
新幹線に搭載し走行試験を実施中である。
リッドモジュールはターンオフのサージピーク電圧が低く
抑えられるため，E off も低減できる。
あとがき
dI
+Vfr ………………………………………⑴
Vsp = Vcc +Ls
dt
C
本 稿 で は，3,300 V 耐 圧 SiC ハ イ ブ リ ッ ド モ ジ ュ ー ル
V sp：サージピーク電圧（V）
技術について述べた。共同研究体 つくばパワーエレクト
V cc：印加電圧（V）
ロニクスコンステレーションと共同で開発した SiC-SBD
L s：主回路インダクタンス（H）
と，富士電機製 Si-IGBT を適用した 3,300 V 耐圧 SiC ハ
I c：コレクタ電流（A）
イブリッドモジュールに用いた技術である。本開発品は，
V fr：過渡オン電圧（V）
SiC-SBD と Sn-Sb 系はんだを適用することで，高パワー
密度化を実現し，パワーエレクトロニクス機器の高効率化，
4 . 4 インバータ発生損失
図
に SiC ハ イ ブ リ ッ ド モ ジ ュ ー ル と
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
252（22）
小型化に大きく貢献できる。今後，さらなる性能向上を実
Si-IGBT
モ
現するため，All-SiC 化の開発検討を進め，省エネルギー
3,300V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール技術
化Ĉ推進ÍܺÅ所存ݸāg
SiC-SBD ä開発áÊ協力ºÕÖºÕ共同研究体 ÚÅæ
ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢĜŜĢįŕsĠŐŜä関係各位á
謝意Ĉ表Ïāg
金子 悟史
SiC ŋġŎsŔä開発j設計á従事g現在h富士
電機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究所次
世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
参考文献
⑴ 百瀬文彦ñÁ. 175 ℃連続動作Ĉ保証ÏāIGBTŋġŎsŔ
äĺĬĚsġ技術. 富士電機技報. 2013, vol.86, no.4, p.249-252.
⑵ 郷原広道ñÁ. ĸčĿœĬIJ車用第2世代ċŔňĴďʼn直接
水冷ĺĬĚsġ技術. 富士電機技報. 2014, vol.87, no.4, p.258262.
金井 直之
SiC ŋġŎsŔä開発j設計á従事g現在h富士
電機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究所次
世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
応用物理学会会員g
⑶ 中沢将剛ñÁ. Si-IGBTjSiC-SBDĸčĿœĬIJŋġŎs
Ŕ. 富士時報. 2011, vol.84, no.5, p.331-335.
士電機技報. 2013, vol.86, no.4, p240-243.
辻 崇
SiC İĹčĢä開発j設計á従事g現在h富士電
機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究所次世
代İĹčĢ開発ĤŜĨs SiC 開発部主査g応用物
理学会会員g
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
253（23）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
⑷ 小林邦雄ñÁ. 1,700 V耐圧SiCĸčĿœĬIJŋġŎsŔ. 富
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
7th-Generation “X Series” IGBT Module
川畑 潤也 KAWABATA, Junya
百瀬 文彦 MOMOSE, Fumihiko
小野澤 勇一 ONOZAWA, Yuichi
IGBT ŋġŎsŔä市場áÀºÜh近年h小型化h低損失化h高信頼性化Â強Å求÷ÿĂܺāgÉĂÿä要求á応¾ā
Õ÷h第 7 世代‡X ĠœsģˆIGBT ŋġŎsŔĈ開発ÍÕgIGBTjFWD ĪĬŀä大幅à損失低減Àþé高放熱j高耐
熱j高信頼性ĺĬĚsġä開発áþĀh約 36% äľĬıŀœŜı低減h約 10% ä電力損失低減h長期信頼性Ĉ実現ÍÕg
ôÕh高温動作時ä特性ú耐量Ĉ向上ËÑÕÉÞÝh連続動作ä最大温度Ĉ従来ä 150 ℃Áÿ 175 ℃á向上ËÑÕgÉĂá
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
þĀh出力電流ä大幅à増加Â可能ÞàĀh電力変換装置äËÿàā小型化Þ高ĺŘs密度化Ĉ実現ÍÕg
In recent years, the IGBT module market has been seeing increasing demand for compact modules with low loss and high reliability. In
order to meet these demands, we have developed the 7th-Generation{X Series|IGBT Module. By significantly reducing the loss of IGBT and
FWD chips and developing a package characterized by its high heat dissipation, high heat resistance and high reliability, we have reduced the
modulez
s footprint by approximately 36 % and power loss by approximately 10% and achieved long-term reliability. Furthermore, by enhancing its withstanding and characteristics during high-temperature operation, we increased the maximum temperature for continuous operation
to 175 ℃ , from the conventional temperature of 150 ℃. These enhancements have enabled the module to significantly increase output current, and this further increase the power density and miniaturizes the size of power converters.
まえがき
第 7 世代チップ技術
近年h化石燃料ä枯渇ú地球温暖化防止ä観点Áÿhđ
X Ġ œ s ģ IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ Ý å IGBT À þ é FWD
ĶŔės効率ä改善Þ CO2 排出量ä削減Â求÷ÿĂܺ
}Free Wheeling Diode~ä損失Ĉ大幅á低減ÏāÉÞÝh
āgÓäÕ÷hËôÌôà分野áĺŘs半導体Ĉ用ºÕ
低損失化ÞĪĬŀĞčģä小型化Ĉ同時á達成ÍÕgËÿ
電力変換装置ä適用Â広ÂÙÜÀĀhÓä市場å急速á
áåh高温動作時á懸念ËĂāËôÌôà耐量áÚºÜøh
拡大ÍܺāgĺŘs半導体ÞÍÜåh産業h民生h自
十分à耐量Ĉ確保ÏāÉÞÝ T j=175 ℃ä連続動作Ĉ実現
動車Àþé再生可能đĶŔėsàßä広º分野ÝhIGBT
ÍÕg
}Insulated Gate Bipolar Transistor~ ŋ ġ Ŏ s Ŕ Â 主 á
用ºÿĂܺāgIGBT ŋġŎsŔå市場á登場ÍÜ以
来h多Åä技術革新áþÙÜ大幅à小型化ú低損失化Â行
⑴
2 . 1 第 7 世代 IGBT のチップ技術
IGBT ä断面構造Ĉ図
á示Ïg第 7 世代 IGBT ä基本
ąĂÜÃÜÀĀhÉĂáþĀ電力変換装置ä小型化}ĜĢ
構造åh第 6 世代 IGBT Þ同様á表面構造åıŕŜĪěs
ıĩďŜ~Þ高効率化á貢献ÍÜÃÕgÍÁÍhIGBT ŋ
ı構造ݸĀh裏面áľČsŔIJĢıĬŀ}FS~層Ĉ適
ġŎsŔä小型化åĺŘs密度ä上昇áþāĪĬŀ接合
用ÍÕ薄ďĐsĸ IGBT Ĉ採用ÍÕg第 6 世代 IGBT Þ
温度 T j ä上昇ÞhÓĂá伴¼信頼性ä低下Ĉ招ºÜÍô
比較ÍÜhIJœľı層ä厚ËĈ薄ÅÏāÉÞÝēŜ電圧
¼gÉäÕ÷h今後Þø IGBT ŋġŎsŔä小型化Ĉ進÷
}ĜŕĘĨ−đňĬĨ間電圧~ä低減Ĉ達成Íܺāgô
āÕ÷áåhIGBT Þ FWD äĪĬŀ特性ä向上äõàÿ
ÐhĺĬĚsġ技術ä革新áþā放熱性Þ信頼性ä向上Â
不可欠ݸāg
富士電機Ýå IGBT ŋġŎsŔäËÿàā小型化h低
エミッタ
エミッタ
損失化h高信頼性化Ĉ実現ÏāÕ÷áh新Õá第 7 世代
n+
äĪĬŀ技術ÀþéĺĬĚsġ技術Ĉ適用ÍÕ第 7 世代
p
‡X Ġ œ s ģ ˆIGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ Ĉ 開 発 Í ÕgX Ġ œ s
ģ IGBT ŋġŎsŔÝå小型化äõàÿÐhĪĬŀ特性
ÞĺĬĚsġä長期信頼性Ĉ向上ÏāÉÞáþĀhT j Â
ゲート
n−ドリフト層
n−フィールド
ストップ層
p+ コレクタ層
175 ℃Ýä連続動作Ĉ実現ÍÕgÓäÕ÷h最大Ý 150 ℃
連続動作ݸÙÕ従来ä第 6 世代‡V ĠœsģˆIGBT ŋ
ġŎsŔÞ比較ÍÜhËÿá高º出力電流Ýä動作Â可能
ÞàÙÕg
コレクタ
（a）第 7 世代 IGBT
（X シリーズ・2015 年）
図 1 IGBT の断面構造
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
254（24）
コレクタ
（b）第 6 世代 IGBT
（V シリーズ・2007 年）
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
Õh表面äıŕŜĪěsı構造Ĉ微細化j最適化ÏāÉ
ĨsŜēľ損失ÞēŜ電圧äıŕsIJēľ特性Ĉ大幅á改
ÞÝh導通時ä p ĪŌĶŔÁÿäńsŔä引抜ÃĈ抑制
善ÍÕg
Íh表面側äĖŌœċ濃度Ĉ高÷āÉÞÝ IE}Injection
Enhanced~効果Ĉ増強ÍhēŜ電圧ÞĨsŜēľ損失ä
ıŕsIJēľ関係Ĉ大幅á改善ÍÕg一般的áhIJœľı
2 . 2 第 7 世代 FWD のチップ技術
第 7 世代 FWD åhIJœľı層ä厚õĈ低減ÏāÉÞÝ
á示Ïþ¼áhŖs
層Ĉ薄ÅÍÕ場合åĨsŜēľ時ä電圧振動ú耐圧ä低下
順方向電圧Ĉ低減ÏāÞÞøáh図
Â懸念ËĂāÂhFS 層Ĉ最適化ÏāÉÞáþÙÜ電圧振
ĔŔŒčľĨčʼnĜŜıŖsŔä最適化áþĀh第 6 世代
動Ĉ抑制Íh十分à耐圧Ĉ確保ÍÕg
FWD Þ比較ÍÜþĀ滑ÿÁà逆回復波形Ĉ実現ÍÕgË
á 示 Ïg 第 6 世 代
第 7 世 代 IGBT ä 出 力 特 性 Ĉ 図
IGBT ä定格電流密度Ý比較ÍÕ場合hT j=150 ℃áÀº
ÿáh逆回復ĽsĘ電流ÀþéįsŔ電流ä低減áþÙÜh
逆回復損失Ĉ大幅á低減ÍÕg図
á逆回復損失Þ順方向
Ü ē Ŝ 電 圧 Ĉ 約 0.5 V 低 減 Í Ü º āg ô Õh175 ℃ á À
電圧äıŕsIJēľ特性Ĉ示Ïg第 6 世代 FWD Þ同一ä
Çā動作時Ýøh第 6 世代 IGBT ä 150 ℃Þ比較ÍÜ約
順方向電圧Ý比較ÍÜh約 30 % ä逆回復損失低減Ĉ達成
0.45 V 低ºēŜ電圧Ĉ実現Íܺāg
ÍÕg
ôÕh一般的áhIJœľı層Ĉ薄ÅÏāÞ逆回復時á
空乏層Â裏面á到達ÍúÏÅàāÕ÷h逆回復Ğsġ電圧
IGBT äēŜ電圧ÞĨsŜēľ損失äıŕsIJēľ特性Ĉ
Þ逆回復時ä電圧振動Â課題Þàāg第 7 世代 FWD Ýåh
図
á示Ïg第 7 世代 IGBT åh前述äÞÀĀēŜ電圧ä
⑵
裏面構造Ĉ最適化ÏāÉÞáþÙÜ逆回復動作時ä空乏層
大幅à低減á加¾ÜhIJœľı層ä薄化áþÙÜĨsŜē
ä伸長Ĉ抑制Íh空乏層Â裏面á到達ÏāäĈ防ÆÉÞÝh
ľ時äįsŔ電流Ĉ大幅á低減ÏāÉÞÝhĨsŜēľ損
逆回復電圧振動Àþé逆回復Ğsġ電圧Ĉ第 6 世代 FWD
失Ĉ 10 % 低減ÍÕgÉä結果h第 6 世代 IGBT Þ比ïÜh
Þ同等以下á抑制ÍÕg
コレクタ電流密度（A/cm2）
300
第 7 世代 IGBT
（ j=150 ℃）
250
第 7 世代 IGBT
（ j=175 ℃）
200
j=150 ℃,
CC=600 V, C=100 A,
GE=+15 V/-15 V
（1,200 V/100 A 定格チップ）
150
：50 A/div
F
第 6 世代 IGBT
（ j=150 ℃）
100
F
第 7 世代 FWD
0A
第 6 世代 FWD
50
GE=+15
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
V
3.5
4.0
AK
0V
：200 V/div
図 4 第 7 世代 FWD の逆回復波形
図 2 第 7 世代 IGBT の出力特性
ターンオフ損失： CC=600 V, C=100 A, GE=+15/−15 V,
コレクタ−エミッタ間電圧： C=V シリーズ定格電流密度 , GE=+15 V
140
第 7 世代 IGBT
40
20
=150 ℃ 1,200 V/100 A 定格チップ）
60
50
40
1.6
1.8
2.0
コレクタ−エミッタ間電圧（V）
図 3 第 7 世代 IGBT のトレードオフ特性
2.2
第 7 世代 FWD
30
20
10
j
1.4
第 6 世代 FWD
70
80
（
=600 V, GE=+15/−15 V, 逆回復 d /d =10 kV/µs
=V シリーズ定格電流密度 , GE=0 V
CC
F
80
第 6 世代 IGBT
100
0
1.2
逆回復損失：
順方向電圧：
逆回復損失 (µJ/A)
ターンオフ損失 (µJ/A)
120
60
：200 ns/div
AK
コレクタ−エミッタ間電圧（V）
0
1.5
（
=150 ℃ 1,200 V/100 A 定格チップ）
j
1.6
1.7
1.8
順方向電圧（V）
1.9
2.0
図 5 逆回復損失と順方向電圧のトレードオフ特性
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
255（25）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
一般的áhIGBT äēŜ電圧ÞĨsŜēľ損失åıŕs
IJēľä関係á¸āÉÞåþÅ知ÿĂܺāg第 7 世代
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
ā Al2O3 絶縁基板á対ÍÜh熱抵抗Ĉ同一ĪĬŀĞčģÝ
第 7 世代パッケージ技術
約 45 % 低減ÍÕgÉä新 AlN 絶縁基板ĈhĺŘs密度ú
IGBT ŋġŎsŔä小型化Ĉ達成ÏāÕ÷áå IGBT À
ÞÝhIGBT ŋġŎsŔä小型化áþā温度上昇ä課題Ĉ
ĪĬŀ温度ä上昇Â特á厳ÍÅàā製品àßá適用ÏāÉ
þé FWD ä小型化Â必要ݸāÂhĪĬŀä小型化hÏ
解決ÍÕg
àą×ĺŘs密度ä上昇åhĪĬŀ温度ä上昇ÞÓĂá
þā信頼性ä低下Â課題ÞàāgÓäÕ÷hX Ġœsģ
3 . 2 ΔT j パワーサイクル耐量の向上
電力変換装置ä長寿命化Ĉ実現ÏāÕ÷áhIGBT ŋ
IGBT ŋġŎsŔÝåh高放熱ĺĬĚsġä開発áþĀ
ĪĬŀ温度ä上昇Ĉ抑制ÏāÞÞøáh高信頼性j高耐熱
ġŎsŔä長期信頼性Â強Å求÷ÿĂܺāg特áh繰返
ĺĬĚsġä開発áþĀ 175 ℃連続動作Ĉ実現ÍÕg
Íä熱ĢıŕĢá対Ïā耐量}ΔT j ĺŘsĞčĘŔ耐量~
Â重要à課題ݸāgX Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔÝåh
þĀ高º出力電流Ýä動作Ĉ実現ÏāÕ÷áh連続動作可
3 . 1 新 AlN 絶縁基板
能領域Ĉ従来ä T j=150 ℃Áÿ 175 ℃á向上ËÑÕg一般
ġŎsŔÝåhĪĬŀÁÿ放熱ľČŜôÝä熱抵抗ä¼×
á T j Â高ÅàāÞhĪĬŀ周辺ä材料ä劣化Â加速ËĂ
最ø大Ãà部分Ĉ占÷ā絶縁基板ä熱抵抗Ĉ改善ÍÕg絶
āÉÞáþĀhΔT j ĺŘsĞčĘŔ耐量Â低下ÍÜÍô
縁基板ä材料ÞÍÜåhAl2O3}ċŔňij~ú熱伝導率ä
¼gΔT j ĺŘsĞčĘŔ耐量åhĪĬŀ上äŘčōŅŜ
高º AlN}窒化ċŔňĴďʼn~àßÂ広Å使ąĂܺāg
İČŜę接点ÞĪĬŀ下åĉÖÂ最ø大Ãà熱応力Ĉ受Ç
熱抵抗ä改善äÕ÷áå AlN 絶縁基板ä適用Â望ôͺ
āÉÞÝh製品寿命ä低下á大ÃÅ影響Ĉ及òÏgX Ġ
Âh一般ä AlN 絶縁基板ÝåĤŒňĬĘĢä板厚Â厚º
œsģ IGBT ŋġŎsŔÝåhT j=175 ℃Ýø十分àΔT j
Õ÷á剛性Â高ÅhĚsĢ温度Â上昇ÍÕ場合á基板下ä
ĺŘsĞčĘŔ耐量Ĉ確保ÏāÕ÷hŘčōŅŜİČŜę
åĉÖá加ąā熱応力Â高ÅàĀh信頼性ä低下Â懸念Ë
ä設計Ĉ最適化ÍhÉĂá加¾Ü新Õá開発ÍÕ高強度ä
ĂāgÉä対策ÞÍÜhåĉÖá発生Ïā応力Ĉ低減ËÑ
åĉÖĈ適用ÍÕg
ā必要¸āgÓÉÝĤŒňĬĘĢä板厚Ĉ薄ÅÏāÉÞ
⑷
図
áh同一ĞčĘŔ後áÀÇāΔT j ĺŘsĞčĘŔ
Ý AlN 絶縁基板ä剛性Ĉ低下ËÑh基板下åĉÖá加ą
試験後äĪĬŀ下åĉÖä断面観察結果Ĉ示Ïg従来å
ā熱応力Ĉ緩和ËÑā手法Ĉ検討ÍÕg従来åhAlN 絶
ĉÖáåĘŒĬĘÂ観察ËĂÕÂh新åĉÖÝåĘŒĬ
縁基板Ĉ薄化ÏāÞhŋġŎsŔ製品ä絶縁耐量ä低下h
Ęä発生Â抑制ËĂܺāÉÞĈ確認ÍÕg図
顧客áþā実装工程ÝĤŒňĬĘĢ基板á割ĂÂ発生Ïā
ĺŘsĞčĘŔ耐量Ĉ示ÏgX Ġœsģ IGBT ŋġŎs
áΔT j
懸念¸āÕ÷実用化ÝÃàÁÙÕgÓäÕ÷hĤŒňĬ
ĘĢ焼結条件ä最適化áþā高強度化h基板回路ĺĨsŜ
設計ä工夫áþā熱応力ä分散h沿面距離ä見直Íáþā
絶縁設計ä最適化Ĉ行ºh薄型化ÍÕ新 AlN 絶縁基板Ĉ
⑶
開発ÍÕg
Éäþ¼á高放熱ÁÚ高信頼性Ĉ実現ÍÕ新 AlN 絶縁
基板Ĉ採用ÏāÉÞÝhIGBT ŋġŎsŔä長期信頼性Ĉ
確保ÍÚÚ熱抵抗Ĉ大幅á低減ÍÕg図
25 µm
áh新 AlN 絶
25 µm
（a）新はんだ
（b）従来はんだ
縁基板Ĉ適用ÍÕ IGBT ŋġŎsŔäġŌŜĘĠŐŜ−
ĚsĢ間熱抵抗Ĉ示Ïg現在h一般á広Å適用ËĂܺ
図 7 ΔT j パワーサイクル試験後のチップ下はんだ断面
108
10
パワーサイクル耐量（cycle）
ジャンクションѸケース間熱抵抗（a.u.）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ĪĬŀä放熱性Ĉ改善ÏāÕ÷áhX Ġœsģ IGBT ŋ
Al2O3 絶縁基板
1
新 AlN 絶縁基板
0.1
同一チップサイズ
0.01
0.001
0.01
0.1
パルス幅（s）
図 6 ジャンクション−ケース間熱抵抗
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
256（26）
1
107
X シリーズ（
=175 ℃）
jmax
106
105
V シリーズ（
jmax
累積故障率 =1 %
104
30
40
=150 ℃）
V シリーズ（
50
60
Δ （℃）
j
図 8 ΔT j パワーサイクル耐量
jmax
=175 ℃）
70
80
90 100
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
ŔåhV Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔá対ÍÜ約 2 倍ä耐
図
áh環境温度ÞĠœĜsŜěŔä寿命ä関係Ĉ示Ïg
gÉĂáþĀh
量Ĉ実現ÍÕ}T jmax=175 ℃hΔT j=50 ℃~
175 ℃áÀÇā高耐熱ĠœĜsŜěŔä寿命åh従来Ġœ
T jmax=175 ℃動作áÀºÜøh従来Þ同等以上äΔT j ĺ
ĜsŜěŔá対ÍÜ大幅á改善ËĂh150 ℃áÀÇā従来
ŘsĞčĘŔ耐量¸Ā長期信頼性Ĉ確保ÍÕg
ĠœĜsŜěŔä寿命Þ同等ä寿命ÞàÙÕgÉĂáþĀh
175 ℃ä連続動作áÀºÜøh従来ä 150 ℃Þ同等ä絶縁
3 . 3 高耐熱シリコーンゲル
性能Ĉ確保ÍÕg
IGBT ŋġŎsŔä長期信頼性Ĉ保証Ïā上Ýø¼一Ú
課題ÞàāäÂh高温動作áÀÇāĠœĜsŜěŔä劣化
áh環境温度ÞĠœĜsŜěŔ弾性係数ä
ôÕh図
関係Ĉ示Ïg従来äĠœĜsŜěŔå−50 ℃以下Ý急激
ݸāg一般áĠœĜsŜěŔå高温áàāñß硬化Íú
á硬Åàā特性¸āÉÞá対Íh高耐熱ĠœĜsŜěŔ
ÏÅh硬化ÍÕěŔåĘŒĬĘ}裂Ç~Ĉ生Îā懸念¸
å低温Ýø弾性係数ä上昇å抑¾ÿĂÜÀĀh低温環境下
āgÉäĘŒĬĘáþÙÜěŔä絶縁被覆Â破壊ËĂāÕ
Ýä絶縁性ø改善ËĂܺāgÉä高耐熱ĠœĜsŜěŔ
÷h絶縁性能Â低下ÍÜÍô¼gÓÉÝh175 ℃ä連続動
áþÙÜËôÌôà環境á対応ÝÃāþ¼áàĀhIGBT
作Ĉ実現ÏāÕ÷h新Õá高耐熱äĠœĜsŜěŔĈ開発
ŋġŎsŔä適用範囲ä拡大ø期待ÝÃāg
ÞÝ高温下áÀÇā硬化Ĉ抑制ÍÕg高温環境下áÀÇā
IGBT モジュールの小型化
放置試験}215 ℃h2,000 時間~áÀºÜøh従来ĠœĜs
ŜěŔå硬化áþÙÜĘŒĬĘÂ発生Ïāäá対Íh高耐
第 7 世代ä IGBT Þ FWD áþā大幅à損失特性ä改善
熱ĠœĜsŜěŔÝåĘŒĬĘä発生ÂàºÉÞĈ確認Í
ÞhËÿáåĺĬĚsġ技術ä革新áþā放熱性j信頼性
Õg
ä大幅à向上áþĀhX Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔå従
来á比ïÜhËÿàā小型化Þ高ĺŘs密度化Â可能Þ
àÙÕg例ÞÍÜh1,200 V 定格ä EP2 ĺĬĚsġáÀº
ÜhV Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔä最大電流定格å 50 A
高耐熱シリコーンゲル
ôÝݸÙÕÂhX Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔÝå新Õá
75 A 定格Â実現ÍÕg従来ä V Ġœsģ IGBT ŋġŎs
Ŕä EP3 ĺĬĚsġ 75 A 定格製品Áÿä置換¾áþĀh
ľĬıŀœŜıĈ約 36% 低減ÏāÉÞÂ可能ݸāg
約2年
従来シリコーンゲル
X Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔåh小型化h高ĺŘs密度
áhX
化ÖÇÝåàÅh同時á低損失化Íܺāg図
Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔ EP2 ĺĬĚsġ 75 A 定格製
150 ℃
175 ℃
シリコーンゲル寿命
10 年
品áÀÇā通常運転時ä電力損失Þ IGBT 接合温度ä計
算 結 果 Ĉ 示 ÏgV Ġ œ s ģ IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ EP3 ĺ Ĭ
0.0018 0.0019 0.0020 0.0021 0.0022 0.0023 0.0024 0.0025
1/ 環境温度（K
−1
Ěsġ 75 A 定格製品Þ比較ÍÜh約 10% ä電力損失ä
低減Þh約 10 ℃ä IGBT 接合温度ä低減Ĉ達成Íܺā
）
g
}f c=8 kHz~
前述äÞÀĀhΔT j ĺŘsĞčĘŔ耐量ä向上ÞhĠ
図 9 環境温度とシリコーンゲルの寿命の関係
œĜsŜěŔä耐熱性ä向上áþÙÜhX Ġœsģ IGBT
O
=35 A, O=50 Hz, C=4/8 kHz, cosφ=0.9,
=40 ℃，逆回復d /d =10 kV/µs
140
a
電力損失 (W)
高耐熱シリコーンゲル
115 ℃
120
69 W
100
105 ℃
80
62 W
85 ℃
60
92 ℃
j
43 W
40
80
47 W
rr
60
f
on
40
off
20
従来シリコーンゲル
20
sat
−100
−50
0
50
100
環境温度（℃）
図 1 0 環境温度とシリコーンゲル弾性係数の関係
150
IGBT接合温度 (℃)
シリコーンゲル弾性係数
DC=600 V,
変調率=1.0,
100
0
0
=4 kHz
C
C
=8 kHz
C
=4 kHz
C
=8 kHz
X シリーズ EP2（75 A） V シリーズ EP3（75 A）
図 1 1 通常運転時の電力損失と IGBT 接合温度
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
257（27）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ÍÕg高耐熱ĠœĜsŜěŔåh材料組成Ĉ最適化ÏāÉ
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
Europe 2007.
IGBT接合温度（℃）
200
175
⑵ Onozawa, Y. et al.{Development of the 1200 V FZ -
V シリーズ EP3（75 A）
X シリーズ
jop
V シリーズ
jop
X シリーズ EP2
（75 A）
Diode with Soft Recovery Characteristics by the New Local
Lifetime Control Technique|
. Proceeding of ISPSD 2008,
p.80-83.
150
DC=600 V
=50 Hz
c=8 kHz
cosφ=0.9
変調率 =1.0
a=40 ℃
逆回復d /d =10 kV/µs
o
125
約 35% 増加
⑶ Momose, F. et al. {The New High Power Density
Package Technology for the 7th Generation IGBT Module|
,
PCIM Europe 2015.
⑷ Saito, T. et al. {New assembly technologies for
T jmax=175 ℃ continuous operation guaranty of IGBT mod-
100
35
45
55
65
インバータ出力電流（A）
75
85
図 1 2 インバータ出力電流と IGBT 接合温度
ule|
, Proceeding of PCIM Europe 2013, p.455-461.
川畑 潤也
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ ä 開 発 á 従 事g 現 在h 富 士 電
ŋġŎsŔÝå連続 175 ℃動作Â可能ÞàÙÕgÓä結果h
機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部ŋ
ġŎsŔ技術部g
電力変換装置áÀºÜhËÿàāĺŘs密度ä向上Â可能
ÞàĀh図
á示Ïþ¼áhV Ġœsģ IGBT ŋġŎs
Ŕ EP3 ĺĬĚsġ 75 A 定格製品Þ比ïÜh約 35 % ä出
力電流ä増加Â可能ݸāg
百瀬 文彦
半導体ĺĬĚsġä研究開発á従事g現在h富士
あとがき
電機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究所次
世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
日本機械学会会員g
第 7 世代‡X ĠœsģˆIGBT ŋġŎsŔÝåhIGBT
Þ FWD ä大幅à損失低減Þh高放熱j高信頼性ĺĬĚs
ġä開発áþÙÜh小型化h低損失化h高信頼性化Ĉ同時
á達成ÏāÉÞÂÝÃÕg従来製品Áÿ第 7 世代 IGBT ŋ
ġŎsŔîä置換¾áþĀ電力変換装置ä小型化hĜĢı
ĩďŜÂ可能ÞàāÕ÷h今後ä電力変換装置äËÿàā
普及ú高効率化á寄与ÝÃh世界的àđĶŔės問題ä解
決áø大ºá貢献ÝÃāg
参考文献
⑴ Kobayashi, Y. et al.{The New IGBT-PIM with the 6th
, Proceeding of PCIM
generation V-IGBT chip technology|
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
258（28）
小野澤 勇一
ĺŘs半導体ĪĬŀä開発á従事g現在h富士電
機株式会社電子İĹčĢ事業本部開発統括部İĹ
čĢ開発部g
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
第 2 世代小容量 IPM
2nd-Generation Small IPM
荒木 龍 ARAKI, Ryu
白川 徹 SHIRAKAWA, Toru
小川 裕貴 KOGAWA, Hiroki
富士電機åhŋsĨIJŒčĿĠĢįʼnä構築á必要àĺŘsİĹčĢú制御 IC àßĈ 1 ĺĬĚsġá集積ÍÕ小容量
IPM Ĉ開発ÍܺāgËÿàā省đĶŔės化Ĉ図āÕ÷h第 7 世代 IGBT 技術ĈłsĢá第 2 世代小容量 IPM Ĉ開発Í
Õg5.6 kW äđċĜŜĈ想定ÍÕ中間負荷領域áÀºÜ第 1 世代á対ÍÜ 10% 以上ä低損失化Ĉ実現Íh定格j最大負荷
領域áÀºÜø 20 % 以上ä低損失化Ĉ実現ÍÕg回路基板äåĉÖ付Ç部ä温度上昇ø第 1 世代Þ比較ÍÜ約 20 ℃低減Í
Fuji Electric has been developing small intelligent power modules (IPMs) that integrate into a single package the power devices and
control IC needed in the system construction of motor drives. We have now developed a 2nd-generation small IPM based on 7th-generation
IGBT technology to achieve even more energy savings. The module reduces the loss by 10 % or more in the intermediate load region, such
as in the case of a 5.6 kW air conditioner, and by 20 % or more in the rated and maximum load region compared with the 1st-generation
module. In addition, temperature rise in the soldering on the circuit board has also been reduced by approximately 20 °
C compared with the
1st-generation module. Overall, the module achieves enhanced energy savings, expands output current, and increase reliability during circuit
board mounting and a greater degree of freedom during system design.
まえがき
近年h地球環境問題îä関心Â高ôā中hđċĜŜh洗
濯機àßä家電製品ú産業用ŋsĨIJŒčĿĠĢįʼnä省
đĶŔės}省đĶ~á対Ïā要求Â強ôÙܺāg
家電製品áÀºÜåh世界的á実使用á近ºđĶŔės
消 費 効 率 Ĉ 表 Ï APF}Annual Performance Factor~ á
þā省đĶ規制Â強化ËĂh定格j最大負荷時ä高効率化
ÖÇÝàÅhþĀ実使用á近º中間負荷時ä損失改善Â重
要ÞàÙܺāg特áh日本市場ú中国市場àßåĸčđ
ŜIJ機ÖÇÝàÅhŅœŎsʼnħsŜÞàā普及機Ýø省
図 1 第２世代小容量 IPM
đĶ性能ä大幅à向上Â必要ÞàÙÜÃܺāg
ôÕh産業用čŜĹsĨúĞsŅáÀºÜåh電力ä高
密度化áþā筐体}Ãý¼Õº~äĩďŜĞčġŜęä要
形ĞčģÞĽŜ配置Â第 1 世代品Þ同一ä互換ĺĬĚsġ
構造ÞÍܺāgŒčŜċĬŀå 600 V/10 v 30 A ݸĀh
đċĜŜä入力電力 1.5 kVA äĜŜŀŕĬĞ向ÇáhÀ
求Â強ôÙܺāg
ÉĂÿä要求á応¾āÕ÷h富士電機åŋsĨIJŒč
þé 0.1 v 0.2 kW 出力ä小容量ä産業用čŜĹsĨúĞs
ĿĠĢįʼnä構築á必要àĺŘsİĹčĢú制御 IC àß
Ņ向Çá新Õá 10 A 定格Ĉ加¾Õg温度保護機能Âċij
Ĉ一ÚäĺĬĚsġá集積ÍÕ小容量 IPM}Intelligent
Ŗę温度出力äõäøäÞh過熱保護Ĉ加¾Õøää 2 種
⑴,⑵
Power Module~Ĉ製品化ÍÜÃÕg小容量 IPM åh三相
čŜĹsĨĿœĬġ回路Þ制御j保護回路Ĉ内蔵ÍhčŜ
ĹsĨ機器ä小型化Àþé省đĶá貢献ÍÜÃÕg
類¸āg
図
á小容量 IPM ä内部等価回路ä構成Ĉ示Ïg小容
量 IPM åh 低 損 失 IGBT Þ 高 速 FWD}Free Wheeling
今回h各ċŀœĚsĠŐŜáÀºÜËÿàā省đĶ化
Diode~Áÿàā三相čŜĹsĨĿœĬġ回路Ĉ絶縁金属
Ĉ 図 ā Õ ÷h 第 1 世 代 小 容 量 IPM Ĉ 継 承 Íh 薄 ď Đ s
基板上á搭載ÍܺāgÉä三相čŜĹsĨĿœĬġ回
ĸ化Þ微細化Ĉ融合ÍÕ第 7 世代 IGBT}Insulated Gate
⑶
路 ä Ŗ s Ğ č IJ ä IGBT Ĉ 駆 動 Ï ā Õ ÷ ä LVIC}Low
Bipolar Transistor~ 技 術 Ĉ ł s Ģ áh 第 2 世 代 小 容 量
Voltage Integrated Circuit~ Þh ĸ č Ğ č IJ ä IGBT Ĉ
IPM Ĉ開発ÍÕg
駆動ÏāÕ÷ä HVIC}High Voltage Integrated Circuit~
Ĉ搭載ÍܺāgôÕhĸčĞčIJäIJŒčĿ回路用á電
流制限抵抗Ĉ内蔵ÍÕ BSD}Boot-Strap-Diode~Ĉ搭載
製品概要
ÏāÉÞáþĀh少àº外付Ç部品数Ý絶縁電源Ĉ構成Ï
図
á第 2 世代小容量 IPM ä外観Ĉh 表
á製品Œč
ŜċĬŀÞ主要特性Ĉ示Ïg第 2 世代小容量 IPM åh外
āÉÞÂÝÃāg
第 2 世 代 小 容 量 IPM åh 第 1 世 代 á 対 Í Ü 大 幅 á 損
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
259（29）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ÜÀĀh省đĶŔėsä実現h出力電流ä拡大h回路基板実装時ä信頼性ÀþéĠĢįʼn設計ä自由度Â向上Íܺāg
第 2 世代小容量 IPM
表 1 製品ラインアップと主要特性
電 圧
型式名
IC
I CP
V CE（sat）
（typ.）
VF
（typ.）
10 A
30 A
1.40 V
1.40 V
温度保護機能
6MBP10XSA060-50
温度センサ出力
6MBP10XSC060-50
温度センサ出力 & 過熱保護
6MBP15XSA060-50
温度センサ出力
15 A
45 A
1.40 V
1.40 V
6MBP15XSC060-50
温度センサ出力 & 過熱保護
600 V
6MBP20XSA060-50
温度センサ出力
20 A
60 A
1.40 V
1.55 V
6MBP20XSC060-50
温度センサ出力 & 過熱保護
6MBP30XSA060-50
温度センサ出力
30 A
90 A
1.40 V
1.45 V
6MBP30XSC060-50
温度センサ出力 & 過熱保護
表 2 第２世代小容量 IPM の特性
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
NC
P
3×BSD
HVIC
U
HVIC
V
HVIC
W
項 目
第 2 世代
第 1 世代
6MBP15XSC060-50
6MBP15 VSC060-50
600 V
600 V
IC
15 A
15 A
I C（pulse）
45 A
30 A
− 40 ∼＋ 150 ℃
− 40 ∼＋ 125 ℃
1.40 V
1.80 V
E off（typ.）
0.26 mJ
0.56 mJ
V F（typ.）
1.40 V
1.65 V
480 ± 25 mV
480 ± 50 mV
温度センサ出力 & 過熱保
護（143 ± 7 ℃）
温度センサ出力 & 過熱保
護（125 ± 10 ℃）
型 式
V CE
T j（ope）
V CE（sat）（typ.）
6×IGBT
LVIC
6×FWD
N（U）
N（V）
N（W）
図 2 内部等価回路の構成
短絡保護検出
精度
温度保護
失Ĉ低減ÏāÞÞøáh動作保証温度範囲Ĉ 125 ℃Áÿ
150 ℃á拡大ÍÕgËÿáh過熱検知ŕłŔä最適化Þ過
電流検出精度ä向上áþĀhčŜĹsĨä設計自由度ä向
3 . 1 デバイス設計における特徴
上Þ動作領域ä拡大Ĉ実現ÍÕg
⑴ 低損失ĺŘsİĹčĢ設計
図
特 徴
á IGBT 断面構造ä比較Ĉ示Ïg第 7 世代 IGBT İ
ĹčĢåÉĂôÝ培ÙÜÃÕľČsŔIJĢıĬŀ}FS~
構造Ĉ基本ÞÍhËÿàā薄ďĐsĸ化Þ微細化技術Ĉ融
表
á第 2 世代小容量 IPM ä特性Ĉ示Ïg特徴å次ä
ÞÀĀݸāg
合ËÑܺāg
第 2 世代小容量 IPM 用áhÉä第 7 世代 IGBT 技術Ĉ
⑴ 低損失化áþā APF ä向上
第 7 世代 IGBT 技術ĈłsĢáÍÕ低損失İĹčĢÞ
エミッタ
IJŒčĿ能力ä最適化áþĀh大幅à低損失化Ĉ実現Íh
APF Ĉ向上ÏāÉÞÂ可能Þàāg
⑵ čŜĹsĨä設計自由度向上Þ動作領域ä拡大
動作保証温度 T j}ope~ ä高温化áþĀ許容電流Ĉ増úÏ
エミッタ
n+
p
ÉÞÂÝÃh動作領域ä拡大Â可能ÞàāgôÕhĽsĘ
ĜŕĘĨ電流ä定格Ĉ拡大Íh短絡検出Ĉ高精度áÏāÉ
ゲート
ÞÝh起動時àß瞬時á大電流Â流Ăā過負荷運転領域ä
n−ドリフト層
拡大Â可能ÞàāgÉĂáþĀh同定格áÜŘŜŒŜĘ上
n−フィールド
ストップ層
äŋsĨ容量á対応ÏāÉÞÂÝÃāg
p+ コレクタ層
⑶ 熱抵抗低減
熱伝導率Ĉ第 1 世代小容量 IPM ä約 1.5 倍á向上ËÑ
Õ高放熱ċŔňĴďʼn絶縁基板Ĉ採用Íh熱抵抗Ĉ低減Í
コレクタ
コレクタ
（a）第 7 世代 IGBT
（第 2 世代小容量
IPM に適用）
（b）第 6 世代 IGBT
（第 1 世代小容量
IPM に適用）
ÕgÉĂáþĀhġŌŜĘĠŐŜ温度ä上昇Ĉ抑制Íh低
損失化Þ合ąÑÜ許容電流Â拡大ÍÕg
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
260（30）
図 3 IGBT 断面構造
第 2 世代小容量 IPM
łsĢáIJœľı層ä比抵抗Þ厚Ëä最適化Ĉ行ºhËÿ
á FS 層äŀŖľĊčŔÞh表面ĪŌĶŔ密度Àþé配置
ä最適化Ĉ行¼ÉÞÝhV CE}sat~ 特性Þ E off 特性äıŕs
IJēľĈ改善Íܺāg
第 2 世代
小容量 IPM
17.0 Apeak
過電流
保護範囲
15.3 Apeak
á第 1 世代小容量 IPM Þä V CE}sat~特性Þ E off 特性
図
IPM モータの
減磁耐量
äıŕsIJēľä比較Ĉh図
13.6 Apeak
検出精度
0.48 V
±5 %
第 1 世代
小容量 IPM
過電流
保護範囲
0.48 V
±10 %
約 13 % 増加
áĨsŜēľ波形ä比較Ĉ
示ÏgV CE}sat~ 特性Þ E off 特性äıŕsIJēľåh第 1 世
代á対ÍhV CE}sat~ å約 25 % 改善ÍhE off å薄ďĐsĸ化
0A
áþāįsŔ電流低減áþĀ約 50 % ä低損失化Ĉ実現Í
ÕgÉĂáþĀh中間負荷時ä損失低減áþā省đĶ指標
図 6 過電流保護レベルの比較
ݸā APF ä改善Þh最大負荷時ä大幅à損失低減áþ
ā許容電流拡大Ĉ可能ÞÍÕg
3 . 2 パッケージ設計における特徴
⑵ 過電流検出精度向上
ÀÇā過電流保護ŕłŔä比較Ĉ示ÏgđċĜŜäĜŜŀ
前述ä動作保証温度 T j}ope~ Ĉ高温化Ïā上Ýh実使用
ŕĬĞÝ使用ËĂā IPM ŋsĨÝåh大出力時äŋsĨ
Ĉ考慮ÍÕĺŘsĞčĘŔ耐量àßä信頼性向上Â必要Ý
ä減磁耐量Ĉ確保Ïā必要¸āgÉäÕ÷áåh過負荷
¸āg
領域Ýä過電流保護Â重要ݸĀh動作領域Ĉ拡大ÏāÕ
ÓäÕ÷áh第 2 世代小容量 IPM Ýåh高温動作áÀ
÷áåh過電流保護ä検出æÿÚÃä精度Â大ÃÅ寄与Ï
ÇāĺĬĚsġ構成部材ä熱応力Ĉ抑制ÏāÕ÷hŘčō
āg
接合部ä熱疲労Ĉ抑制ÍÜĺŘsĞčĘŔ耐量ä向上Ĉ
第 2 世代小容量 IPM Ýåh過電流保護ä検出精度ä範
T j}ope~=150 ℃Ĉ想定ÍÕĺŘs
図ÙܺāgÉĂáþĀh
囲Ĉ第 1 世代ä 10% Áÿ 5 % á半減ÏāÉÞÝhŋsĨ
ĞčĘŔ試験}ΔT j=100 ℃~áÀºÜh15 kcycle 以上Ĉ
ä特性Ĉ限界近ÅôÝ引Ã出ÍÜh最大負荷運転時ä電流
満足Íܺāg
Ĉ約 13 % 増加ÏāÉÞÂÝÃāg
⑵ 温度上昇抑制
動作領域ä拡大á伴ºh許容電流Ĉ拡大ËÑāÕ÷áåh
ĺĬĚsġä熱抵抗Ĉ低減ÍÜĺŘsİĹčĢä温度上昇
DC
=300 V,
=
CC
B
=15 V,
C
= 定格， j=125 ℃
Ĉ抑制ÏāÉÞÂ必要ݸāg
1.2
第 1 世代小容量 IPM
図
áĺĬĚsġä断面構造Ĉ示Ïg小容量 IPM åh
端子ĚsĢá高放熱ċŔňĴďʼn絶縁基板Ĉ採用ÍÕ構造
ÞÍÜÀĀhÓä改良Ĉ行ÙÕgċŔňĴďʼn絶縁基板ä
（mJ）
0.8
低熱抵抗化Þh絶縁耐圧ä確保Ĉ両立ÏāÉÞÂ課題ݸ
off
āgÓÉÝhĺĬĚsġ熱抵抗特性ä大半Ĉ決÷āċŔň
0.4
Ĵďʼn絶縁基板内ä絶縁層ä厚õÞh絶縁耐圧Þäıŕs
第 2 世代小容量 IPM
IJēľá着目Íh最適化Ĉ行ÙÕg
ôÕh許容電流Ĉ拡大Ïāá当ÕĀh実装Ïā回路基板
äåĉÖ付Ç部ä温度上昇ä抑制ø課題ÞàāgÓÉÝh
0
0.6
0.8
1.0
1.2
（V）
CE（sat）
第 2 世代小容量 IPM åhåĉÖ付Ç部ä温度上昇Ĉ抑制
ÏāÕ÷áĺĬĚsġ内部äŘčōä発熱ĈċŔňĴďʼn
図 4 V CE（sat）特性と E off 特性のトレードオフ
=300 V,
CE
=
CC
B
=15 V,
6MBP15XSC060-50
off 0.26 mJ
IN
絶縁基板側áø放熱ËÑā構造ÞÍÕg電流通電時á発生
=5 V， C=15 A， j=125 ℃
LVIC, HVIC
6MBP15VSC060-50
off 0.56 mJ
BSD
：5 A/div
C
：100 V/div
CE
：5 A/div
C
（a）第 2 世代小容量 IPM
図 5 ターンオフ波形
IGBT
FWD
封止樹脂
：100 V/div
CE
ケース樹脂
：100 ns/div
アルミニウムワイヤ
：100 ns/div
（b）第 1 世代小容量 IPM
アルミニウム絶縁基板
銅箔
リード
端子
ワイヤ発熱の
放熱経路
リード
端子
図 7 パッケージの断面構造
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
261（31）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
áhIPM}Interior Permanent Magnet~ŋsĨá
図
⑴ 高温動作保証
第 2 世代小容量 IPM
ÏāŘčōäġŎsŔ熱ĈċŔňĴďʼn絶縁基板側á放熱
=325 V, C=4 kHz, o=200 Hz, t（dead）=2 µs, L 負荷，
=0.85, a=28℃, θf=1.0 ℃/W
ËÑāÉÞÝh温度上昇Ĉ抑制Íܺāg
DC
F
200
適用効果
150
過負荷条件áÀÇā損失Ĉ試算ÍÕ結果Ĉ示Ïg第 2 世代
小容量 IPM å第 1 世代á対Íh約 20 % 低損失化Íܺāg
ÉĂáþĀŘŜŒŜĘ上ä 1.0 kW čŜĹsĨîä適用拡
温度（℃）
áh0.75 kW ä産業用čŜĹsĨĈ想定Íh150 %
図
125
第 2 世代小容量 IPM
j（ope）
第 1 世代小容量 IPM
j（ope）
第 1 世代小容量 IPM
100
75
ジャンクション
ピーク温度
第 1 世代小容量 IPM
50
大Â可能ݸāg
第 2 世代小容量 IPM
á 600 V/15 A ä IPM Ĉ適用ÍÕ 5.6 kW 出
ôÕh 図
第 2 世代小容量 IPM
175
25
力äđċĜŜĈ想定ÍÜh各動作ŋsIJáÀÇā損失Ĉ試
プリント基板
はんだ付け
温度
0
2.5
算ÍÕ結果Ĉ示Ïg第 2 世代小容量 IPM å全負荷範囲á
5.0
7.5
10.0
12.5
出力電流（A）
15.0
17.5
á影響Ĉ与¾ā中間負荷領域áÀºÜh10% 以上損失Â
図 1 0 PWM 動作時の温度上昇の評価結果
低ºg
Ëÿáh定格j最大負荷領域áÀºÜøh20 % 以上損
100
失Â低ºäÝh15 A 定格áÀºÜŘŜŒŜĘ上ä 7.2 kW
áhđċĜŜä定常運転á相当Ïā PWM 動作時
図
ä温度上昇Ĉ評価ÍÕ結果Ĉ示Ïg第 2 世代小容量 IPM
åh低損失Þ温度上昇ä抑制á合ąÑÜ動作保証温度Ĉ拡
大}T j}ope~=150 ℃~ÍÕÉÞáþĀh許容出力電流å第
LINE：L1
ピークノイズレベル（dBµV）
đċĜŜîä適用Â可能Þàāg
80
CISPR14-1 規格値（QP）
60
40
20
80
0
500 k
62.6
損失（W）
38.2
10 M
30 M
50.2
48.0
40
1M
周波数（Hz）
60
図 1 1 5.6 kW エアコンの伝導ノイズ評価結果
rr
f
off
1 世代á対ÍÜ約 25% 拡大ÍÕg
on
ôÕh回路基板äåĉÖ付Ç部ä温度上昇ø第 1 世代Þ
20
比較ÍÜ約 20 ℃低減ÍÜÀĀh出力電流Â拡大ÏāÞÞ
sat
0
øá回路基板実装時ä信頼性Â向上Íh設計自由度ø向上
第2世代
第1世代
c=8 kHz
第2世代
第1世代
c=15 kHz
Ïāg
図
áh5.6 kW 出力äđċĜŜá実装ÍÕ場合ä伝導
ķčģä評価結果Ĉ示Ïg500 kHz Áÿ 30 MHz ôÝä周
図 8 0.75 kW 産業用インバータの損失試算結果
波数領域áÀºÜhCISPR14-1 規格ä QP}準尖頭値~ä
許容値ĈĘœċÍh前述ä損失低減Þ合ąÑÜh低ķčģ
48.7
50
40
38.0
33.8
損失（W）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ÀºÜh第 1 世代á対ÍÜ低損失ݸāg特á APF 性能
30
27.2
あとがき
rr
f
off
20
ݸāÉÞø確認Íܺāg
on
本稿Ýåh第 2 世代小容量 IPM ä特徴áÚºÜ述ïÕg
第 2 世代小容量 IPM åh第 7 世代 IGBT 技術ĈłsĢá
最適化ËĂÕ IGBT İĹčĢĈ適用ÏāÉÞáþĀ大幅à
10
0
6.5
7.4
sat
低損失化Ĉ実現ÍhĠĢįʼnä省đĶŔės化á貢献Ïā
製品ݸāgôÕh動作保証温度ä拡大Þ熱抵抗ä低減á
第2世代 第1世代 第2世代 第1世代 第2世代 第1世代
中間負荷
定格負荷
最大負荷
þĀ許容電流Â拡大ÏāgÉĂáþĀh適用容量ä拡大á
ø寄与ÍhĠĢįʼnä設計自由度Â向上ÝÃā製品ݸāg
図 9 5.6 kW エアコンの損失試算結果
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
262（32）
今後øhËÿá差別化ÍÕ製品ŒčŜċĬŀáÜhĠĢ
第 2 世代小容量 IPM
įʼn全体Ýä省đĶŔės化Ĉ実現Ïā製品Ĉ開発Íܺ
Å所存ݸāg
白川 徹
İČĢĘœsıĺŘsİĹčĢÀþé小容量 IPM
用 IGBT ĪĬŀä設計j開発á従事g現在h富士
参考文献
⑴ Yamada, T. et al.{Novel Small Intelligent Power Module
電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開発統括部İ
ĹčĢ開発部g
For RAC|proc. 2012 PCIM Asia.
⑵ 山田忠則ñÁ. čŜĹsĨđċĜŜ用小容量IPM. 富士電機
技報. 2012, vol.85, no.6, p.430-434.
小川 裕貴
⑶ T. Heinzel. et al.{The New High Power Density 7th
Generation IGBT module for Compact Power Conversion
Systems|
, Proceeding of PCIM Europe 2015,
p.359-367.
İČĢĘœsıhIC Àþé小容量 IPM äĺĬĚs
ġ開発á従事g現在h富士電機株式会社電子İĹ
čĢ事業本部開発統括部ĺĬĚsġ実装開発部g
荒木 龍
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
İČĢĘœsıĺŘsİĹčĢh小容量 IPM ä
開発á従事g現在h富士電機株式会社電子İĹč
Ģ事業本部ĺŘs半導体事業統括部İČĢĘœs
ıjIC 技術部g
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
263（33）
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
IPM 用 HVIC 技術
HVIC Technology for IPM
上西 顕寛 JONISHI, Akihiro
赤羽 正志 AKAHANE, Masashi
山路 将晴 YAMAJI, Masaharu
高耐圧äěsıIJŒčĹ IC ݸā HVIC}High Voltage Integrated Circuit~åhIPM}Intelligent Power Module~ä
高機能化Ĉ実現ÏāĖsİĹčĢä一Úݸāg富士電機åh小j中容量 IPM 向Çá高機能j小型j高信頼性Ĉ特徴ÞÏ
ā産業用 600 V/1,200 V 保証 HVIC 技術Ĉ開発ÍÕg省面積回路化hàÿéá高耐圧技術ú高ķčģ耐量ŕłŔĠľı回路
技術ä採用áþĀh20 % äĪĬŀĞčģ縮小Þ高耐圧Àþé高信頼性Ĉ同時á実現ÍÕgôÕh上ċsʼn IGBT ä過熱j
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
過電流ä保護回路技術Àþé異常通知信号äŕłŔĩďŜ機能Ĉ実現ÍÕg
A high voltage integrated circuit (HVIC), which is a gate driver IC with a high breakdown voltage, is one of the key devices required in
enhancing the functionality of intelligent power modules (IPMs). Fuji Electric has developed HVIC technology characterized by its advanced
functionality, compactness, high reliability, and guaranteed industrial use at 600 V/1,200 V for small- and medium-capacity IPM. By reducing
the circuit area and adopting high breakdown voltage technology and enhanced noise resistant level-shift circuit technology, we have reduced
the chip size by 20 % while improving the breakdown voltage and reliability. In addition, we have achieved over-current and over-heat protection circuit technology for upper-arm IGBT, as well as level-down functionality for alarm signals.
まえがき
IPM 用 HVIC の特徴
IPM}Intelligent Power Module~åhIGBT}Insulated
図 1 á 中 容 量 IPM 向 Ç á 試 作 Í Õ 1,200 V 耐 圧 保 証
Gate Bipolar Transistor~àßä電力ĢčĬĪŜę素子ú
HVIC äĪĬŀĈh図
FWD}Free Wheeling Diode~ÞÞøáhěsı駆動機
Ę図Ĉ示ÏgHVIC ä特徴åh接地電位Ĉ基準á動作Ïā
能j保護機能Ĉ備¾āIJŒčĹ IC Ĉ一ÚäĺĬĚsġá
ŖsĞčIJ回路ÞÞøáh上ċsʼn側 IGBT äĦsĢ電位
áÓä回路Àþé周辺回路ĿŖĬ
集積ÍÕ電力用半導体ŋġŎsŔݸāgIPM åhĠĢ
Ĉ基準á動作ÍÜěsı駆動機能Ĉ担¼ĸčĞčIJ回路Þh
įʼnä部品点数ä削減ú小型化h設計ä簡素化àßá貢献
制御信号äŕłŔċĬŀ機能Ĉ担¼ŕłŔĠľı回路ä
Íh産業機械hđċĜŜàßä家電製品hĞsĹ用電源機
三ÚĈ一ÚäĪĬŀá内蔵Íܺā点ݸāg上ċsʼn側
器àß幅広º用途Ý用ºÿĂܺāg
IGBT äĦsĢ電位åĢčĬĪŜęá伴ÙÜ−100 V 程度
富士電機Ýåh1986 年áĹčņsŒıŒŜġĢĨĈ用
Áÿ＋1,000 V 以上áôÝ変動Ïā可能性¸āÕ÷hĸ
ºÕ世界初ä IPM Ĉ開発ÍÕgÓĂ以降h1997 年á世界
čĞčIJ回路ÞŖsĞčIJ回路ä間áå高º分離耐圧Ĉ持
Ý初÷Ü IGBT ĪĬŀ過熱保護機能Ĉ搭載ÍÕ IPM Ĉ開
ÕÑܺāg
発ÏāàßhĠĢįʼnä高信頼性化j小型化á貢献Ïā製
⑴
HVIC ÝåhŖsĞčIJ回路á入力ËĂÕ接地電位基準
品Ĉ積極的á開発ÍÜÃܺāg2012 年áå高耐圧äěs
ä制御信号åhŕłŔĠľı回路Ĉ介ÍÜĸčĞčIJ回路
ı IJ Œ č Ĺ IC Ý ¸ ā HVIC}High Voltage Integrated
内äěsı駆動回路á伝達ËĂh上ċsʼn側ä IGBT Â駆
Circuit~Ĉ搭載ÏāÉÞáþĀh外部ä絶縁回路úŕł
動ËĂāgÉäŕłŔĠľı機能áþĀhHVIC Ĉ搭載Í
ŔĠľı回路Ĉ不要ÞÍÕčŜĹsĨđċĜŜ向Çä小容
Õ IPM Ýå上ċsʼn IGBT ä駆動ÂľĒıĔŀŒàßä
⑵
量 IPM Ĉ製品化ÍÕgËÿáh産業向Ç中容量 IPM îä
HVIC 搭載Ĉ目指ÍÜ開発Ĉ進÷ܺāg
IPM á搭載Ïā HVIC áåhIPM ä耐圧ĘŒĢá応Î
HVJT
Ü 600 V ú 1,200 V ä耐圧Â求÷ÿĂāÞ同時áhIGBT
äĢčĬĪŜęáþĀ発生Ïāķčģá耐¾ÿĂā高信頼
性ú各種保護回路ä内蔵h小型ĪĬŀĞčģÂ求÷ÿĂāg
ハイサイド回路
高耐圧n形
LDMOSFET
富士電機åh2010 年á開発ÍÕ 800 V 耐圧保証 HVIC
⑶
技術ĈłsĢáh1,200 V/100 A ĘŒĢôÝä小容量 IPM
Þ中容量 IPM 向Çáh高機能j小型j高信頼性Ĉ特徴Þ
Ïā産業用 600 V/1,200 V 耐圧保証 HVIC 技術Ĉ新Õá開
ローサイド回路
発ÍÕg本稿ÝåhÓä中äİĹčĢjŀŖĤĢ技術Àþ
é要素回路技術áÚºÜ述ïāg
図 1 1,200 V 耐圧保証 HVIC チップ
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
264（34）
高耐圧p形
LDMOSFET
IPM 用 HVIC 技術
高耐圧 CMOS ŀŖĤĢĈ開発ÍÕg素子分離áå自己分
HVIC
ハイサイド回路
VS+15 V
レベルシフト
回路
ローサイド
回路
マイコン
VCC
IN
入力・制御
AE
DC
400 V
異常通知
信号出力
レベル
アップ
レベル
ダウン
ゲート駆動
離方式Ĉ採用Íܺāg
VB
HO
上アーム
IGBT
3 . 1 分割ハイサイドウェル構造による省面積回路化
VS+5 V
図
OC
過熱・過電流
検出保護
á HVIC ä断面構造Ĉ示ÏgHVIC åŖsĞčIJ
回路Ĉ形成ÏāÕ÷äŖsĞčIJďĐŔÞhĸčĞčIJ
OH
回路Ĉ形成ÏāÕ÷äĸčĞčIJďĐŔĈ備¾ÜÀĀh
VS
ºÐĂø p 形基板上ä n 形拡散層áþĀ形成ËĂܺ
GND
下アーム
IGBT
āgĸčĞčIJďĐŔåhHVJT}High Voltage Junction
Terminationk高耐圧終端構造~áþĀŖsĞčIJďĐŔ
Þ分離ËĂÜÀĀhHVJT áþĀĸčĞčIJ回路ÞŖsĞ
VCC/GND…ローサイド回路電源端子，VB/VS…ハイサイド回路電源端子
IN…ゲート制御信号入力端子，HO…ゲート駆動出力端子
OC/OH…過熱・過電流検出端子，AE…異常通知信号出力端子
čIJ回路ä間ä高耐圧Â保ÕĂāg
⑴ 従来äĸčĞčIJďĐŔ構造ä課題
図
⒜á示ÏÞÀĀhŖsĞčIJďĐŔå各回路ä電源
電圧á対応Ïā複数ä拡散層Ý構成ËĂāäá対ÍÜhĸ
絶縁素子Ĉ用ºāÉÞàÅ行ąĂܺāg
čĞčIJďĐŔå従来ä HVIC áÀºÜ単一ä拡散層Ý
1,200 V 耐圧保証 HVIC ä特徴å次äÞÀĀݸāg
構成ËĂܺÕgÉĂå従来ä技術Ýå高耐圧Ĉ維持ÍÕ
⒜ 保証耐圧 1,200 Vh電源電圧最大 24 V 対応}従来品
ôôĸčĞčIJďĐŔĈ分割ÏāäÂ困難ݸÙÕÕ÷Ý
å保証耐圧 800 V~
¸āgÉäÕ÷ĸčĞčIJ回路å電源電圧 1 種類á限定
⒝ 上ċsʼn IGBT 用ä過熱j過電流検出保護機能ä新
ËĂh回路設計ä自由度Â低ÁÙÕg
規搭載
⑵ 分割ĸčĞčIJďĐŔ構造
⒞ 異常通知信号äŕłŔĩďŜ機能ä新規搭載
上述ä課題Ĉ解決ÏāÕ÷新Õá分割ĸčĞčIJďĐŔ
⒟ 省面積回路化ú高耐圧技術ä採用}従来品åĪĬŀ
構造Ĉ開発ÍÕg図
内ŘčōŅŜİČŜę高電位配線技術~
⒝áh分割ĸčĞčIJďĐŔ構造Ĉ
用ºÕ HVIC ä断面構造Ĉ示ÏgĸčĞčIJďĐŔÂ二
⒠ 高ķčģ耐量}dV /dt ķčģ耐量±50 kV/µs 以上~
Úä電源電圧á対応Ïā二Úä拡散層Ý構成ËĂܺāg
二Úä拡散層åhp-isolation Þ呼æĂā低濃度ä n 形拡
デバイス・プロセス技術
散層Þ p 形拡散層Áÿ成ā構造áþĀhĸčĞčIJďĐ
Ŕä高耐圧Ĉ維持ÍÕôô分離ËĂܺāgÉĂáþĀĸ
高機能j小型j高信頼性ä HVIC Ĉ実現ÏāÕ÷h新Í
čĞčIJ回路áÀºÜøŖsĞčIJ回路Þ同様áh複数ä
ºďĐŔ構造Àþé高耐圧技術Ĉ導入ÍÕ 600 V/1,200 V
電源電圧ä回路Ĉ用ºÜ回路Ĉ構成ÝÃāgÉä設計自由
15 V 系回路
GND
MV：15 V 系回路用ウェル
LV：5 V 系回路用ウェル
15 V 系回路
VS
n-
VB
GND
n-
n
VS
p
5 V 系回路
VB
n
MV
VL
VS
GND
n
p
p
MV
LV
p 形基板
p 形基板
HVJT
ハイサイドウェル
HVJT
ローサイドウェル
（a）従来構造
15 V 系回路
フィールドプレート
n
n- p- n-
MV
GND
VS
5 V 系回路
VB
VL
15 V 系回路
VS
GND
VS
5 V 系回路
VB
VL
VS
GND
n
LV
n-
p 形基板
n
n
MV
LV
n-
HVJT
ハイサイドウェル
n
p
MV
n
p
LV
p 形基板
p-isolation
p-isolation
p
HVJT
ローサイドウェル
（b）分割ハイサイドウェル構造
図 3 HVIC の断面構造
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
265（35）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
図 2 1,200 V 耐圧保証 HVIC 回路および周辺回路ブロック図
IPM 用 HVIC 技術
度ä向上áþĀh保護回路àßäĸčĞčIJ回路Ĉ従来þ
Ā接地電位基準á変換ËĂhŖsĞčIJ回路Ĉ介ÍÜŇ
Āø約 20 % 小˺面積Ý実現Íܺāg
čĜŜá伝達Ïā仕組õÞàÙܺāgŕłŔĠľı回
3 . 2 省面積セルフシールディング方式による高耐圧技術
実現Íܺāäá対ÍhŕłŔĩďŜ機能å高耐圧 p 形
路äŕłŔċĬŀ機能å高耐圧 n 形 LDMOSFET áþĀ
ŕłŔĠľı回路åŖsĞčIJ回路Áÿä信号Ĉĸč
ĞčIJ回路á伝達Ïā役目Ĉ持ÙÜÀĀhĸčĞčIJ回
LDMOSFET áþĀ実現Íܺāg
⑵ 素子構造
路Â例¾æ 400 V Ĉ基準á動作ÍܺāÞÃáåhŕłŔ
áh 今 回 新 Õ á 開 発 Í Õ 1,200 V 耐 圧 保 証
図
Ġľı回路å接地電位基準ä信号Ĉ 400 V 基準ä信号á変
p 形 LDMOSFET ä 素 子 構 造 Ĉ 示 Ïg 高 耐 圧 n 形
換ÍàÇĂæàÿàºgÉäŕłŔċĬŀ機能åh高耐
LDMOSFET Þ同様hĤŔľĠsŔİČŜę方式áþĀ
圧ä n 形 LDMOSFET}Laterally Diffused Metal-Oxide-
HVJT Þ一体化ÍÕ構造ÞàÙܺāgôÕh1,200 V 耐
Semiconductor Field-Effect Transistor~Ĉ用ºāÉÞá
圧Ĉ保証ÏāÕ÷hĩĿŔœĞsľ構造Þ呼æĂā高耐圧
áh600 V 耐圧保証 HVIC ĪĬ
構造Àþé RFP}Resistive Field Platek抵抗性ľČsŔ
þĀ実現ËĂܺāg図
ŀä n 形 LDMOSFET 部Ĉ示Ïg
IJŀŕsı~構造Ĉ採用ÍܺāgĩĿŔœĞsľ構造Þ
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
åhp 形基板hn 形拡散層h表面ä p 形拡散層áþā三層
⑴ 従来ä高耐圧 n 形 LDMOSFET
図
⒜åŘčōŅŜİČŜęĈ用ºÕ従来ä高耐圧 n
構造ÁÿàĀh高電圧印加時á n 形拡散層Þ表面ä p 形
形 LDMOSFET Ĉ用ºÕ 600 V 保証 HVIC äĪĬŀݸ
拡散層Â完全á空乏化ÏāÉÞáþĀ電界Â緩和ËĂāg
āg従来ä HVIC Ýå高耐圧 n 形 LDMOSFET ÂĪĬŀ
ôÕhRFP 構造å両端電極Ĉ高電位Þ接地電位á接続Ë
内Ý大Ãà面積Ĉ占÷ܺÕg
ĂÕņœĠœĜŜ抵抗Ĉ高耐圧領域á配置ÍhņœĠœĜ
⑵ ĤŔľĠsŔİČŜę方式高耐圧 n 形 LDMOSFET
Ŝ抵抗部áÝÃā均等à電位勾配áþĀ高耐圧領域ä電界
今回hĪĬŀĞčģĈ小型化ÏāÕ÷h省面積Ý高耐圧
Ĉ緩和ÏāgÉĂÿä構造åhHVJT Àþé高耐圧 n 形
Â実現ÝÃāĤŔľĠsŔİČŜę方式Ĉ採用Íh高耐
LDMOSFET Ýø採用Íܺāg
圧 n 形 LDMOSFET Ĉ 搭 載 Í Õh600 V 保 証 HVIC À þ
⑶ 特性
é 1,200 V 保証 HVIC Ĉ開発ÍÕg図
⒝åĤŔľĠsŔ
İČŜę方式高耐圧 n 形 LDMOSFET Ĉ用ºÕ 600 V 保
á 1,200 V 耐圧保証 p 形 LDMOSFET ä特性Ĉ示Ïg
図
⒜åēľ耐圧波形ݸāg横型素子ݸĀàÂÿ実耐
図
証 HVIC äĪĬŀݸāgĤŔľĠsŔİČŜę方式Ýåh
圧約 1,640 V Ĉ実現Íܺāg1,700 V 以下ä領域Ý見ÿĂ
高耐圧 n 形 LDMOSFET Þ HVJT Â一体Ý形成ÍÜÀĀh
āœsĘ電流åhRFP 構造Ĉ流Ăā電流áþāøäݸ
独立ÍÕ高耐圧 n 形 LDMOSFET Â必要à従来方式þĀ
āgRFP 構造ä抵抗値Ĉ最適化ÏāÉÞáþĀh高耐圧
ø素子ä占有面積Ĉ小ËÅÝÃāgÉä技術áþĀh従来
Ĉ維持ÍàÂÿ室温Ý 5 µA 以下ä低œsĘ電流Ĉ実現Í
⑷
品þĀøĪĬŀĞčģĈ 20 % 縮小ÝÃÕg
ܺāg
⒝áh出力特性波形Ĉ示Ïgěsı−ĦsĢ間電圧
図
3 . 3 レベルダウン用高耐圧素子技術
−15 VhIJŕčŜ−ĦsĢ間電圧−400 V áÀºÜIJŕč
⑴ ŕłŔĩďŜ機能
Ŝ電流 5.4 mA Â得ÿĂÜÀĀhēŜ耐圧å約 1,500 V Ĉ
試 作 Í Õ 1,200 V 耐 圧 保 証 HVIC åh 異 常 通 知 信 号 ä
⒝ä点線å開発初期á試作ÍÕ素子
実現Íܺāg図
ŕłŔĩďŜ機能Ĉ備¾ÜºāgÉĂáþĀh上ċsʼn
ä特性ݸāg−800 V 付近Ýä電流ä低下å近年発見Ë
IGBT ĪĬŀä過熱j過電流àßä異常Ĉ通知Ïā異常通
ĂÕ基板œsĘ現象áþāøäÝhÉĂáþĀēŜ耐圧Â
知信号Ĉh外部ä絶縁素子úŕłŔĠľı回路Ĉ用ºāÉ
−800 V á制限ËĂܺÕg富士電機ÝåÉä現象ä詳細
ÞàÅh外部äŇčĜŜá伝達ÝÃāg
à発生ŊĔĴģʼnĈ解明ÍhÓä結果á基ÛºÜ拡散層ŀ
ĸčĞčIJ回路内ä異常検知回路Áÿ出力ËĂÕ異常
⑸
ŖľĊčŔĈ最適化ÍÕgÉĂáþĀ基板œsĘ現象ä発
通知信号åhŕłŔĠľı回路äŕłŔĩďŜ機能áþ
ゲート
ドレイン
HVJT
高耐圧n形
LDMOSFET
ハイサイド
回路
ソース
GND
チップサイズ
20%縮小
ハイサイド
回路
ローサイド回路
（a）従来方式
ローサイド回路
（b）セルフシールディング方式
図 4 600 V 耐圧保証 HVIC チップの n 形 LDMOSFET 部
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
pp
高耐圧n形
LDMOSFET
266（36）
RFP
p
n-
p 形基板
p 形 LDMOSFET
n
HVJT
p 形 LDMOSFET
ハイサイドウェル
図 5 1,200 V 耐圧保証 p 形 LDMOSFET の素子構造
ドレインーソース間電流 -
DS
（µA）
IPM 用 HVIC 技術
40
35
ＶＢ
GS＝0
V
30
25
20
15
Ｉ
Ｎ
10
セット
信号
ＶS
高耐圧 n 形
LDMOSFET
GND
500
1,000
1,500
レベルシフト回路
2,000
（V）
DS
図 7 従来のレベルアップ用レベルシフト回路
（a）オフ耐圧波形
6
5
DS
GS＝
4
3
インピーダンス
調整回路
-15 V
プロファイル最適化前（
GS＝-5 V）
ＶＢ
-12 V
2
-9 V
1
-6 V
R
0
0
500
1,000
ドレインーソース間電圧 -
1,500
DS
-3 V
2,000
（V）
セット
信号
ラッチ
回路
S
ＶS
（b）出力特性波形
図 6 1,200 V 耐圧保証 p 形 LDMOSFET の特性
生Ĉ−1,500 V ôÝ抑制Íh高ºēŜ耐圧Ĉ実現ÍÕg
要素回路技術
リセット
信号
GND
図 8 インピーダンス変換方式レベルシフト回路
図
áhdV /dt ķčģá対Ïā耐量Ĉ高÷āÕ÷新Õ
⑹
á開発ÍÕčŜĽsĩŜĢ変換方式ŕłŔĠľı回路Ĉ示
4 . 1 高ノイズ耐量レベルシフト回路技術
ÏgŕłŔĠľı抵抗á並列áčŜĽsĩŜĢ調整用ä
⑴ 従来äŕłŔĠľı回路
MOSFET Ĉ接続ÍܺāgŒĬĪ回路ä出力状態á応Î
図
áh従来äŕłŔċĬŀ用ŕłŔĠľı回路Ĉ示Ïg
ÜhŕłŔĠľı抵抗部äčŜĽsĩŜĢĈ動的á最適化
ŕłŔĠľı抵抗Þ高耐圧 n 形 LDMOSFET Ĉ用ºÕ二
Ïā構成ݸāgÉĂáþĀ dV /dt ķčģ電流áþāŕ
組äĦsĢ接地増幅回路ÀþéĸčĞčIJ回路内äŒĬĪ
łŔĠľı抵抗Ýä電圧降下ĈĜŜıŖsŔÍh誤動作Ĉ
回路áþĀ構成Íܺāg
防止Ïāg
ĦsĢ接地増幅回路áŖsĞčIJ回路Áÿä制御信号Ĉ
入力ÏāÉÞáþĀhŕłŔĠľı抵抗áÀºÜ制御信号
á応ÎÕ電圧降下Â生ÎhŒĬĪ回路ä出力Â切Ā替ąāg
4 . 2 過熱・過電流保護回路技術
開発ÍÕ HVIC åh上ċsʼn IGBT ä過熱j過電流Á
Éä動作áþĀŖsĞčIJ回路ÁÿĸčĞčIJ回路îä信
ÿä保護äÕ÷ĸčĞčIJďĐŔ内á過熱j過電流保護回
号伝達Â行ąĂāg
路Ĉ形成Íܺāg
⑵ 従来回路ä dV /dt ķčģáþā回路誤動作
過電流検出åhIGBT á内蔵ÍÕ電流ĤŜĢ IGBT á流
従来äŕłŔĠľı回路ÝåhdV /dt ķčģá対ÍÜ誤
Ăā電流Ĉ HVIC á内蔵ÍÕĠŌŜı抵抗Ĉ用ºÜŋĴ
動作ÍúϺ޺¼課題¸ÙÕgdV /dt ķčģåh上
ĨÏāÉÞÝ行¼gôÕh過熱検出åh温度検出用ĩč
ċsʼn IGBT äĢčĬĪŜęá伴ºhĸčĞčIJ回路ä基
ēsIJä接合電圧ĈŋĴĨÏāÉÞÝ行¼g
準電位Â急激á変動ÏāÉÞáþĀ発生ÏāgÉä dV /
図
á試作ÍÕ HVIC Ĉ搭載ÍÕ 1,200 V/100 A ĘŒĢ
dt ķčģáþĀŕłŔĠľı抵抗áķčģ電流Â流ĂÜ
IPM ä過電流試験ä波形Ĉ示Ïg上ċsʼn IGBT á 260 A
電圧降下Â生ÎhŒĬĪ回路ä出力Àþé後段äěsı駆
超ä過電流Â流ĂÕ直後h過電流Ĉ示Ï異常通知信号Â出
動回路ä出力Â誤ÙÜ反転ÏāÉÞ¸ÙÕg
力ËĂhHVIC äěsı出力ÂĠŌĬıĩďŜËĂܺāg
⑶ čŜĽsĩŜĢ変換方式ŕłŔĠľı回路
過電流発生ÁÿĠŌĬıĩďŜôÝä時間å 8 µs 程度Ý
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
267（37）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
（mA）
ゲート
HO
駆動
回路
ラッチ
S 回路
リセット
信号
ドレインーソース間電圧 -
ドレインーソース間電流 -
ロー
サイド
回路
5
0
0
R
レベルシフト
抵抗
IPM 用 HVIC 技術
⑵ 山田忠則ñÁ. čŜĹsĨđċĜŜ用小容量IPM. 富士電機
技報. 2012, vol.85, no.6, p.430-434.
AE（5 V/ div）
⑶ 山路将晴ñÁ. 800 V保証HVIC技術. 富士時報. 2010, vol.83,
過電流検出
no.6, p.398-404.
シャットダウン
8 µs
過電流検出
しきい値
260 A
⑷ Yamaji, M. et al. A 600 V High- Voltage IC Technique
With a New Self - Shielding Structure for High Noise
Tolerance and Die Shrink. IEEE Trans. Electron Devices,
2015, vol.62, no.5, p.1524-1529.
C（100 A/ div）
⑸ 上 西 顕 寛 ñ Á. 1200 VĘ Œ ĢHVIC用 高 耐 圧Pch-LDMOS.
0 V，0 A
CE（250 V/ div）
C：上アーム
IGBT コレクタ電流
CE：上アーム IGBT コレクターエミッタ間電圧
AE：異常通知信号（ローアクティブ）
平成26年電気学会全国大会論文集. 2014, p.235.
⑹ Akahane, M. et al. A new level up shifter for HVICs with
high noise tolerance. Proc. ECCE-ASIA, p.2302-2309.
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
上西 顕寛
図 9 HVIC 搭載 1,200 V/100 A クラス IPM の過電流試験波
形
ĺŘs IC äİĹčĢjŀŖĤĢä研究開発á従事g
現在h富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開
発統括部İĹčĢ開発部gIEEE 会員g
¸ĀhIGBT Ĉ保護Ïā上Ý十分à高速応答Â可能ݸāg
あとがき
赤羽 正志
半導体集積回路技術ä研究開発á従事g現在h富
本稿Ýåh新Õá開発ÍÕ IPM 用 HVIC 技術áÚºÜ
士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開発統括部
İĹčĢ開発部g電気学会会員g
述ïÕgÉä技術åhIPM ä高機能化j高信頼性化Ĉ実
現Íh電力変換ĠĢįʼnä高信頼性化h小型化á寄与Ïā
øäݸāg今後ø電力変換ĠĢįʼnä価値ä向上á寄与
ÏāĺŘs IC 技術Ĉ開発ÍܺÅ所存ݸāg
山路 将晴
ĺŘs IC äİĹčĢjŀŖĤĢä研究開発á従事g
参考文献
⑴ 清水直樹ñÁ. čŜįœġĐŜıĺŘsŋġŎsŔ‡VĠ
œsģIPMˆ
. 富士時報. 2009, vol.82, no.6, p.384-388.
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
268（38）
現在h富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開
発統括部İĹčĢ開発部ĪsʼnœsĩsgIEEE
会員g電気学会会員g
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
3rd-Generation Direct Liquid Cooling Power Module for Automotive Applications
荒井 裕久 ARAI, Hirohisa
樋口 恵一 HIGUCHI, Keiichi
小山 貴裕 KOYAMA, Takahiro
富士電機åhĸčĿœĬIJ自動車Àþé電気自動車向Çá車載用第 3 世代直接水冷型ĺŘsŋġŎsŔĈ開発ÍÕg
100 kW ĘŒĢäŋsĨ容量Ĉ想定ÍÕ 750 V/800 A 定格äĺŘsŋġŎsŔݸāg車載用ĺŘsŋġŎsŔá対Ïā市
場ä要求åh高効率化Þ小型化ݸāgÉĂá応¾āÕ÷h水冷ľČŜÞĔĹsĈ一体化ÍÕďĒsĨsġŌĚĬıáþ
Ā放熱性Ĉ改善ÏāÞÞøáhåĉÖä信頼性Ĉ向上ËÑÜ連続動作温度 175 ℃Ĉ実現ÍÕgôÕhIGBT Þ FWD Ĉ一体
Fuji Electric has developed a 3rd-generation direct liquid cooling power module for hybrid and electric vehicles. The power module has
a rated capacity of 750 V/800 A, which is designed for motor capacity of 100 kW. The market for automotive application based power modules
has been requiring increased efficiency and module miniaturization. To meet these demands, we have improved exothermicity by adopting a
water jacket for integrating the cooling fins and cover while also increasing the reliability of the solder, thus enabling the module to achieve
continuous operation at 175 ℃. Furthermore, we have miniaturized the power module by adopting an RC-IGBT that integrates IGBT and
FWD.
}Reverse-Conducting IGBTk逆導通 IGBT~Ĉ使用ÍÜ
まえがき
ŋġŎsŔĈ小型化ÍÕg
地球温暖化Ĉ防止ÏāÕ÷á CO2 削減Â求÷ÿĂÜÀ
Āh電気ŋsĨÝ走行ÏāĸčĿœĬIJ自動車}HEV~
特 徴
ú電気自動車}EV~å CO2 削減á大Ãà効果¸āÞ
期待ËĂܺāgHEV ú EV á用ºÿĂāčŜĹsĨåh
車両内部ä限ÿĂÕĢŃsĢá搭載ËĂh高電力j低損失
ݸāÉÞÂ必要áàāgÍÕÂÙÜhčŜĹsĨä主要
à部品ݸā車載用ĺŘsŋġŎsŔáø小型化Þ高効率
車載用第 3 世代直接水冷型ĺŘsŋġŎsŔä特徴Ĉ次
á示ÏgôÕh主à仕様Ĉ表
á示Ïg
⒜ 高放熱性能Ĉ実現Ïā冷却技術
水冷ľČŜÞĔĹsĈ一体化ÍÕďĒsĨsġŌĚĬ
ıáþĀ放熱性Ĉ改善ÍÕg
化Â求÷ÿĂāg
富士電機åh次世代ä車載用ĺŘsŋġŎsŔÞÍÜ車
載用第 3 世代直接水冷型ĺŘsŋġŎsŔĈ開発ÍÕ}図
~
gÉäĺŘsŋġŎsŔåh最適化ËĂÕ流路İğč
ŜáþĀh従来þĀø高º放熱性能Ĉ達成ÍܺāgËÿ
áhĔĹs一体型äċŔňĴďʼnďĒsĨsġŌĚĬıĈ
採用ÏāÞÞøáh冷媒ä出入Ā口áåľŒŜġ構造Ĉ採
⒝ 連続動作温度 175 ℃ä保証
åĉÖä信頼性Ĉ向上ËÑÕg
⒞ ŋġŎsŔä小型化
IGBT Þ FWD Ĉ一体化ÍÕ RC-IGBT Ĉ適用ÍÕg
本稿ÝåhÉĂÿä特徴ä中Áÿ冷却技術Þ RC-IGBT
ä適用技術áÚºÜ述ïāg
⑴
用Íܺāgŏsğå出入Ā口á指定ä流量ä冷媒Ĉ流Ï
配慮ĈÏāÖÇÝþºg
高放熱性能を実現する冷却技術
ôÕhIGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~áå
第 7 世代äĪĬŀ技術Ĉ適用ÍÜ損失ä低減Ĉ図āÞÞ
自動車ä動力制御á用ºāčŜĹsĨå限ÿĂÕĢŃs
øáhFWD}Free Wheeling Diode~Â不要à RC-IGBT
Ģá搭載ËĂāÕ÷h小型ÁÚ搭載方法ä自由度ä高ËÞh
低燃費Ĉ意識ÍÕ軽量化Þ効率向上Â求÷ÿĂāgčŜ
冷媒出口
表 1 車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュールの主な仕様
フランジ
項 目
冷媒入口
（a）表 面
（b）裏 面
定 格
コレクタ−エミッタ間電圧
750 V
定格電流
800 A
最大動作温度
175 ℃
外 形
162 × 116 × 24（mm）
質 量
520 g
図 1 車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
269（39）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
化ÍÕ RC-IGBT ä適用áþĀhĺŘsŋġŎsŔä小型化Ĉ実現ÍÕg
車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
ĹsĨá搭載ËĂāĺŘsŋġŎsŔáÀºÜøh小型j
h k 熱伝達係数W/}m2jK~
€
軽量化h高効率化Â必要ݸĀh世代ÊÞá 20 % 以上ä
k k 熱伝導率W/}mjK~
€
小型j軽量化Ĉ行ÙÜÃÕg特áh車載用ĺŘsŋġŎs
ηk 冷媒ä粘度}Pajs~
ŔÝåh直接水冷構造Ĉ用ºÕ高放熱化úċŔňĴďʼn冷
C pk 比熱J/}kgjK~
€
却器Ĉ用ºÕ軽量化Â進ĉݺāg
L k ľČŜä代表長Ë}m~
富士電機åh放熱性能Ĉ改善ÏāÕ÷ĺŘsŋġŎsŔ
ρk 冷媒ä密度}kg/m3 ~
ä直接水冷構造áÀºÜċŔňĴďʼn冷却ľČŜä放熱性
v k 冷媒ä流速}m/s~
能Ĉ向上ËÑh熱抵抗Ĉ 30 % 低減ËÑÕg
ĠsŔ材Ĉ用ºÕ従来ä冷却構造åhďĒsĨsġŌ
3.
ĚĬıĈŏsğÂ設計Í用意ÏāÕ÷hľČŜä先端Þ
冷却技術の課題
áh 第 2 世 代 ċ Ŕ ň Ĵ ď ʼn 直 接 水 冷 型 IPM
ďĒsĨsġŌĚĬıä間áĘœċŒŜĢÂ必要ݸāg
}Intelligent Power Module~áÀÇā従来構造ä断面図Ĉ
ÉäĘœċŒŜĢÂ放熱性能á与¾ā影響áÚºÜ簡易ŋ
図
示ÏgÉä構造åhŋġŎsŔÞĻsıĠŜĘĈ直接åĉ
á設計ÏāÕ÷hĻsıĠŜĘÞďĒsĨsġŌĚĬıÂ
ľČŜ形状å厚Ë 1 mmh間隔 1 mmh高Ë 10 mm ÞÍh
冷媒å冷媒導入口á均等á 1 L/min Â流Ăāþ¼á設定Í
個別部品ÞàĀh流路設計ÖÇÝàÅh水密性Þ公差Ĉ考
Õg試算ä結果hĘœċŒŜĢÂ広Âāñß熱抵抗å上昇
慮ÍÕ設計Â必要ݸāgÓäÕ÷h座屈ú変形á耐¾ÿ
Íh悪化ÏāÉÞÂ分ÁÙÕg冷媒å圧力抵抗ä低º部分
Ăā材料ä選択úłsĢ厚Ëä確保Â必要ݸĀh熱抵抗
Ĉ流ĂāÕ÷h開口部ä広ºĘœċŒŜĢ部á流出Íh放
上昇ä要因ÞàÙܺÕgċŔňĴďʼn直接水冷構造á
熱性能á寄与ÏāľČŜ間ä流速Â低下ÏāgËÿáhŋ
ÀÇā放熱能力ä向上Þ高信頼性Ĉ同時á確保ÏāÉÞÂ
ġŎsŔÂ並列á接続ËĂāÞh冷媒流速ä低下Â顕著á
課題ݸĀhÉĂĈ解決ÏāÕ÷hĻsıĠŜĘÞďĒs
àāÉÞÂ予想ÝÃāgĻsıĠŜĘÞďĒsĨsġŌ
ĨsġŌĚĬıĈ一体化ÍÕċŔňĴďʼn冷却器Ĉ開発ÍÕg
ĚĬıĈ一体化ÍÜĘœċŒŜĢĈàÅÏÉÞåhľČŜ
⑵
間ä冷媒流速Ĉ上ÈÜ熱抵抗Ĉ下Èāäá効果的ݸāg
3 . 2 第 3 世代の冷却設計技術 図
áh車載用第 3 世代直接水冷型ĺŘsŋġŎsŔá
ĺŘsŋġŎsŔä放熱性能åh熱抵抗Þ熱伝達係数ä
採用ÍÕ新構造ä断面図Ĉ示Ïg新構造åhďĒsĨs
二ÚÝ示ÏÉÞÂÝÃāg熱抵抗Þ熱伝達係数áå式⑴ä
ġŌĚĬıÞľČŜ先端部Ĉ接合ÍÜĘœċŒŜĢĈàÅ
関係¸āg
ÏÖÇÝàÅhľČŜ形状áø工夫Ĉ加¾ÕgÉĂáþĀh
h=
1
xxxxxxxxxxxxxxxxx⑴
R th ・A
冷媒Ĉ効率þÅ活用ÝÃā冷却構造ÞÍÕgËÿáhłs
Ģá相当Ïā部分ä厚Ëø薄ÅÍܺāg
図
h k熱伝達係数W/}m2jK~
€
á熱抵抗ä比較結果Ĉ示Ïg新構造åh冷媒ä活
R thk熱抵抗}K/W~
A kľČŜ表面ä面積}m2~
半導体素子
はんだ
ôÕh熱伝達係数 h å冷媒ÞľČŜä熱交換性能Ĉ示Ïg
絶縁基板
熱抵抗Ĉ下ÈāÕ÷áåľČŜä熱交換性能Ĉ大ÃÅÏā
ÉÞÂ有効ݸĀhľČŜ表面ä流速Â速ºñß熱交換性
はんだ
能Ĉ示Ï熱伝達係数å大ÃÅàā}式⑵~
g
冷却器
hCp1/3
0.664 k#
tL
toL1/2
k
h=
#
#
xxxxxxx⑵
L
h
h
図 3 新構造の断面図
はんだ
ベース
厚さ
絶縁基板
はんだ
O リング
ウォーター
ジャケット
図 2 従来構造の断面図
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
270（40）
ヒート
シンク
クリアランス
th
（j-w）
固定ねじ
（K/W）
0.20
半導体素子
熱抵抗
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ÖÝ接合ÍܺāgďĒsĨsġŌĚĬıåŏsğÂ独自
İŔĈ用ºÜ試算ÍÕg
0.16
30%
0.12
0.08
0.04
0
図 4 熱抵抗
新構造（M653）
従来構造
車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
用Þ熱伝導性Ĉ考慮ÍÜÀĀh従来構造þĀø熱抵抗Â
CC＝430 V,
out＝460 A （ 実 効 値 ） ,
＝100 Hz, m=0.8, cosφ=±0.85
800
30 % 低減ÍÕg
sw＝10 kHz,
out
700
富士電機Ýåh750 V/800 A ĘŒĢä車載用ĺŘsŋ
ġŎsŔä開発áÀºÜh燃費向上äÕ÷ä低損失化á
加¾hŋġŎsŔä小型化ä要求á応¾āÕ÷hIGBT Þ
発生損失（W）
RC-IGBT の適用技術
FWD Ĉ一ÚäĪĬŀá統合ÍÕ 750 V 耐圧ä RC-IGBT
rr
600
off
500
400
スイッチング
損失
60 %
on
300
200
f
Ĉ開発ÍÕgRC-IGBT å家電向Çä小容量ĪĬŀÝå実
100
sat
用化ËĂܺāÂh車載用ÞÍÜ要求ËĂā大容量ĪĬŀ
0
定常損失
40 %
回生動作
力行動作
ÝåhÉĂôÝ低損失化äÕ÷ä技術的ĸsIJŔÂ高Å困
⑶
難ݸÙÕgÉÉÝå RC-IGBT ä適用áÀÇā設計技術
図 6 インバータ動作時の発生損失
要à最小限ä厚ËôÝďĐsĸĈ薄ÅÍh低損失化Ĉ図Ù
ÕgôÕhIGBT äĜŕĘĨ p 形層Þ FWD äĔĦsIJ n
4 . 1 RC-IGBT の設計技術
図
á RC-IGBT ä概略構造Ĉ示ÏgľČsŔIJĢıĬ
形層Ĉ同一ĪĬŀä裏面á形成ÍÕgIGBT Þ FWD äĢ
ŀ}FS~ 型 IGBT Ĉ ł s Ģ áh Ģ ı Œ č ŀ 状 á 交 互 á
čĬĪŜę損失åh定常損失ÞıŕsIJēľä関係á¸āg
IGBT 領域Þ FWD 領域Ĉ配置ÍÕ構造ݸāgÉäÕ÷h
ÓÉÝhĖŌœċŒčľĨčʼn制御Ĉ行ÙÜhÉäıŕs
2 ĪĬŀĈ 1 ĪĬŀáÏāÉÞÝh無効領域}ĕsIJœŜ
IJēľĈ最適化ÍÕg
ęÞ呼æĂāĪĬŀ周辺部ä耐圧保証äÕ÷ä領域~Ĉ
⑷
削減Í小型化Â実現ÝÃāgôÕhIGBT 動作時ä発熱Â
FWD 部Áÿø放熱ÍhFWD 動作時áå IGBT 部Áÿø
放熱ÏāäÝh熱抵抗Ĉ低減ÝÃā効果¸āg
750 V/800 A ĘŒĢäĺŘsŋġŎsŔä電流容量å
ŋsĨ容量áþÙÜ異àāøääh電源電圧 V cc å 400 v
4 . 2 RC-IGBT の損失改善
IGBT Þ FWD Ĉ組õ合ąÑÕ通常ä場合Þ同Î活性面
積áÀÇā RC-IGBT ä電気特性áÚºÜ述ïāg
⑴ IGBT 特性
図
áhRC-IGBT Þ通常ä IGBT ä飽和電圧出力特性
450 VhĖŌœċ周波数 f SW å 5 v 10 kHz ä範囲Ý動作Ï
Ĉ示ÏgRC-IGBT Ýåh薄ďĐsĸ化Þ表面İğčŜä
áh750 V 耐圧 RC-IGBT Ĉ
最適化áþĀh通常ä IGBT þĀø低º飽和電圧Ĉ実現Í
ĺŘsŋġŎsŔá適用ÍÕ場合äčŜĹsĨ動作時ä発
ܺāgôÕhRC-IGBT Ýå低飽和電圧領域áÀºÜ伝
生損失Ĉ示Ïg
導度変調Â起ÉĀáÅÅh電流−飽和電圧曲線áĢijĬ
āÉÞÂ一般的ݸāg図
ƒ注„
⑹
ĢčĬĪŜę周波数Â 10 kHz ôÝ高ÅàāÞĢčĬĪ
ŀĹĬĘ Â起ÉāÉÞÂ報告ËĂܺāgÓÉÝhIGBT
Ŝę損失}P onhP offhP rr~Â大ÃÅàāøäähIGBT Þ
Þ FWD ä各領域ä構造Ĉ最適化ÍÜ伝導度変調Ĉ起ÉÍ
FWD ä定常損失}P sathP f~å 40 % Þ大Ãà比率Ĉ占÷āg
úÏÅÍhĢijĬŀĹĬĘĈ抑制Ïāþ¼áÍÕg
定常損失Ĉ低減ÏāÕ÷áhIGBT 領域äıŕŜĪĽĬĪ
図
áhRC-IGBT Þ通常ä IGBT äĨsŜēľ特性Ĉ
àßİĹčĢ表面äİğčŜĈ工夫ÏāÉÞÝh定常損失
Ĉ決÷āĺŒŊsĨݸāĜŕĘĨ - đňĬĨ間飽和電圧
⑸
800
Ĉ最小限á抑¾ÜºāgôÕhĪĬŀå薄ºñß飽和電圧
700
Þ順電圧Ĉ下ÈāÉÞÂÝÃāgÓÉÝh750 V 耐圧á必
IGBT 領域
FWD 領域
電流（A）
600
RC-IGBT
500
400
300
通常 IGBT
200
n+
100
0
0
1
2
3
コレクタ−エミッタ間電圧（V）
トレンチ
図 7 IGBT の飽和電圧出力特性
フィールドストップ層
p+
n+
ƒ注„ĢijĬŀĹĬĘk電流Þ飽和電圧Â途中Ý減少ÍÕ後á増加á
図 5 RC-IGBT の概略構造
転Îā現象Ĉº¼g
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
271（41）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
Þ適用効果áÚºÜ述ïāg
車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
800
700
RC-IGBT
V CE
通常 IGBT
電流（A）
電流，電圧
600
RC-IGBT
500
400
通常 FWD
300
200
100
0
0
I CE
1
時 間
図 8 IGBT のターンオフ特性
2
3
順方向電圧（V）
図 1 0 順方向出力特性
温度
高
1.0
熱抵抗
（a.u.）
th（j-w）
通常 IGBT
ターンオフ損失
RC-IGBT
0.8
通常 IGBT
低
0.6
0.4
RC-IGBT
（IGBT 領域）
0.2
コレクタ−エミッタ間飽和電圧
0
0.001
図 9 IGBT のトレードオフ特性
0.01
0.1
1
時間（s）
10
100
（a）RC-IGBT（IGBT 領域）と通常 IGBT
1.2
温度
ä方Â通常ä IGBT á比ïÜĨsŜēľ
時ä dv /dt Â大ÃÅhĖŌœċä排出速度Â大úÉÞ
Â分ÁāgÉĂåhRC-IGBT Ýå裏面ä p 形層}IGBT
領域~Þ n 形層}FWD 領域~Â短絡ÍܺāĜŕĘĨ
ĠŐsıä状態ÞàÙܺāÉÞáþĀhĨsŜēľ時á
電子ÂĜŕĘĨ p 形層á加¾Üh隣接Ïā FWD 領域ä
ĔĦsIJ n 形層Áÿø排出ËĂāÕ÷ݸāgÉä結果h
高
1.0
（a.u.）
th（j-w）
示ÏgRC-IGBT
熱抵抗
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
1.2
RC-IGBT å通常ä IGBT á比ïÜĨsŜēľ損失Â低減
0.8
通常 FWD
0.6
低
0.4
RC-IGBT
（FWD 領域）
0.2
ËĂāgRC-IGBT Ýåh定常損失Ĉ改善Ïā方向}低飽
0
0.001
和電圧化~á調整ÍÜøh通常ä IGBT þĀøĨsŜēľ
損失Ĉ抑制ÏāÉÞÂÝÃhıŕsIJēľ特性Ĉ大ÃÅ改
0.01
0.1
1
時間（s）
10
100
（b）RC-IGBT（FWD 領域）と通常 FWD
g
善ÏāÉÞÂÝÃÕ}図 ~
⑵ FWD 特性
図
áhRC-IGBT
図 1 1 同一活性面積における熱抵抗
Þ通常ä FWD ä順方向出力特性
Ĉ 示 ÏgIGBT ä 定 常 損 失 Þ 同 様 áhRC-IGBT Ý å 薄
á熱抵抗Â低ºg直接水冷構造äŋġŎsŔĈ想定Íh同
ďĐsĸ化Àþé表面構造ä最適化ä効果áþĀh通常ä
一活性面積áÀÇā RC-IGBT Þ通常ä IGBTjFWD ä
FWD á比ïÜ順方向電圧ä降下Ĉ低減ËÑÕg
熱抵抗Ĉ比較ÍÕ}図
4 . 3 放熱特性
通常ä FWD á比ïÜ 40 % 低ÅàÙܺāg
~
gRC-IGBT ä IGBT 領域ä熱
抵抗å通常ä IGBT á比ïÜ 12 %hFWD 領域ä熱抵抗å
⑴
RC-IGBT Ý åhIGBT Þ FWD Ĉ 一 体 化 Ï ā É Þ á
þĀĪĬŀä面積ÞŋġŎsŔä面積Ĉ縮小ÍÕgôÕh
RC-IGBT áÀºÜåhFWD 領域Áÿä発熱Ĉ IGBT 領
域ä部分ø介ÍÜ放熱ÏāÕ÷h通常ä FWD þĀø大幅
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
272（42）
4 . 4 達成した性能
図
áh通常ä IGBTjFWDhÉĂÞ活性面積Â同Î
RC-IGBThÀþé
30 % 小型化ÍÕ RC-IGBT áÚºÜč
車載用第 3 世代直接水冷型パワーモジュール
2014, May 20-22, Nuremberg, p.39-46.
CC＝430 V, out＝460 A （実効値）,
m=0.8, cosφ=±0.85
sw＝10 kHz,
out＝100 Hz,
hybrid vehicle with high cooling performance and high
150
1.2
temperature operation|
. Proceedings of PCIM Europe 2014,
jmax
発生損失（a.u.）
rr
110
0.8
off
f
0.4
70
sat
0.2
0
90
on
通常
RC-IGBT
IGBT・FWD （同一活性面積）
RC-IGBT
（小型化）
IGBT T jmax（℃）
130
1.0
0.6
⑵ Gohara, H. et al.{Next-gen IGBT module structure for
May 20-22, Nuremberg, p.1187-1194.
⑶ Takahashi, K. et al. {New Reverse- Conducting
IGBT}1,200 V~with Revolutionary Compact Package|
.
Proceedings of ISPDS 2014, p.131-134.
⑷ Laska, T. et al.{The Field Stop IGBT}FS IGBT~‒A
50
New Power Device Concept with a Great improvement
30
Potential|
. Proceedings of ISPSD 2000, p.355-358.
⑸ Momota, S. et al. Plated Chip for Hybrid Vehicles. FUJI
ELECTRIC REVIEW. 2008, vol.54, no.2, p.49-51.
⑹ M, Rahimo. et al. {The Bi - mode Insulated Gate
Transistor}BIGT~A Potential Technology for Higher
ŜĹsĨ動作時ä発生損失Þ温度Ĉ計算ÍÕ結果Ĉ示Ïg
power Applications|
. Proceedings of ISPSD 2009, p.283-286.
通 常 ä IGBTjFWD á 比 ï Üh 飽 和 電 圧h 順 電 圧h
ĨsŜēľ損失Ĉ低減ÍÕÉÞÝhRC-IGBT åčŜĹs
荒井 裕久
Ĩ動作時ä電力損失Ĉ 20 % 以上低減ÝÃāg低損失化á
ĸčĿœĬIJ自動車用 IGBT ŋġŎsŔä開発á
加¾h放熱性á優ĂāäÝĪĬŀ最高温度å 28 ℃程度低
従事g現在h富士電機株式会社ĺŘđŕ機器事業
本部輸送ĺŘđŕ事業部 EV ŋġŎsŔ開発部g
減ÝÃāgŋġŎsŔäĪĬŀĞčģå動作時ä最大温度
Ý決ôāÕ÷hÉä結果åhRC-IGBT å通常ä IGBTj
FWD þĀ小˺ĪĬŀĞčģÝ同定格äčŜĹsĨ動作
Â可能ݸāÉÞĈ意味Ïāg30 % 小型化ÍÕ RC-IGBT
樋口 恵一
Ý通常ä IGBTjFWD Þ同程度ä温度ÞàÙÜÀĀhŋ
ĸčĿœĬIJ自動車用 IGBT ŋġŎsŔä開発á
ġŎsŔä面積å 15 % 低減Â可能ݸāg
従事g現在h富士電機株式会社ĺŘđŕ機器事業
本部輸送ĺŘđŕ事業部 EV ŋġŎsŔ開発部g
あとがき
車載用第 3 世代直接水冷型ĺŘsŋġŎsŔáÚºÜ
述ïÕg高放熱性能Þ連続動作温度 175 ℃Ĉ実現ÍÚÚh
RC-IGBT ä適用áþÙÜ従来á比ïÜh電流容量当ÕĀ
ä体積Ý 40％ä削減Ĉ達成ÍÕg
小山 貴裕
ĸčĿœĬIJ自動車用 IGBT ŋġŎsŔä開発á
従事g現在h富士電機株式会社ĺŘđŕ機器事業
本部輸送ĺŘđŕ事業部 EV ŋġŎsŔ開発部g
今後hËÿàā技術革新Ĉ実施Íh小型j低損失ä製品
Ĉ開発ÍܺÅ所存ݸāg
参考文献
⑴ Higuchi, K. et al.{An intelligent power module with high
accuracy control system|
. Proceedings of PCIM Europe
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
273（43）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
図 1 2 インバータ動作時の発生損失と温度の計算結果
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
車載用第 3 世代パワーモジュールのパッケージ技術
Packaging Technology of 3rd-Generation Power Module for Automotive Applications
郷原 広道 GOHARA, Hiromichi
玉井 雄大 TAMAI, Yuta
山田 教文 YAMADA, Takafumi
近年hĸčĿœĬIJ車ú電気自動車ä開発Þ普及Â加速ÍÜÀĀh燃費向上áÚàÂā小型j軽量化h低損失化ÁÚ高
出力化ÍÕĺŘsŋġŎsŔÂ求÷ÿĂܺāg富士電機åh直接水冷構造用高放熱冷却器h銅端子配線Þ電極ä超音波
接合技術Àþé析出強化Þ固溶強化Ĉ組õ合ąÑÜ複合強化ÍÕ高寿命ä新åĉÖàßĈ開発ÍÕgÉä技術Ĉ RC-IGBT
ĪĬŀĈ適用ÍÕ車載用第 3 世代ĺŘsŋġŎsŔá適用Íh高信頼性ÞľĬıŀœŜıä 30 % 削減Þ薄型化Ĉ実現ÍÕg
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
The development and popularization of hybrid and electric vehicles has been accelerating in recent years. These new vehicles demand
miniaturized, light-weight and higher-output power module in order to improve fuel efficiency. Fuji Electric has developed high heat dissipating cooling unit for direct water-cooled structures, an ultrasonic bonding technology for electrodes and copper terminal, and new long-life
solder that applies both precipitation strengthening and solid-solution strengthening. By applying these technologies, the 3rd-generation power
modules for automotive applications that utilize RC-IGBT dies achieve greater reliability, about 30 % smaller footprint and thinner structure
compared to the previous generation.
まえがき
ŜıÞÍÜ設計Íܺāg
近年h省đĶŔėsä推進Þ CO2 排出規制ä強化áþ
2 . 1 設計の高精度化
Āh自動車業界Ýå電力Ĉ動力源ÞÍÕĸčĿœĬIJ車
ĠňŎŕsĠŐŜĈ用ºÕ熱設計áÀºÜåh解析精度
}HEV~ú電気自動車}EV~ä開発Þ普及Â加速Íܺāg
Â設計ä精度á直結ÏāgÓÉÝh赤外線ĔŊŒĈ用ºÕ
HEV ú EV ä動力制御á用ºāčŜĹsĨå限ÿĂÕĢ
温度分布ä実測結果ĈĠňŎŕsĠŐŜáľČsIJĹĬĘ
ŃsĢá搭載ËĂh低燃費Ĉ意識ÍÕ軽量化Þ効率向上Â
ÍhŊĬĠŎ条件Ĉ最適化ÏāÉÞÝ解析精度Ĉ向上ËÑ
必要ݸāgôÕh電池úŋsĨä出力á合ąÑÕĺŘs
ÕgÉä改善効果Ĉ反映ÍÕ最適化ŋİŔáþā製品設計
ŋġŎsŔÂ求÷ÿĂܺāg
ä結果h熱抵抗áÀºÜ設計値Þ実測結果ä誤差å 10 %
Éä要求á応¾āÕ÷h富士電機Ýåh大幅à電力密度
ä向上Ĉ実現ÏāĺŘsŋġŎsŔä技術開発Ĉ進÷ܺ
未満Ĉ達成ÍhĠňŎŕsĠŐŜĈ用ºÕ設計Ĉ可能ÞÍ
ܺāg
āg車載用ċŔňĴďʼn直接水冷型ĺŘsŋġŎsŔÝåh
2012 年ä第 1 世代h2015 年ä第 2 世代Þ電力密度Ĉ世代
2 . 2 設計課題と性能改善
⑴
ÊÞá 20 % 以上向上Ïā製品Ĉ開発ÍÜÃÕgËÿàā
直接水冷構造ä冷却部áå二Úä構造¸āg一Úåh
高電力密度化j高出力化á対応ÏāÕ÷h第 3 世代äċŔ
ĻsıĠŜĘÞďĒsĨsġŌĚĬıÂ分離Íܺā開
ňĴďʼn直接水冷ŋġŎsŔÝåhIGBT}Insulated Gate
放型構造hø¼一ÚåhÉĂÿÂ一体化ÍÕ密閉型構造
Bipolar Transistor~Þ FWD}Free Wheeling Diode~Ĉ
ݸāg図
⑴⑵
統合ÍÕ
RC-IGBT}Reverse-Conducting
IGBTk逆導通
áhĪĬŀ温度特性Ĉ評価ÏāÕ÷äĠňŎ
ŕsĠŐŜŋİŔĈ示Ïg
IGBT~ĪĬŀĈ採用Íh冷却ľČŜáþā高放熱化Ĉ実
現ÍÕgÉĂáþĀh30 % Þº¼大幅àľĬıŀœŜı
削減Þ冷却構造ä最適化áþĀ薄型化Ĉ実現Íܺāg
チップ
ヒートシンク
本稿Ýåh車載用第 3 世代ĺŘsŋġŎsŔäĺĬĚs
ġ技術hÏàą×高放熱冷却器ä設計技術h超音波接合ä
設計技術ÀþéåĉÖ寿命設計技術áÚºÜ述ïāg
高放熱冷却器の設計技術
絶縁基板
ウォーター
ジャケット
フィン間隔
（a）開放型構造
直接水冷構造ä設計áÀºÜåh熱流体解析技術Ĉ用º
ÜÀĀh冷媒ä流ĂÞ熱ä移動Ĉ考慮ÍÕĠňŎŕsĠŐ
（b）密閉型構造
ŜĈ実施Íܺāg冷却器ä冷却性能Â冷媒流速á依存Ï
āÉÞá着目Íh限ÿĂÕ冷媒Ĉßäþ¼á流ÏÁĈņč
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
274（44）
図 1 シミュレーションモデル
クリア
ランス
車載用第 3 世代パワーモジュールのパッケージ技術
IGBT
FWD
冷媒流速
高
配線技術
アルミニウムワイヤ
ボンディング
銅ワイヤ
ボンディング
銅端子
超音波接合
ヒートシンク
銅端子
ワイヤ
ウォータージャケット
低
流速比較箇所
銅箔回路パターン
樹脂ケース
超音波接合
樹脂
ゲル
断面構造
クリアランス
ベース
はんだ
（a）開放型構造
IGBT
冷媒流速
高
FWD
冷却器
外 観
冷却器
低
通電容量
流速比較箇所
（b）密閉型構造
△
（1.0）
○
（1.7）
◎
（3.5）
図 4 配線構造
図 2 断面流速分布
熱抵抗
th（j-win）
（a.u.）
1.2
接続ËĂāg主電流ĈÚÁËßāÉä配線á超音波接合Ĉ
適用ÍÕ銅端子配線åh通電容量Â従来äċŔňĴďʼnŘ
1.0
−20 %
0.8
čō配線á対ÍÜ約 3.5 倍ÞàĀh実装面積ä削減áÚà
ÂÙÕg
0.6
3 . 1 パワーモジュールにおける端子の超音波接合
0.4
図
0.2
á超音波接合ä概要Ĉ示Ïg超音波接合åh超音波
振動Þ圧力áþÙÜ接合面ä表面酸化膜Ĉ破Āh金属面同
0
開放型構造
密閉型構造
士Â接触j拡散Ïā固相拡散接合ݸĀh溶融点以下ä温
度Ý母材同士Ĉ接合ÏāÉÞÂÝÃāgÉä超音波接合á
þÙÜh絶縁基板回路上ä銅回路ĺĨsŜá銅端子Ĉ接合
図 3 熱抵抗
材料Ĉ介ËÐá直接接合Íh電流経路Ĉ形成Ïāg
開放型構造åhO œŜęúĕĢĚĬıÝĻsıĠŜĘ
超音波接合部ä金属組織áÚºÜh銅端子h接合部h銅
ÞďĒsĨsġŌĚĬıĈ密閉ÏāgÓäÕ÷hÀäÀä
回路ĺĨsŜä断面Ĉ走査型電子顕微鏡}SEM~Ý観察
ä設計公差ú熱変形Ĉ考慮ÍÜľČŜ先端ÞďĒsĨs
g超音波接合部åh加工硬化áþĀ銅端子þ
ÍÕ}図 ~
ġŌĚĬıÞä間áĘœċŒŜĢĈ設Çā必要¸āgÉ
Āø微細à組織}結晶粒径~áàÙܺāg強度å結晶Ğ
äĘœċŒŜĢáþĀ冷媒Â流Ăā流路断面積Â広ÂĀh
čģá依存Íh微細àñß高º強度Â得ÿĂā傾向¸Āh
ľČŜÞľČŜä間隔þĀøĘœċŒŜĢÂ大ÃÅàāÞh
結晶Ğčģä違ºÂ寿命予測精度Ĉ低下ËÑā恐øāg
ľČŜ間ä通水抵抗å相対的á増加ÏāÉÞÁÿľČŜ間
ÓÉÝh超音波接合部ä結晶粒Â微細ݸāÉÞĈ考慮Íh
流速Â低下Íh冷却性能å低下Ïāg一方h密閉型構造åh
実機áþĀ近º端子形状äįĢıĽsĢĈ用ºÜ銅端子ä
ĻsıĠŜĘÞďĒsĨsġŌĚĬıÂ一体áàÙܺā
金属固相拡散接合部ä寿命予測技術Ĉ確立ÍÕg
äÝh開放型構造äþ¼àĘœċŒŜĢÂàºg
図
áĠňŎŕsĠŐŜÝ得ÿĂÕ断面流速分布Ĉ示Ïg
開放型構造ÝåhĘœċŒŜĢá冷媒Â流出Ïāäá対Íh
密閉型構造ÝåĘœċŒŜĢÂàºäÝ流速分布Âñò均
一ÞàĀh流速å約 2 倍ôÝ上昇Ïāg図
á開放型構造
3 . 2 疲労試験と寿命予測の検討
超音波接合部Ĉ評価ÏāÕ÷ä銅端子部寿命評価ŋİŔ
}図 ~Ĉ作製Íh負荷Ĉ繰Ā返Í与¾ā疲労試験Ĉ行ÙÕg
ôÐh適用製品ä変形ĈľŔŋİŔ解析Ý求÷h銅端子部
Þ密閉型構造áÀÇā熱抵抗ä比較Ĉ示Ïg密閉型構造åh
ĻsıĠŜĘä薄化áþā効果Þ併Ñh開放型構造á比ï
⑶
圧力
Ü熱抵抗Â 20 % 低減Ïāg
接合装置
超音波接合の設計技術
車載用ĺŘsŋġŎsŔä電流密度ä上昇á伴ºhĺ
ŘsŋġŎsŔ内部áÀÇā配線容量ä増大Þ配線đœċ
振動
銅端子
金属面で接触
銅箔回路
パターン
絶縁基板
はんだ
冷却器
固相拡散
ä省ĢŃsĢ化Â求÷ÿĂܺāg
図
áh従来äċŔňĴďʼnŘčō配線構造h銅Řč
図 5 超音波接合の概要
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
275（45）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ō配線構造h銅端子配線構造ä比較Ĉ示Ïg端子ĚsĢ内
á成型ËĂÕ銅端子Þ絶縁基板上ä銅ĺĨsŜåh配線Ý
車載用第 3 世代パワーモジュールのパッケージ技術
0.1
銅端子
全ひずみ（%）
銅端子
（超音波接合）
接合部
20 µm
銅回路パターン
0.01
銅材試験片
（C1100）
0.001
102
103
104
105
106
繰返し試験回数
図 6 超音波接合部の断面 SEM 像
図 8 銅材試験片と銅端子の疲労寿命曲線
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
固定治具
能ݸāÉÞĈ確認ÍÕg
変位方向
はんだ寿命設計技術
銅端子
動作保証温度Ĉ拡大ÏāÉÞÝhŋġŎsŔå高電力密
絶縁基板
度化á対応ÏāÉÞÂÝÃāg一方hŋġŎsŔå動作温
度範囲ä拡大áþĀŋġŎsŔä最ø故障ÍúϺ箇所Ý
はんだ
¸ā絶縁基板ä下äåĉÖä寿命ø低下Ïāg従来äåĉ
アルミニウム板
Öåh熱時効 áþā物性変化Â強度Ĉ低下ËÑh寿命Â
ƒ注„
低下ÏāgôÕhÉä熱時効ä影響Ĉ受ÇāåĉÖåhĜ
ľČŜŇŜĦŜ則áþā寿命設計ÖÇÝå精度Â得ÿĂÐh
図 7 銅端子部寿命評価モデル
設計Â複雑áàāgÉĂÿá対応ÏāÕ÷h高温下áÀÇ
á発生Ïā負荷方向Ĉ確認ÍÕgÉä負荷方向á一致Ïā
強制変位Ĉ条件ÞÍÜh要素ŋİŔáþā応力ĠňŎŕs
ĠŐŜÞ実機áþā疲労試験Ĉ行ÙÕg
応力ĠňŎŕsĠŐŜä結果Áÿh銅端子ä接合界面á
局所的à応力Â発生ÏāÉÞĈ確認ÍÕgôÕh端子部ä
ā強度低下Ĉ抑制Ïā新åĉÖĈ開発ÍÕg
図
á構成Ĉ示ÏįĢıĽsĢĈ用ºÜh従来äåĉÖ
Þ新åĉÖä比較評価Ĉ行ÙÕg評価結果ÞÍÜh図
áĘŒĬĘ進展速度Ĉh図
åĉÖ組織ä SEM 像Ĉh図
疲労試験ä結果Áÿh発生Ïā応力áþÙÜ接合界面á
ÍÕ後ä引張強度Ĉ示Ïg
沿ÙÜĘŒĬĘÂ進展Íh接合界面Ý破断ÏāÉÞĈ確認
⑴ 従来äåĉÖ
á温度ĞčĘŔ試験前後ä
á 175 ℃Ý 1,000 時間加熱
ÍÕgĠňŎŕsĠŐŜÞ疲労試験ä結果áÀºÜ破壊ä
従来äåĉÖ}Sn-Ag 系åĉÖ~åh温度ĞčĘŔá
起点Â一致ÏāÉÞÁÿhÉĂÿä結果Ĉ基á寿命予測方
ÀÇā温度変化量ΔT ä増大á伴ÙÜĘŒĬĘ進展速度Â
法Ĉ検討ÍÕg
応力解析Áÿ算出ÍÕ全èÐõĈ縦軸áh端子Â破断Í
Õ際ä繰返Í試験回数Ĉ横軸áÞĀh銅端子Þ銅材試験片
ä疲労寿命曲線Ĉ得Õ}図 ~
g銅材試験片åh一般的à
絶縁基板
銅材}C1100h1/2H~ĈĩŜłŔä形状á加工ÍÕøäÝ
¸āg寿命予測áåÉä疲労寿命曲線Ĉ使用ÏāÉÞÂ一
般的ݸāÂh超音波接合Ĉ行ÙÕ銅端子Þ銅材試験片Ý
はんだ
クラック
åh疲労寿命曲線ä傾ÃÂ一致ÍܺàºÕ÷使用ÝÃà
はんだ
冷却器
ºg傾ÃÂ一致Íàºäå接合部ä結晶粒ĞčģÂ異àā
⑷
ÉÞá起因ÏāÞ考¾ÿĂāgÓÉÝh実製品áÚºÜ疲
労試験Ĉ行ºh要素ŋİŔä寿命疲労曲線ä妥当性Ĉ検証
ÍÕg
実製品áÀÇā寿命評価結果Ĉ疲労寿命曲線Þ照ÿÍ合
図 9 テストピースの構成
ąÑÕ結果h超音波接合Ĉ行ÙÕ銅端子ä疲労寿命曲線上
áh実製品ä寿命評価結果Â一致ÏāÉÞÂ分ÁÙÕg端
子部寿命評価ŋİŔĈ用ºÕ場合á接合界面Ý破断Ïā破
壊ŋsIJÂ再現Íh試験結果Þ合¼ÉÞÁÿ寿命推定Â可
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
276（46）
ƒ注„時効k時間ä経過á伴º金属ä性質}例¾æh硬Ëàß~Â変
化Ïā現象Ĉº¼g
車載用第 3 世代パワーモジュールのパッケージ技術
絶縁基板下はんだクラック進展速度
（µm/cycle）
⑵ 新åĉÖ
80
Sn-Ag 系はんだ
70
60
Sn-Ag 系åĉÖÂΔT ä上昇á伴ÙÜ Sn ŇıœĘĢÂ
粗大化Ïāäá対ÍÜhSn-Sb 系åĉÖå Sb Â固溶Ïā
⑹
ÉÞÝ Sn ŇıœĘĢä粗大化Â抑制ËĂāgÉä固溶強
50
化á加¾h従来ä析出強化Ĉ組õ合ąÑÕ新åĉÖåh高
40
温áËÿËĂÕ場合Ýø Sn-Ag 系åĉÖá比ïÜ強度ä
30
低下Â小ËÅh高º強度Ĉ維持ÍܺāÉÞÂ特徴ݸā
20
新はんだ
10
0
120
140
160
180
200
}図
220
~
g
新åĉÖäĘŒĬĘ進展速度åhΔT ä上昇á対ÍÜ変
化å小ËÅh加速度的ÝàÅñò線形á増加ÏāgÉäÕ
Δ （℃）
温度サイクル試験温度幅 ÷hĜľČŜŇŜĦŜ則Ĉ使ÙÕ寿命予測技術ÂÓäôô
図 1 0 はんだのクラック進展速度
適用ÝÃh予測精度ä向上Þ信頼性ä向上Ĉ両立ÏāÉÞ
ÂÝÃāgôÕh新åĉÖåhΔT Â 190 ℃á上昇ÍÕ場
Sn-Ag 系はんだ
試験後
Sn
ā高温化Â可能áàā}図
~
g
Sn
あとがき
Ag3Sn
車載用第 3 世代ĺŘsŋġŎsŔäĺĬĚsġ技術áÚ
ºÜ述ïÕg原理á基ÛÅ評価á加¾h実機ÞĠňŎŕs
ĠŐŜä整合性Ĉ高÷āÉÞÝ高精度à設計技術Ĉ構築Í
新はんだ
ÕgÉä設計技術Ĉ駆使Íh要素技術ä向上h製品開発期
Sn
Sn
間ä短縮Ĉ進÷ܺÅ所存ݸāg
参考文献
⑴ 郷原広道ñÁ. ĸčĿœĬIJ車用čŜįœġĐŜıĺŘs
Sn-Ag 系はんだ：−40/150 ℃ 500 サイクル後
新はんだ：−40/150 ℃ 2,000 サイクル後
ŋġŎsŔ. 富士電機技報. 2013, vol.86, no.4, p.258-262.
⑵ Gohara, H. et al.{Next-gen IGBT module structure for
図 1 1 はんだ組織の SEM 像
hybrid vehicle with high cooling performance and high
temperature operation|Proceedings of PCIM Europe 2014,
May 20-22, Nuremberg, p.1187-1194.
引張強度（MPa）
100
⑶ Nishimura, Y. et al.{Power Module Technology for automotive power-electronics|Proceedings of APE 2015, April
80
14-15, Paris.
初期
60
⑷ 玉井雄大ñÁ.{IGBTŋġŎsŔ用ä端子超音波接合技術
175 ℃保持後
ä開発|第29回đŕĘıŖĴĘĢ実装学会春季大会, ĞsŇ
40
ŔŇĶsġŊŜı&ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ実装⑷, 18B3-3h
20
0
p.492-494.
⑸ Momose, F. et al. {The New High Power Density
Sn-Ag 系はんだ
（析出強化）
Sn-Sb 系はんだ
（固溶強化）
新はんだ
（複合強化）
Package Technology for the 7th Generation IGBT Module|
,
Proceedings of PCIM Europe 2015, May 19-21, Nurembergh
図 1 2 はんだの引張強度
p.772-778.
⑹ 玉井雄大ñÁ.{高強度åĉÖ材料ä車載用直接冷却ĺŘs
加速度的á増加Ïā}図
~
gåĉÖ組織ä SEM 像Ĉ観
察ÏāÞh試験前åhSn ŇıœĘĢä粒界á金属間化合
物Â析出ÍÜĶĬıŘsĘĈ形成Íܺā}図
ŋġŎsŔîä適用|第25回 ŇčĘŖđŕĘıŖĴĘĢĠŜ
ņġďʼn 秋季大会, MES2015,‹2 A1ŒĺŘđŕ-2, No.1.
~
g試験
後åhÉä金属間化合物äĶĬıŘsĘÂ消失ÍhAg3Sn
相Â析出Í Sn ŇıœĘĢÂ粗大化Íܺāg温度ĞčĘ
ŔáþÙÜhåĉÖ組織Â熱劣化Í強度低下Ĉ起ÉÏÕ÷h
ΔT ä上昇á伴ÙÜĘŒĬĘ進展速度Â大ÃÅàÙܺÅ
⑸
Þ考¾ÿĂāg
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
277（47）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
合áÀºÜø Sn-Ag 系åĉÖä 1/5 以下ݸĀhËÿà
試験前
車載用第 3 世代パワーモジュールのパッケージ技術
郷原 広道
ĺŘs半導体ĺĬĚsġä研究開発á従事g現在h
富士電機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究
富士電機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究
所次世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発
所次世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発
部g日本機械学会会員g
部gđŕĘıŖĴĘĢ実装学会会員g
玉井 雄大
ĺŘs半導体ĺĬĚsġä研究開発á従事g現在h
富士電機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究
所次世代ŋġŎsŔ開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発
部gđŕĘıŖĴĘĢ実装学会会員g
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
278（48）
山田 教文
ĺŘs半導体ĺĬĚsġä研究開発á従事g現在h
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
特集
車載用 RC-IGBT
RC-IGBT for Automotive Applications
吉田 崇一 YOSHIDA, Soichi
野口 晴司 NOGUCHI, Seiji
向井 弘治 MUKAI, Koji
地球温暖化防止àßä環境保護ä観点ÁÿhCO2 排出量Ĉ低減ÏāÕ÷áĸčĿœĬIJ車ú電気自動車ä普及Â進ĉÝ
ºāgÉĂÿä自動車Ýåh燃費向上äÕ÷á車載半導体素子ä低損失化ÀþéčŜĹsĨä小型化Â求÷ÿĂܺāg
富士電機åhÉĂá応¾Ü IGBT Þ FWD Ĉ 1 ĪĬŀ化ÍÕ RC-IGBT ä製品化Ĉ進÷ܺāg今回h車載用 RC-IGBT á
ÀºÜhıŕŜĪěsı間隔ä最適化hľČsŔIJĢıĬŀ層ä最適化hŒčľĨčʼn制御ä最適化ä改良Ĉ行ÙÕgÉ
The number of hybrid electric vehicles and electric vehicles in use on the road has been increasing as a measure to reduce CO2 emissions in order to protect the environment from phenomena such as global warming. In order to improve fuel efficiency for these types of
vehicles, they need to reduce loss in mounted semiconductor devices, while also decreasing the size of the inverter. To meet these needs, Fuji
Electric has been working to develop an RC-IGBT that integrates an IGBT and FWD into one chip. Moreover, we have optimized trench gate
spacing, a field stop layer and lifetime control for the RC-IGBT for automotive applications. As a result, the inverter achieves an about 20 %
reduction in generated loss during the operation compared to using conventional RC-IGBTs for automotive applications.
まえがき
IGBT 領域
FWD 領域
地球温暖化ä防止àßä環境保護á対Ïā意識Â世界的
á高ôā中hCO2 排出量Ĉ低減ÏāÕ÷áđŜġŜÞŋs
n+
Ĩä双方Ĉ利用ÏāĸčĿœĬIJ車}HEV~
hËÿáå
ŋsĨäõÝ駆動Ïā電気自動車}EV~ä普及Â進ĉÝ
トレンチ
ºāg
富 士 電 機 åhHEV ú EV ä 燃 費 向 上 ä Õ ÷ ä 車 載 半
フィールドストップ層
導体素子ä低損失化ÀþéčŜĹsĨä小型化ä要求á
応 ¾ ā Õ ÷hIGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~
Þ FWD}Free Wheeling Diode~Ĉ 1 ĪĬŀ化ÍÕ
p+
n+
RC-
IGBT}Reverse-Conducting IGBTk逆導通 IGBT~Ĉ開
図 1 RC-IGBT の概略構造
発ÍÕgRC-IGBT å家電向Çä小容量ĪĬŀÝå既á実
áh
用化ËĂܺāÂh車載用ä大容量äĪĬŀÝå低損失化
þā特性îä悪影響Â出àº範囲Ý決定Íܺāg図
äÕ÷ä技術的ĸsIJŔÂ高Åh実用化ÂàÁàÁ困難Ý
HEV 向ÇčŜĹsĨáÀÇā発生損失ä構成例Ĉ示Ïg
⑴
¸ÙÕg富士電機åÉä技術的ĸsIJŔĈ乗Ā越¾hŇč
ŔIJĸčĿœĬIJ車用 RC-IGBT áÜ低損失äĪĬŀĈ開
⑵⑶
発生損失å電流ĈēŜ−ēľËÑā際á発生ÏāĢčĬĪ
Ŝę損失}P onhP offhP rr~Àþé IGBT Þ FWD ä定常損
失}P sathP f~áþÙÜ決ôāgHEV ä燃費Ĉ低減ÏāÕ
発ÍÕg
今回hŇčŔIJĸčĿœĬIJ車用 RC-IGBT}従来型
RC-IGBT~ Ĉ 改 良 Íh þ Ā 低 損 失 化 Í Õ 車 載 用
RC-
÷áåh定常損失ä低減Â必須ݸāgÓÉÝh改良型
RC-IGBT Ýå定常損失ä低減Ĉ主目的ÞÍÕ設計Ĉ行Ù
IGBT}改良型 RC-IGBT~Ĉ開発ÍÕg改良型 RC-IGBT
åhľŔĸčĿœĬIJúŇčŔIJĸčĿœĬIJàßŋsĨ
ä各駆動方法á対応ÏāÉÞÂÝÃāg
課題と対策
図
á
RC-IGBT
ä概略構造Ĉ示ÏgHEV 向Çä
RC-
発生損失
rr
off
スイッチング
損失
on
f
IGBT åh 富 士 電 機 Ý 量 産 Í Ü º ā ľ Č s Ŕ IJ Ģ ı Ĭ
定常損失
⑷
ŀ}FS~型 IGBT ĈłsĢÞÍhĢıŒčŀ状á IGBT
sat
ŏĴĬıÞ FWD ŏĴĬıĈ交互á配置ÍÕ構造ݸāg
IGBT ŏĴĬıÞ FWD ŏĴĬıä大ÃËåh相互干渉á
図 2 インバータの発生損失の例
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
279（49）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ĂáþĀh従来ä車載用 RC-IGBT Ĉ適用ÍÕ場合á比ïÜčŜĹsĨ動作時ä発生損失Ĉ約 20% 低減ÍÕg
車載用 RC-IGBT
Õg損失Ĉ低減ÏāÞ素子ä発熱Ĉ抑制ÝÃāÕ÷h素子
150
IGBT Ý åhIE}Injection Enhancedk 電 子 注 入 促 進 ~
効果Þ呼æĂā現象áþĀhIJœľı層中á少数ĖŌœċ
}n ĪŌĶŔ IGBT ä場合åńsŔ~Ĉ蓄積ÏāÉÞÝ飽
和電圧 V CE}sat~Ĉ低減Íh導通損失Ĉ低減ÝÃāÉÞÂ知
ÿĂܺāgIE 効果Ĉ高÷ā効果的à方法ä一Úåh素
子表面á形成ÏāıŕŜĪěsıä間隔Ĉ微細化ÏāÉÞ
改良型 RC-IGBT
100
c
⑴ IE 効果ä利用áþā導通損失ä低減
コレクタ電流密度
āg改良型 RC-IGBT åh次á示Ï改良Ĉ行ÙÕg
（A/cm2）
Ĉ小ËÅÍÜ IGBT ŋġŎsŔúčŜĹsĨÂ小型化ÝÃ
50
従来型 RC-IGBT
ݸāg改良型 RC-IGBT Ýåh従来型 RC-IGBT á対Í
0
0
ÜıŕŜĪěsıä間隔Ĉ最適化ÏāàßhIE 効果Ĉþ
0.5
1.0
1.5
コレクタ−エミッタ間電圧
2.0
（V）
CE
Ā高÷ā改良Ĉ行ÙÕg
ĪĬŀ厚å薄ºñß飽和電圧Àþé順電圧Ĉ抑制ÍÜ定
常損失Ĉ低減ÝÃāÕ÷hÝÃāÖÇ薄º方Â望ôͺg
ÍÁÍàÂÿhĪĬŀ厚Ĉ薄ÅÏāÞ IGBT Àþé FWD
改良型 RC-IGBT
従来型 RC-IGBT
äĢčĬĪŜęēľ動作時á発振現象Â生ÎúÏÅàāÕ
÷h従来型 RC-IGBT Ýå十分à薄ďĐsĸ化ÂÝÃܺ
ÞÝhIGBThFWD Þøá発振Ĉ抑制ÝÃāþ¼áàĀh
薄ďĐsĸ化Â可能ÞàÙÜ導通損失ä低減Ĉ実現ÍÕg
ce
電流，電圧
àÁÙÕg改良型 RC-IGBT ÝåhFS 層Ĉ最適化ÏāÉ
ôÕhFS 層ä最適化áþĀ高温ÝäĜŕĘĨ−đňĬĨ
間漏Ă電流 I CES ä低減ø同時á可能ÞàÙÕg
⑶ ŒčľĨčʼn制御áþā導通損失ÞĢčĬĪŜę損失
c
ä低減
0
ŒčľĨčʼn制御Ĉ最適化Ïā改良Ĉ加¾hIGBT ä導
0.5
1.0
1.5
時間（µs）
通損失Àþé FWD äĢčĬĪŜę損失Ĉ低減ÍÕgôÕh
高温áÀÇā I CES Â低減ÍÜ高温特性ä改善áøÚàÂÙ
図 4 IGBT のターンオフ特性
Õg
g
ÉÞáþĀhıŕsIJēľ特性Â大ÃÅ改善ÍÕ}図 ~
ĨsŜēľ損失áÚºÜå従来型ä損失Ĉ 1 ÞÍÜ規格化
損失特性
ÍÕ数値ÞÍܺāg
図
3 . 1 電気的特性
áĚsĢ}ĺĬĚsġ~温度 T C=150 ℃ä高温条件
RC-IGBT å IGBT Þ FWD Ĉ 1 ĪĬŀ化ÍÕøäݸ
下Ýä I CES 特性Ĉ示ÏgFS 層ä最適化ÀþéŒčľĨč
ä IGBT 特性Þ FWD 特性áÚº
ʼn制御ä最適化ä結果h改良型 RC-IGBT å従来型 RC-
Āh本節Ýå
RC-IGBT
Ü述ïāg
⑴ IGBT 特性
章Ý述ïÕ工夫áþĀ従来型 RC-IGBT þ
Āø飽和電圧Â低ºg
á IGBT ä Ĩ s Ŝ ē ľ 特 性 Ĉ 示 Ïg 改 良 型
RC-
IGBT ä波形åh従来型 RC-IGBT ä波形á比ïÜĨsŜ
ēľ時äįsŔ電流Â小ËÅhĨsŜēľ時間ø短ºäÝh
ĨsŜēľ損失Â低減ÍܺāÉÞÂ分ÁāgÉĂåh改
良型 RC-IGBT Ýå飽和電圧Ĉ低下ËÑÜhĜŕĘĨ部ä
（a.u.）
IGBT Ýåh
図
2.0
á IGBT ä飽和電圧出力特性Ĉ示Ïg改良型 RC-
1.5
従来型 RC-IGBT
off
図
ターンオフ損失
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
図 3 IGBT の飽和電圧出力特性
⑵ 薄ďĐsĸ化áþā導通損失ä低減
1.0
改良型 RC-IGBT
0.5
不純物濃度Ĉ最適化ÍÕ結果ݸāgôÕhĨsŜēľ時
ä発振現象áÚºÜøhĜŕĘĨ部ú FS 層àßĈ最適化
ÏāÉÞáþĀ抑制Íܺāg
0
1.0
1.2
1.4
Éäþ¼áh改良型 RC-IGBT ÝåhĨsŜēľ損失Ĉ
低減ÍÜø低飽和電圧Â維持ÝÃāÞº¼特長Ĉ生ÁÏ
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
280（50）
1.6
コレクタ−エミッタ間電圧
図 5 IGBT のトレードオフ特性
1.8
CE
（V）
2.0
車載用 RC-IGBT
RC-IGBT Ýåh薄ďĐsĸ化ÍÜøĦľıœĔĹœs特
10−2
（A）
性ÞàÙÜ逆回復Ğsġ電圧Â低減ÝÃāþ¼áhFS 層
コレクタ−エミッタ間漏れ電流
CES
ä最適化ÀþéŒčľĨčʼn制御ä最適化Ĉ行Ùܺāg
従来型 RC-IGBT
図
áĨsŜēŜ時ä特性Ĉ示Ïg図
⒜ä逆回復Ğs
ġ電圧å電源電圧Ĉ 1 ÞÍÜ規格化ÍÕ数値ݸāgĨs
ŜēŜ di /dt Þ逆回復Ğsġ電圧ä関係ÀþéĨsŜēŜ
10−3
di /dt ÞĨsŜēŜ損失ä関係Áÿ分Áāþ¼áh改良型
RC-IGBT Ýå高速ĨsŜēŜ時áÀºÜ逆回復Ğsġ電
圧Ĉ抑制ÍܺāgĨsŜēŜ時äĢčĬĪŜę速度ä向
改良型 RC-IGBT
上åĨsŜēŜ損失ä改善á効果的ݸĀhþĀ低ºěs
ı抵抗Ý駆動ÏāÉÞÝ高速ĢčĬĪŜę時äĨsŜēŜ
10−4
コレクタ−エミッタ間電圧
損失Ĉ低減ÍÕg
CE
図
áhFWD á À Ç ā 順 方 向 電 圧 Þ 逆 回 復 損 失 +
ĨsŜēŜ特性å同Î過渡期間ä現象ݸĀh電圧分担比
IGBT á対ÍÜ 30 % 以下á低減Íܺāg
ä違ºÝ逆回復損失ÞĨsŜēŜ損失ä大ÃËÂ決ôāÕ
⑵ FWD 特性
÷h縦軸å合算ÍÕ損失ÞÍܺāgôÕh従来型ä損失
á FWD ä順方向特性Ĉ示Ïg改良型 RC-IGBT Ý
図
åh従来型 RC-IGBT á対ÍÜ薄ďĐsĸ化ä効果áþĀh
čĬĪŜę化áþāĨsŜēŜ損失ä低減áþĀhıŕs
順方向電圧ä降下Ĉ低減ËÑÕg
á逆回復動作時äĢčĬĪŜę波形Ĉ示Ïg改良型
図
Ĉ 1 ÞÍÜ規格化ÍÕ数値ÞÍܺāg薄ďĐsĸ化áþ
ā順方向電圧ä降下á伴¼損失ä低減hàÿéá高速Ģ
IJēľ特性Ĉ改善ÍÕg
1.3
（a.u.）
改良型 RC-IGBT
100
逆回復サージ電圧
rp
順方向電流密度
a
（A/cm2）
150
50
従来型 RC-IGBT
0
0
0.5
1.0
順方向電圧
1.5
従来型 RC-IGBT
1.2
1.1
2.0
改良型 RC-IGBT
（V）
ak
1.0
1
2
3
4
ターンオン d /d （kA/µs）
図 7 FWD の順方向特性
（a）ターンオン d /d と逆回復サージ電圧
1.6
1.4
（a.u.）
改良型 RC-IGBT
従来型 RC-IGBT
ターンオン損失
電流，電圧
on
r
a
1.0
0.8
0.6
1
時間（µs）
図 8 逆回復動作時のスイッチング波形
2
改良型 RC-IGBT
0.4
0.2
0
1
0
従来型 RC-IGBT
1.2
2
3
4
ターンオン d /d （kA/µs）
（b）ターンオン d /d とターンオン損失
図 9 ターンオン時の特性
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
281（51）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ĨsŜēŜ損失äıŕsIJēľ特性Ĉ示Ïg逆回復特性Þ
図 6 I CES 特性（T c=150 ℃）
車載用 RC-IGBT
à発展Â見込ôĂāgÓä中Ýh車載機器ä小型化ä重要
性ÂËÿá増ÏÞ考¾ÿĂhÉĂĈ実現Ïā RC-IGBT å
非常á効果的ݸāÞ考¾āg今後øhİĹčĢä改善ú
従来型 RC-IGBT
新材料äİĹčĢä開発àßáþĀ貢献ÍܺÅ所存ݸ
āg
1.0
参考文献
逆回復損失
rr
＋ターンオン損失
on
（a.u.）
îä対応ÁÿhĸčĿœĬIJ車ú電気自動車å今後ø大Ã
1.1
改良型 RC-IGBT
⑴ Takahashi, K. et al.{New Reverse- Conducting
IGBT}1200 V~with Revolutionary Compact Package|
,
0.9
0.5
0.7
0.9
1.1
順方向電圧
1.3
1.5
（V）
ak
Proceedings of ISPSD 2014, p.131-134.
⑵ 野口晴司ñÁ. ŇčŔIJĸčĿœĬIJ車用RC-IGBT. 富士
電機技報. 2014, vol.87, no.4, p.254-257.
⑶ Higuchi, K. et al.{New standard 800 A/750 V IGBT
Module technology for Automotive Applications|
,
Proceedings of PCIM Europe 2015, p.1137.
1.2
⑷ Laska, T. et al.{The Field Stop IGBT}FS IGBT~─ A
New Power Device Concept with a Great Improvement
1.0
rr
発生損失（a.u.）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
図 1 0 FWD のトレードオフ特性
0.8
Potential|
, Proceedings of ISPSD 2000, p.355-358.
off
吉田 崇一
on
0.6
ĺŘs半導体素子ä開発á従事g現在h富士電
0.4
機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部ŋ
f
ġŎsŔ技術部g
0.2
sat
0
改良型 RC-IGBT
従来型 RC-IGBT
野口 晴司
図 1 1 インバータ動作時の発生損失
IGBT Ī Ĭ ŀ ä 開 発 設 計 á 従 事g 現 在h 富 士 電
機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部ŋ
ġŎsŔ技術部g
3 . 2 インバータ動作時の発生損失
改良型 RC-IGBT äčŜĹsĨ動作時ä発生損失Ĉ 図
á示Ïg損失計算ä条件ÞÍÜh一般的à HEV ä走
行ŋsIJĈ想定Íܺāg改良型 RC-IGBT åh従来型
RC-IGBT
á比ïÜ IGBT 特性Ĉ大幅á向上ÍÕÉÞáþ
Āh発生損失Â約 20 % 低減ÍÕg発生損失ä低減áþĀ
素子ä発熱温度Â低下ÏāÕ÷hþĀ小˺素子Ĉ使用Ý
Ãāþ¼áàĀhčŜĹsĨä体積ä低減Â期待ÝÃāg
あとがき
本稿Ýåh車載用 RC-IGBT áÚºÜ述ïÕg環境問題
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
282（52）
向井 弘治
車載用ĺŘs半導体ä開発á従事g現在h富士電
機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部ŋ
ġŎsŔ技術部g博士}工学~
g
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
車載用燃料タンク圧検知相対圧センサ
Relative Pressure Sensor for Automobile Fuel Tanks
加藤 博文 KATO, Hirofumi
芦野 仁泰 ASHINO, Kimihiro
佐藤 栄亮 SATO, Eisuke
近年h自動車áå環境負荷ä低減Â強Å求÷ÿĂāþ¼áàĀh一例ÞÍÜh米国Ýå燃料漏Ăä検出Â義務化ËĂÜ
ºāg富士電機åh気化燃料Ĉ回収ÍÜĠœŜĩÝ焼却処理Ĉ行¼気化燃料排出抑制装置ä制御用途ÞÍÜhđŜġŜŔs
ʼn内ä配管á直接取Ā付ÇāÉÞÂ可能à車載用燃料ĨŜĘ圧検知相対圧ĤŜĞĈ開発ÍÕg第 6 世代小型圧力ĤŜĞä
技術ĈłsĢáh気化燃料îä耐性ä向上h保護機能ä向上Àþé EMC}Electromagnetic Compatibilityk電磁両立性~
In recent years, there has been increasing regulation to reduce the environmental burden of automobiles. One example of such regulation is the requirement to detect fuel leaks in the United States. Fuji Electric has developed a relative pressure sensor for automobile fuel
tanks capable of being directly mounted to a pipe inside the engine room. The sensor is used for controlling vaporized fuel exhaust suppression devices that recover vaporized fuel to incinerate it in the cylinder. Based on our 6th-generation compact pressure sensor technology,
we have successfully improved resistance to vaporized fuel, enhanced protective functions and reinforced EMC to both ensure durability and
achieve high-precision detection.
まえがき
自動車áå安全性ú快適性á加¾Üh環境負荷ä低減Â
強Å求÷ÿĂāþ¼áàÙÜÃÕg一例ÞÍÜh米国市場
Ýä OBD}On-Board Diagnostics~規制áþāh燃料漏
Ăá対Ïā検出ä義務化Â挙ÈÿĂāg気化燃料Â大気中
á放出ËĂāÞh静電気áþā引火ä危険性ú化学反応á
þā大気汚染物質îä変化Â生ÎāgÉä規制åh危険性
ú環境負荷Ĉ低減ÏāÕ÷á気化燃料漏ĂĈ抑制ÏāÉÞ
Ĉ目的ÞÍܺāg富士電機åhÉä OBD 規制á対応Ï
āÕ÷h燃料ĨŜĘ漏Ă検出用á 1 ĪĬŀÝ 2 点間ä差圧
⑴
Ĉ検知Ïā車載用相対圧ĤŜĞĈ開発Íh2007 年á製品
図 1 タンク圧センサ
化ÍÕg
今回h気化燃料Ĉ回収ÍÜĠœŜĩÝ燃焼処理Ĉ行¼
ƒ注„
燃料蒸発ĕĢ排出抑制装置ä制御用áhđĹņŒčŜ á
変性Íàº材料Ĉ選定Íh従来ä高信頼性Ĉ確保ÍÚÚh
直接取付ÇÂ可能à車載用燃料ĨŜĘ圧検知相対圧ĤŜĞ
気化燃料Ĉ含ĉÖ圧力媒体áø対応ËÑܺāg
}ĨŜĘ圧ĤŜĞ~Ĉ開発ÍÕg
⑵ 保護機能ä向上
đŜġŜ内部á取Ā付ÇÿĂāĨŜĘ圧ĤŜĞåh大気
タンク圧センサの特徴
圧Þ燃料配管圧力ä差圧Ĉ検知Ïā相対圧ĤŜĞݸāÕ
÷h常á車内外Áÿä外来異物ä影響Â懸念ËĂāgÓÉ
図
áĨŜĘ圧ĤŜĞä外観Ĉ示Ïg従来h富士電機
Ýh双方ä受圧面ĈěŔ状ä保護材Ý覆¼ÉÞáþĀhĤ
ä圧力ĤŜĞåh1 ĪĬŀ技術ä特長Ĉ最大限生ÁÍÜ小
ŜĞĪĬŀä異物Áÿä保護Þ高精度圧力検知Ĉ両立ËÑ
型j高信頼性ä製品Ĉ基本ĜŜĤŀıÞÍܺāgĨŜĘ
ܺāgËÿáhĤŜĞĤŔä大気圧受圧面側áđċľČ
圧ĤŜĞÝåh新Õá次á示Ï特徴Ĉ盛Ā込ĉݺāg
ŔĨĈ搭載ÏāÉÞÝh外部Áÿä異物á対Ïā保護機能
⑴ 気化燃料îä耐性ä向上
ĈþĀºÙÓ¼向上ËÑܺāg
気化燃料åh圧力ĤŜĞĈ構成Ïā部材中äĪĬŀ用ĩ
⑶ EMC ä強化
čŅŜIJ材ä変質úhÓĂá起因ÍÕ破壊故障Ĉ引Ã起É
昨 今h 自 動 車 á å Ë ô Ì ô à 電 子 機 器 Â 搭 載 Ë Ă Ü
Ï恐øāgĨŜĘ圧ĤŜĞÝåh気化燃料á触ĂÜø
À Āh Ó Ă ÿ Á ÿ 発 生 Ï ā 電 磁 ķ č ģ á 対 Ï ā EMC
}Electromagnetic Compatibilityk電磁両立性~ä強化Â
ƒ注„đĹņŒčŜk気化燃料Ĉ回収ÍÜĠœŜĩá送āÕ÷ä燃料
搬送ŒčŜ
求÷ÿĂܺāgĤŜĠŜę部h信号処理部ÀþéĞsġ
保護素子Ĉ 1 ĪĬŀ化Ïā従来ä技術Ĉ踏襲ÍÚÚhĪĬ
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
283（53）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ä強化Ĉ行¼ÉÞÝh耐久性ä確保Þ高精度à検知Ĉ両立ËÑÕg
車載用燃料タンク圧検知相対圧センサ
ŀĜŜİŜĞĈ新Õá搭載ÏāÉÞÝh寸法Ĉ維持ÍÕô
正Ïā調整回路Ĉ備¾ÜºāgôÕh自動車äđŜġŜ制
ôÝ EMC Ĉ向上ËÑܺāg
御系Áÿ発生ÏāĞsġ波形úċĤŜĿœ工程内Ýä静電
気hËÿáå外部Áÿä電磁波àßÁÿ内部回路Ĉ保護Ï
āÕ÷ä保護素子ø備¾Üºāg
タンク圧センサの構造
3 . 1 圧力検出ユニット
図
3 . 3 センサセルの構造
á圧力検出ŏĴĬıä概要Ĉ示ÏgSi 基板ä一部
ĈđĬĪŜęáþĀ薄膜á加工ÍÜĩčōľŒʼnĈ形成Ï
図
áh圧力ĤŜĞ}絶対圧ĤŜĞ~ÞĨŜĘ圧ĤŜ
Ğ}相対圧ĤŜĞ~áÀÇāĤŜĞĤŔä断面構造Ĉ示Ïg
āgĩčōľŒʼn上áå拡散配線ÁÿàāĽđħ抵抗Ĉ配
ºÐĂäĤŜĞĤŔáÀºÜøhEMC Ĉ向上ÏāÕ÷ä
置Íh四ÚäĽđħ抵抗áþĀńčsıĢıŜĿœĬġĈ
ĪĬŀĜŜİŜĞĈ搭載ÍܺāgĨŜĘ圧ĤŜĞÝåh
構成Íܺāg富士電機Â得意ÞÏā三次元đĬĪŜę技
相対圧Ĉ測定ÝÃāþ¼áÏāÕ÷圧力導入口Ĉ設Çܺ
術áþĀh高精度ÁÚ丸õä¸ā等方性ä形状äĩčōľ
āgôÕh従来品Þ容易á置Ã換¾ÿĂāþ¼áÏāÕ÷h
ŒʼnĈ形成ÏāÉÞÂÝÃh高感度Þ過大耐圧性Ĉ確保Í
多Åä箇所ä外形寸法Ĉ合ąÑܺāg
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ܺāg
富士電機äĤŜĞĤŔÝåhĤŜĞĪĬŀĈĩčŅŜIJ
ĩčōľŒʼn式ä圧力ĤŜĞåhĩčōľŒʼn両面ä圧
材áþÙÜ固定ÍܺāgĨŜĘ圧ĤŜĞå燃料ĨŜĘ内
力差}差圧~áþÙÜ生ÎÕ変形量Ĉ表面á形成ÍÕĽđ
部ä圧力ä測定用ݸāÕ÷h燃料á対ÍÜ耐性ø併Ñ持
ħ抵抗ä抵抗変化ÞÍÜ検知Ïāg従来ä富士電機ä圧力
ÚĩčŅŜIJ材Ĉ新Õá選定ÍÕg
ĤŜĞåh真空Ĉ基準á圧力Ĉ測定Ïā絶対圧ĤŜĞݸ
加¾Üh図
á示Ïþ¼áhĤŜĞĪĬŀ全体ĈěŔ状
Āh静電接合ŀŖĤĢáþÙÜĕŒĢ台座Ĉ接合ÍÜ真空
ä保護材Ý覆¼ÉÞáþÙÜĤŜĞĪĬŀúŘčōŅŜ
基準室Ĉ設Çܺāg一方hĨŜĘ圧ĤŜĞå大気圧Þä
İČŜęàßä内部構造Ĉ外来異物Áÿ保護ÍàÂÿh印
差圧Ĉ測定ÝÃāþ¼áÏāÕ÷áhĕŒĢ台座á圧力媒
体導入孔Ĉ設ÇÕg
真空基準室
圧力P
ゲル状保護材
3 . 2 信号処理回路
図
á信号処理回路ä基本構成Ĉ示Ïg信号処理回路åh
2010 年度á開発ÍÜ量産化ÍÕ第 6 世代低圧ĤŜĞ}100
⑵
v 400 kPa~ä技術 ĈĨŜĘ圧用}−80 v＋5 kPa~á最
適化ÍÕøäݸāgńčsıĢıŜĿœĬġÁÿ出力Ë
センサチップ
ダイボンド材
ガラス
Ăā電圧信号Ĉ増幅Ïā高精度増幅器ÞhĤŜĞ特性Ĉ補
（a）圧力センサ（絶対圧センサ）
ダイヤフラム
増幅回路・調整回路
圧力P2
ゲル状保護材
ダイヤフラム（ピエゾ抵抗）
センサチップ
ガラス台座
圧力媒体導入孔
センサチップ
ダイボンド材
穴あきガラス
EMC 保護素子
圧力導入口
（a）外観
（b）チップ断面図
圧力P1
（b）タンク圧センサ（相対圧センサ）
図 2 圧力検出ユニットの概要
図 4 センサセルの断面構造
トリミング
回路部
DAC 部
感度・ゼロ点
感度
調整回路
過電圧
保護回路
VCC
各回路へ
センサ部
温度検出部
DAC 部
温度検出
感度温度特性
ゼロ点温度特性
増幅回路
ゼロ点
調整回路
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
284（54）
ゲル状保護材
GND
各回路へ
図 3 信号処理回路の基本構成
VOUT
外来異物
図 5 ゲル状の保護材による異物からの保護
車載用燃料タンク圧検知相対圧センサ
加圧力Ĉ検知ÝÃā構造ÞÍܺāgÉĂáþĀ圧力検知
ä高精度化Þ製品ä長寿命化Ĉ両立Íܺāg
熱溶着樹脂
エアフィルタ
3 . 4 外装パッケージ構造
図
樹脂
キャップ
áhĩčŕĘıŇďŜıĨčŀä樹脂ĸďġŜę
ĚsĢáĤŜĞĤŔĈ樹脂接着剤áþĀ固定ÍÕĺĬĚs
ġä断面構造Ĉ示ÏgÉä構造åđĹņŒčŜîä直接取
付ÇÂ可能àäÝh富士電機Ýå{外装ĺĬĚsġ構造|
Þ呼ĉݺāgĤŜĞĤŔĈ固定Íܺā樹脂接着剤å気
密Ĉ確保Ïā役割ø担ÙÜÀĀh圧力導入口Áÿ入ÙÕ気
図 7 エアフィルタ取付け周辺部の断面図
化燃料Ĉ含ĉÖ空気Â大気圧受圧面側î流Ă込ôàºþ¼
áÍܺāgôÕh圧力ĤŜĞÝå温度特性Ĉ考慮ÍÕ O
Ā規定ËĂā車載 IP 試験規格ä耐Îĉ性}IP6KX~Þ耐
œŜęĈ使用ÍÜ圧力導入口ä気密Ĉ確保Íܺāäá対
水性}IPX9K~Ĉ満足Íܺāg
đċľČŔĨå粒径ä大Ãà粉Îĉú液体å通ËÐh空
気äõ透過ËÑā性質Ĉ持×håÙ水性Þ防水性ø¸āg
性Ĉ確認Íܺāg
ÉäđċľČŔĨ付Ãä樹脂ĖŌĬŀĈ大気圧受圧面側á
Éä外装ĺĬĚsġåhđŜġŜ内部á直接取Ā付Çā
取Ā付ÇāÉÞáþÙÜh粉Îĉú泥水Â容易á侵入Ïā
ÉÞÂÝÃh内部äĤŜĞĤŔĈ変更ÏāÉÞÝËôÌô
đŜġŜŔsʼn内áÀºÜø汚染ä影響Ĉ受ÇāÉÞàÅ
à圧力ŕŜġá対応ÏāÉÞÂÝÃāgôÕh外装ĺĬ
安定ÍÕ圧力検知Ĉ実現Íܺāg
Ěsġä形状Â同一ݸāÕ÷h取付Ç部周辺äŕčċď
ıúŘčōĸsĶĢĈ流用ÏāÉÞÂÝÃāg
3 . 5 EGR・DPF への適用
ĨŜĘ圧ĤŜĞä片面å大気圧á解放ËĂܺāg圧力
ĨŜĘ圧ĤŜĞåhÉĂôÝá述ïÕĤŜĞĪĬŀúĤ
ĤŜĞåđŜġŜŔsʼn内ä配管上á取Ā付ÇÿĂܺā
ŜĞĤŔä構造Àþé外装ĺĬĚsġ構造áþÙÜh気化
äÝh粉Îĉú雨水h泥水àßáËÿËĂāg異物ú水分
燃料Ĉ含ĉÖ空気ú外来異物á影響ËĂáź高耐久性Þ
Â容易á入Ā込ö環境ÝåhÓĂÿá起因ÍÕ断線ú短絡
高精度à検知性能Ĉ持ÙܺāgôÕhĤŜĞĪĬŀá対
áþā故障hàÿéá結露ú氷結ä発生àßáþāĤŜĞ
Ïā耐腐食処理Ĉ組õ合ąÑāÉÞáþÙÜh排ĕĢ中ä
特性異常Â生ÎāÉÞÂ想定ËĂāg
浮 遊 粒 子 状 物 質}SPMkSuspended Particulate Matter~
Éä課題á対応ÏāÕ÷hĤŜĞĤŔáÚºÜěŔ状ä
ú窒素酸化物h硫黄酸化物àßä環境負荷物質ä発生j排
保護材áþĀ内部構造Ĉ保護ÏāÞÞøáh外装ĺĬĚs
出Ĉ抑制ÏāÕ÷ä EGR}Exhaust Gas Recirculationk
ġáđċľČŔĨ付Ãä樹脂ĖŌĬŀĈ取Ā付Çܺāg
排 気 再 循 環 ~ À þ é DPF}Diesel Particulate Filterk
図
áđċľČŔĨ取付Ç周辺部ä断面図Ĉ示Ïg
ÉäđċľČŔĨå熱溶着áþĀ樹脂ĖŌĬŀá取Ā付
İČsĥŔ微粒子捕集ľČŔĨ~ÞºÙÕhþĀ搭載環境
Â厳ͺċŀœĚsĠŐŜîä適用ø可能ݸāg
ÇÿĂÜÀĀhđŜġŜŔsʼn内ä使用Ý想定ËĂāđċ
ľČŔĨîä最大荷重以上ä耐久性Ĉ確保ÍܺāgôÕh
仕 様
ľČŔĨ自身ä耐久性ÞÍÜ ISO 20653hJIS D 5020 áþ
ĨŜĘ圧ĤŜĞä圧力−出力特性Ĉ図
エアフィルタ
大気圧参照
áh基本仕様Ĉ
センサセル
樹脂キャップ
製品温度 25 ℃，電源電圧 5 V
樹脂接着剤
ダイアグ領域
4.8
クランプ電圧
樹脂ハウジングケース
（ダイレクトマウントタイプ）
樹脂接着剤
出力（V）
4.7
4.5
クランプ電圧
O リング
0.5
0.3
圧力導入口
圧力印加（気化燃料を含む空気）
図 6 外装パッケージ構造
ダイアグ領域
0.2
0
−80
＋5
圧力（kPa）
図 8 タンク圧センサの圧力−出力特性
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
285（55）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
ÍhĨŜĘ圧ĤŜĞÝå温度特性á加¾Ü燃料耐性Ĉ持Ú
O œŜęĈ採用Íh世界各国 32 種類ä燃料á対Ïā耐久
車載用燃料タンク圧検知相対圧センサ
表 1 タンク圧センサの基本仕様
項 目
使用温度範囲
使用圧力範囲 *
1
センサ出力範囲
途ä圧力ĤŜĞîäĴsģåôÏôÏ高ôāÉÞÂ予想Ë
単 位
仕 様
Ăāg一方h製品á要求ËĂā精度h品質h環境適合性À
℃
− 40 ∼ +135
þéĜĢıåÉĂôÝ以上á厳ÍÅàāÉÞø予想ËĂÜ
kPa
− 80 ∼ +5
ºāgÉĂÿä要求á応¾āÕ÷á富士電機ÞÍÜ常á世
V
0.5 ∼ 4.5
kΩ
Pull Up=300
もしくは
Pull Down=100
クランプ領域
V
<0.3 / >4.7
ダイアグ領域 *2
V
<0.2 / >4.8
シンク電流
mA
1
ソース電流
mA
0.1
圧力誤差
%F.S.
<1.5
温度誤差
倍
2.0（max.）
インタフェース
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
対応 EMC 規格
対応燃料
ISO 11452-2（100 V/m，CW，10kHz ∼
2 GHz）
ISO 11452-4（100 m，CW，1 ∼
400 MHz）
ISO 7637（Level Ⅳ）
ガソリン
ディーゼル軽油（DIN EN 590）
E10，E25，E85，M15，M100
バイオディーゼル（DIN EN 14214）
界äıĬŀŕłŔä技術開発ÞhÀ客Ëôá喜æĂā製品
開発Ĉ目指Ï所存ݸāg
参考文献
⑴ 植松克之ñÁ. 自動車用燃料ĨŜĘ漏Ă検出用圧力ĤŜĞ.
富士時報. 2006, vol.79, no.5, p.372-374.
⑵ 西川睦雄ñÁ. 第6世代小型圧力ĤŜĞ. 富士時報. 2010,
vol.83, no.6, p.420-424.
加藤 博文
半導体圧力ĤŜĞä設計j開発á従事g現在h富
士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部
自動車電装技術部g
芦野 仁泰
フィルタ耐じん性
IP6KX
半導体圧力ĤŜĞä設計j開発á従事g現在h富
フィルタ耐水性
IPX9K
士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部
端子配列
（出力）‒（GND）‒（電源）
自動車電装技術部g
＊ 1：圧力導入口より圧力を印加した場合の値
＊ 2：電源配線の断線，出力配線の断線の検知
表
á示Ïg製品形態å外装ĺĬĚsġ構造ݸāg
佐藤 栄亮
半導体圧力ĤŜĞä設計j開発á従事g現在h富
あとがき
車載用燃料ĨŜĘ圧検知相対圧ĤŜĞáÚºÜ述ïÕg
今後h世界各国ä環境規制ú安全規制á伴ÙÜh自動車用
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
286（56）
士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部
自動車電装技術部g
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
ピーク負荷対応 PWM 電源制御 IC「FA8B00 シリーズ」
PWM Power Supply Control IC “FA8B00 Series” Capable of handling Peak loads
松本 晋治 MATSUMOTO, Shinji
山根 博樹 YAMANE, Hiroki
藪崎 純 YABUZAKI, Jun
近年hķsı PC účŜĘġĐĬıŀœŜĨä分野Ýåh新 CPU îä対応úŋsĨ駆動負荷àßá向ÇÕ最大出力電力
ä増大Â要求ËĂܺāg富士電機ÝåhÉĂÿä要求á応¾ÕĽsĘ負荷対応 PWM 電源制御 IC‡FA8B00 Ġœsģˆ
Ĉ開発ÍÕgÉä IC åhFB 端子電圧ä上昇á合ąÑÜĢčĬĪŜę周波数Ĉ最大Ý 130 kHz ôÝ上昇ËÑāÉÞÂÝÃ
āÕ÷hıŒŜĢä体積Ĉ増úÏÉÞàÅ電源ä最大出力電力Ĉ増大ÏāÉÞÂÝÃāgËÿáhĢčĬĪŜę周波数ġĬ
In recent years, the notebook computer and inkjet printer market requires increasing the maximum output power for new CPUs and
motor drive loads. To meet these requirements, Fuji Electric has developed the{FA8B00 Series|of pulse width modulation (PWM) power
supply control IC capable of handling Peak loads. This IC can increase the switching frequency up to 130 kHz in accordance with rise in
FB terminal voltage, allowing it to increase the maximum output power of a power supply without increasing the volume of a transformer.
Furthermore, the IC comes equipped with an expansion function for switching frequency jitter that enables it to achieve low EMI noise
characteristics even against varying loads.
まえがき
magnetic Interference~ķčģ特性Ĉ実現ÍÕg
近年h深刻à問題ÞàÙܺā地球温暖化Ĉ防止ÏāÕ
Ę図Ĉ示Ïg
表
á FA8B00 Ġœsģä機能概要Ĉh図
áĿŖĬ
÷áh低炭素社会ĈÚÅāÉÞåôÏôÏ重要ÞàÙܺ
āg現代社会Ĉ支¾ā各種電子機器áÀºÜøh省đĶŔ
ė s 化 Þ EMC}Electromagnetic Compatibility~ ä 観 点
Áÿh高効率h低待機電力h低ķčģÂ求÷ÿĂܺāg
富士電機ÝåhÉäþ¼à社会的à要求á応¾āÕ÷高効
率ÝhÁÚ低待機電力機能Ĉ内蔵ÍÕĔŕŜıŋsIJ電源
制御 IC Ĉ多数製品化Íܺāg一方Ýhķsı PC úč
ŜĘġĐĬıŀœŜĨä分野áÀºÜåh新 CPU îä対
応úŋsĨ駆動負荷àßá向ÇÕĽsĘĺŘs出力Â要求
ËĂܺāg
富 士 電 機 åh É Ă ÿ ä 要 求 á 応 ¾ Õ Ĕ ŕ Ŝ ı ŋ s IJ
PWM}Pulse Width Modulation~ 制 御 IC Þ Í Üh Ľ s
ĘĺŘs対応 PWM 電源制御 IC‡FA8B00 ĠœsģˆĈ
開発ÍÕg
図 1 「FA8B00 シリーズ」
製品概要
表1 「FA8B00 シリーズ」の機能概要
図
á FA8B00 Ġœsģä外観Ĉ示ÏgÉä IC åh電
FA8B00 シリーズ
FA8A00 シリーズ
（従来機種）
スイッチング
周波数特性
3 段階の周波数特性
（25kHz − 65 kHz
− 130kHz）
2 段階の周波数特性
（25kHz − 65kHz）
OCP ライン
補正
± 3.7%
± 6.5%
IC の出力電圧
出力電圧のクランプあり
出力電圧のクランプなし
スイッチング
周波数ジッタ
拡大機能あり
固定
25.7 mW
29.0 mW
項 目
源äĽsĘ負荷á対応ÍÕ 3 段階äĢčĬĪŜę周波数
特性Ĉ持×h電源ä部品ĞčģĈ変更ÏāÉÞàÅ最大出
力電力Ĉ増大ËÑāÉÞÂÝÃāgôÕh電源ĠĢįʼná
最適à各種保護機能Ĉ持ÚÕ÷h電源ä安全性Â確保ÝÃ
ƒ注„
āøäݸāgËÿáhĢčĬĪŜę周波数ġĬĨ ä拡
大機能áþĀh変動Ïā負荷á対ÍÜø低 EMI}Electroƒ注„ĢčĬĪŜę周波数ġĬĨkĢčĬĪŜę周波数Ĉ一定ä間隔
待機電力
Þ幅Ý変化ËÑāÉÞáþĀhEMI ķčģh特á伝導ķčģ
Ĉ低減Ïā IC ä機能Ĉº¼g
電源平均効率
90.0%
90.7%
89.7%
90.5%
（V i=AC115 V）（V i=AC230 V） （V i=AC115 V） （V i=AC230 V）
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
287（57）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
Ĩä拡大機能áþĀh変動Ïā負荷á対ÍÜø低 EMI ķčģ特性Ĉ実現ÍÕg
ピーク負荷対応 PWM 電源制御 IC「FA8B00 シリーズ」
vcc
VH
su_on
起動電流
制御
on
uvloh
VCC 低電圧誤
動作防止回路
startup
基準電圧調整回路
vcc_ovp
vcc_det
VCC 電圧
検出回路
vh_det
ブラウンアウト
clk
VCC
VDD5
VDD3
uvlo
Ｘコンデンサ
放電回路
clk
reset
ソフトスタート
回路
発振器
reset
ss
su_on
clk
Dmax
VH 電圧
検出回路
過電流保護
回路
fb
PWM
発振器
Dmax
スロープ
R
PWM コンパレータ
CS
DBL ドライバ
回路
ON
1ショット
S
CS 状態設定
回路
OUT
RS フリップ Q
フロップ
ss
su_on
VDD5
S
RS フリップ Q
フロップ
過負荷保護回路
R
fb
FB
olp_short
GND
FB ゲイン
ラッチ電圧検出回路
LAT
vcc_ovp
clk
reset
olp_short
latch
ラッチ
vh_det
su_on
uvlo
スタートアップ
マネージメント
on
monitor
startup
ctrl
図2 「FA8B00 シリーズ」のブロック図
3 . 2 OCP ライン補正の高精度化
主な特徴
過負荷時における出力電流は，交流入力電圧に比例し
3 . 1 ピーク負荷対応のスイッチング周波数特性
て 大 き く な る 特 性 を 持 っ て い る。 こ の た め， 低 入 力 時
FA8B00 シリーズでは，電源のピーク負荷に対応する
（AC100 V 近辺）と高入力時（AC230 V 近辺）とでは，電
ため，新たに 3 段階のスイッチング周波数特性（25 kHz-
源回路が過負荷を検出する電流値に大きな差が生じてしま
65 kHz-130 kHz）を持っており，FB 端子電圧の上昇に合
う。従来機種では，交流入力電圧により変化してしまう
わせてスイッチング周波数も最大 130 kHz まで上昇する
CS 端子しきい値電圧の調整を行う OCP（Over Current
（図 ）
。従来機種の「FA8A00 シリーズ」では，スイッ
Protection）ライン補正機能を内蔵し，交流入力電圧 90
チング周波数が 65 kHz までしか上昇しないため，より大
〜 265 V の範囲内で，過負荷時の出力電流変動幅を±6.5 %
きな最大出力を得るためには，トランスの体積の増加が
まで狭めていた。
不可欠となりコストアップとなっていた。これに対して，
FA8B00 シリーズでは，この機能をさらに交流入力電圧
FA8B00 シリーズでは，スイッチング周波数の高周波化が
に対してフラットな特性となるように，制御の高精度化
可能なため，トランスの体積を変更することなく最大出力
を図った。図
を増大することができる。
較を示しており，FA8B00 シリーズでは出力電流変動幅を
6.8
65
25
負荷電流
FA8B00 シリーズ
（出力電流変動幅 ±3.7 ％）
6.0
5.6
5.2
4.8
従来機種
（出力電流変動幅 ±6.5 ％）
4.0
バースト
PWM
PFM
PWM
通常負荷以下
図 3 3 段階のスイッチング周波数特性
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
288（58）
6.4
4.4
0
動作モード
は，従来機種との過負荷時出力電流の比
7.2
スイッチング周波数変調
130
出力電流（A）
スイッチング周波数（kHz）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
over load FB 電圧検出回路
通常
PFM
PWM
ピーク負荷
3.6
50
100
150
200
入力電圧（V）
図 4 過負荷時出力電流の比較
250
300
ピーク負荷対応 PWM 電源制御 IC「FA8B00 シリーズ」
グを停止する。
7.2
⑵ ブラウンイン・ブラウンアウト機能
出力電流（A）
6.8
交流入力電圧の低下時に電源回路の誤動作を防ぐために
6.4
6.0
5.6
Weak
ブラウンイン・ブラウンアウト機能を内蔵した。この機能
は交流入力電圧が VH ブラウンアウトしきい値電圧まで低
Middle
5.2
4.8
下し，一定時間を経過すると OUT 端子からの出力パルス
Strong
を停止する。また，交流入力電圧が VH ブラウンインしき
4.4
い値電圧に達すると，スイッチングを開始する。
4.0
3.6
50
100
150
200
250
300
⑶ 過電圧保護機能
VCC 端子電圧を監視する過電圧保護機能を内蔵した。
入力電圧（V）
VCC 端子電圧が過電圧保護しきい値電圧以上まで上昇し，
図 5 OCP ライン補正の選択
一定時間以上継続するとスイッチングを停止する。
⑷ 低電圧誤動作防止機能
た。VCC 端子電圧がオフしきい値電圧まで低下すると動
作を停止し，VCC 端子電圧がオンしきい値電圧に達する
FA8BXX
CS
R1
と動作を開始する。
Rcs
Ccs
Rs
電源回路への適用効果
4 . 1 EMI 対策
図 6 CS 端子の回路構成例
従来機種には EMI 対策として，スイッチング周波数
65 kHz に対し，±7% の周波数変動を行うジッタ機能が内
表 2 補正量の調整
蔵されていた。この機能によりスイッチングのノイズエネ
抵抗値
ルギーを固定周波数方式に比べて分散できるため，伝導ノ
Strong（大）
0.3 kΩ≦ Rcs または R1 ＋ Rcs ≦ 0.5 kΩ
イズの低減が可能であった。しかしながら，スイッチング
Middle（中）
1.4 kΩ≦ Rcs または R1 ＋ Rcs ≦ 2.1 kΩ
周 波 数 が 130 kHz か ら 65 kHz 間，65 kHz か ら 25 kHz 間
Weak（小）
3.9 kΩ≦ Rcs または R1 ＋ Rcs ≦ 5.2 kΩ
入力電圧依存性補正量
で変動する領域内（周波数低減領域）においては，実質
ジッタ幅は 7 % 以下に低減してしまうため，ノイズ低減効
果が弱くなるという問題があった。これは，ジッタによる
±3.7 % まで低減した。また，この OCP ライン補正につい
周波数変化分を FB 端子電圧による周波数変動分が打ち消
ては，3 種類の補正量（Weak，Middle，Strong）からの
し合うことにより，ジッタ振幅が小さくなるためである。
選択を可能にし，設計の自由度をより向上させた。補正量
そこで，FA8B00 シリーズでは，周波数低減領域でのジッ
の選択は CS 端子に接続する外付け抵抗の値によって行う
タ幅を，7 % から 14 % に拡大させるスイッチング周波数
（図 ，図 ，表 ）
。
3 . 3 各種保護機能
FA8B00 シリーズは，電源システムに最適な各種保護機
ジッタ拡大機能を新たに内蔵した。図
にスイッチング周
波数ジッタ拡大機能の概要を，図
にスイッチング周波数
ジッタ拡大機能の評価結果を，図
に伝導ノイズの電源評
価結果をそれぞれ示す。周波数低減領域内でのジッタ効果
能を内蔵しており，少ない外部部品で安全かつ安定した電
⑴ 負荷短絡保護機能
電 源 出 力 の 短 絡 時 に お け る MOSFET（Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor）の破壊を防止す
る負荷短絡保護機能を内蔵した。この機能は負荷短絡状態
における検出方法において 2 タイプあり，用途により使い
分けができる。VCC 端子電圧で検出するタイプでは，過
負荷状態において，VCC 端子電圧があるしきい値まで低
下した場合，即座にスイッチングを停止する。また，FB
スイッチング周波数（kHz）
源を実現できる。
130
±1 4 ％
65
±7 ％
25
FB 端子電圧
端子電圧で検出するタイプでは，FB 負荷短絡保護検出電
圧を超える状態が一定時間以上継続した場合にスイッチン
図 7 スイッチング周波数ジッタ拡大機能の概要
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
289（59）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
IC の電源電圧である VCC 端子電圧が低下したとき，IC
の誤動作を防止するための低電圧誤動作防止機能を内蔵し
ピーク負荷対応 PWM 電源制御 IC「FA8B00 シリーズ」
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
スイッチング周波数特性
120
100
80
ジッタ特性
60
40
20
0
0
1
2
3
4
Ý説明ÍÕĢčĬĪŜę周波数ġĬĨ拡大機能Ĉ新Õá内
蔵ÍÜÀĀh従来機種Þ比ïÜ伝導ķčģĈ低減ÝÃāÕ
ジッタ（±%）
スイッチング周波数（kHz）
ŔúĜŜİŜĞĈ挿入ÏāgFA8B00 Ġœsģåh4. 1 節
140
÷h入力ľČŔĨä小容量化ú削減Â可能ݸāg
4 . 3 電源安全性の向上
FA8B00 ĠœsģÝåhIC ä OUT 端子電圧ĘŒŜŀ
機能Ĉ内蔵ÍÜÀĀhVCC 端子電圧Â 20 V 以上印加Ë
5
ĂÕ場合ÝøhIC ä出力電圧åÀþÓ 18 V ÝĘŒŜŀË
FB 端子電圧（V）
ĂhÓĂ以上 OUT 端子電圧Â上昇ÏāÉÞĈ防ÆÉÞÂ
ÝÃāgÉä機能áþĀhěsı保護úěsı電圧仕様Â
図 8 スイッチング周波数ジッタ拡大機能の評価結果
20 V 以下äĺŘs MOSFET Â使用ÝÃāÕ÷h電源安全
性ä向上Àþé部品äĜĢıĩďŜÂ可能Þàāg図
80
雑音端子電圧（dBµV）
Ĉ用ºÜ従来機種Þ比較ÍÕ待機電力Àþé電源効率ä測
マージン：−14.2 dB
70
h図
á示ÏgFA8B00 Ġœsģåh従来
60
定結果Ĉ図
50
機種Þ比ïÜ 3.3 mW ä待機電力低減Ĉ達成ÍÜÀĀh電
40
源効率áÀºÜø従来機種Þ同等以上ä実力Ĉ持Ùܺāg
30
20
10
35
0
0.15
0.5
1
5
10
20 30
入力電力（mW）
周波数（MHz）
図 9 電源の伝導ノイズの評価結果
Ĉ維持ÝÃh規格á対ÏāķčģŇsġŜĈ約 10 dB 以上
従来機種
30
25
FA8B00 シリーズ
20
待機電力低減 3.3 mW
15
確保ÏāÉÞÂÝÃāg
10
50
4 . 2 電源部品削減効果
100
150
200
250
300
入力電圧（V）
電源Áÿ発生Ïā伝導ķčģĈ低減ÏāÕ÷h電源ä入
力部分áķčģľČŔĨÞÍÜĜŋŜŋsIJĪŐsĘĜč
図 1 1 待機電力
C11
交流入力電圧
90 ∼ 264 V
C1
NF1 NF2
C2
DS1
∼ ＋
T1
C3
＋
R12
C12
19 V/3.4 A
L1
D5
R2
R1
C13
＋
C4
∼ −
＋
C14
F1
D1
D2
D3
R6
C5
TR1
D4
GND
R16
R13
R3
R4
R7
R17
PC1A
R14
R10
R5
C15
C7 C6
R15
R8
＋
D4
C16
IC2
IC1
R18
8 7 6 5
FA8BXX
1 2 3 4
R9
TH1
tﾟ
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
á評価用電源ŅsIJä回路Ĉ示ÏgôÕhÉä電源ŅsIJ
90
R11
C8
PC1B
C9
C10
図 1 0 評価用電源ボードの回路
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
290（60）
ピーク負荷対応 PWM 電源制御 IC「FA8B00 シリーズ」
96
参考文献
⑴ 藪崎純ñÁ. 第6世代PWM制御IC‡FA8A00Ġœsģˆ
. 富
電源効率（％）
94
FA8B00 シリーズ（
=AC115 V）
i
士電機技報. 2012, vol.85, no.6, p.452-456.
92
松本 晋治
90
FA8B00 シリーズ（
88
86
0
20
40
60
i
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h台
=AC230 V）
80
湾富士電機社ĺŘs半導体製品設計g
100
負荷率（％）
図 1 2 電源効率
山根 博樹
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h台
あとがき
本稿ÝåhĢčĬĪŜę電源回路äĽsĘĺŘsá対応
ÍÕ PWM 電源制御 IC‡FA8B00 ĠœsģˆáÚºÜ述
ïÕg
今後øËÿàā高効率化h低待機電力化h低ķčģ化Ĉ
藪崎 純
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h台
湾富士電機社ĺŘs半導体製品設計g
実現Ïā新技術ä確立Ĉ図Āh市場äĴsģáŇĬĪÍÕ
製品開発Ĉ進÷ܺÅ所存ݸāg
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
291（61）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
湾富士電機社ĺŘs半導体製品設計g
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
第 2 世代 低損失 SJ-MOSFET「Super J MOS S2 シ
リーズ」
2nd-Generation Low-Loss SJ-MOSFET “Super J MOS S2 Series”
渡邉 荘太 WATANABE, Sota
坂田 敏明
SAKATA, Toshiaki
山下 千穂 YAMASHITA, Chiho
đĶŔėsĈ効率的á利用ÏāÕ÷áh電力変換機器áåþĀºÙÓ¼ä高効率化Â求÷ÿĂÜÀĀhÉĂÿá搭載
ËĂāĺŘs MOSFET}Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor~áåh小型Ý低損失j低ķčģä製品
Â求÷ÿĂܺāg富士電機åh単位面積Ý規格化ËĂÕēŜ抵抗 R onjA Ĉ低減ÍhÁÚĨsŜēľĢčĬĪŜę損失
E off ÞĨsŜēľĢčĬĪŜę時ä V DS ĞsġäıŕsIJēľ特性Ĉ改善ÍÕh低損失Ý使ºúϺ第 2 世代 低損失 SJ特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
MOSFET‡Super J MOS S2 ĠœsģˆĈ開発ÍÕg本製品Ĉ使用ÏāÉÞÝh電力変換機器ä効率向上Â期待ÝÃāg
In order to use energy efficiently, there has been increasing demand for enhanced efficiency in power conversion equipment, and power
metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) that are equipped with it have been required to be compact, low loss and low
noise. Fuji Electric has developed the easy-to-use 2nd-generation low-loss SJ-MOSFET{Super J MOS S2 Series|that reduces on-resistance
R on·A , which is standardized by unit area, and improves the trade-off characteristic between turn-off switching loss E off and the V DS surge at
turn-off switching. The adoption of this product is expected to improve the efficiency of power conversion equipment.
ÈāÕ÷áhĢčĬĪŜę速度Ĉ上Èþ¼ÞÏāÞhĨs
まえがき
ŜēľĢčĬĪŜę時ä V DS ĞsġÂ大ÃÅàĀhķč
近年h地球温暖化対策àßĈ背景áÍÜh太陽光発電ú
ģÂ発生ÍÜ誤動作ÏāÞº¼背反Ïā関係¸āg信頼
風力発電àßä再生可能đĶŔėsä普及Â進ĉݺāg
性ä観点Áÿø V DS ĞsġĈ最大定格電圧ä 80% 以下á
一方Ýh社会čŜľŒh自動車h産業機械hIT 機器h家
抑¾āÉÞÂ望ôͺg
電製品àßä分野ÝđĶŔės消費量Â増加Íܺāgđ
ÓÉÝhS2 Ġœsģå従来ä S1 ĠœsģþĀø R onj
ĶŔėsĈºÙÓ¼効率的á利用ÏāÕ÷á電力変換技術
A Ĉ低減ÍÚÚhĨsŜēľ時äĢčĬĪŜę損失 E off ä
ä重要性Â増ÍܺāgËôÌôà機器ä電力変換部á
低減Þ V DS Ğsġä抑制hÀþéķčģä抑制Ĉ両立Ë
åĺŘs
ÑāÉÞĈ目的á開発Ĉ行ÙÕg
MOSFET}Metal-Oxide-Semiconductor
Field-
Effect Transistor~àßä半導体ĢčĬĪŜę素子Â使用
ËĂܺāgÉä電力変換機器áåh高効率h高電力密度h
低ķčģÞºÙÕ要求¸Āh半導体ĢčĬĪŜę素子á
åh小型Ý低損失h低ķčģÂ求÷ÿĂܺāg
Éäþ¼à要求á応¾āÕ÷h富士電機Ýå 2011 年áh
2 . 2 導通損失の低減
導通損失Ĉ低減ÏāÕ÷áåhR onjA Ĉ低減Ïā必要
¸āg図
á示Ïþ¼áĢsĺsġŌŜĘĠŐŜ構造åh
IJœľı層á p 形領域Þ n 形領域ĈÓĂÔĂ交互á配置
ĢsĺsġŌŜĘĠŐŜ構造Ĉ採用ÍÕ低ēŜ抵抗Þ低Ģ
ÏāÉÞÝh電圧印加時á各 pn 接合ä空乏層Â横方向Ý
čĬĪŜę損失Ĉ両立ÍÕ第 1 世代低損失
ÚàÂĀh全面Ý耐圧Ĉ確保Ïā構造ݸāg
⑷v⑻
SJ-MOSFET
‡Super J MOS S1 Ġœsģˆ
}S1 Ġœsģ~Ĉ開発Íh系
R onjA Ĉ低減Ïāáå n 形領域ä不純物濃度Ĉ高ÅÍh
⑴v⑶
列化Ĉ進÷ÜÃÕg
本稿Ýåh素子ä耐圧 BV DSS Þ単位面積Ý規格化ËĂ
ゲート
ÕēŜ抵抗 R onjA ÞäıŕsIJēľ関係ĈËÿá改善Íh
ソース
ÁÚĨsŜēľĢčĬĪŜę時ä跳ã上ÂĀ電圧}V DS
Ğsġ~Ĉ抑制ÏāÉÞÝh使ºúÏËÞ電力変換機器ä
変換効率Ĉ向上ÍÕ第 2 世代低損失 SJ-MOSFET‡Super
n+
p+
p
p
n
J MOS S2 Ġœsģˆ
}S2 Ġœsģ~áÚºÜ述ïāg
n
p
n
p
n
設 計
2 . 1 設計方針
ĢčĬĪŜę電源ä電力変換効率Ĉ向上ËÑāÕ÷áåh
n+
ドレイン
ĺŘs MOSFET ä導通損失ÞĢčĬĪŜę損失hÀþé
IJŒčĿ損失ä低減Â必要ݸāgĢčĬĪŜę損失Ĉ下
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
292（62）
図 1 SJ-MOSFET のスーパージャンクション構造
第 2 世代 低損失 SJ-MOSFET「Super J MOS S2 シリーズ」
ÝhĺĨsŜ設計ú部品回路定数ä変更ä手間Ĉ掛Çà
ÅÜ済öþ¼áİĹčĢ側Ýä対策Ĉ行ÙÕgS2 Ġœs
ģåÍú値電圧 V GS}th~Ĉ上ÈāÉÞÝ誤ēŜä抑制Ĉ
20
図ÙܺāgÉäÞÃhV GS}th~ Ĉ上ÈāÖÇÝåĨsŜ
25 %低減
ēľ速度Â速ÅàĀhěsı振動áþā誤ēŜÞĨsŜ
15
ēľĢčĬĪŜę時ä V DS ĞsġÂ懸念ËĂāgÓÉÝh
V GS}th~ä最適化Þ R g ä最適化àßä対策Ĉ行ÙÕg
10
S1 ĠœsģÞ S2 Ġœsģä R g  2 ΩäÞÃäĨsŜ
on
・ （mΩ・cm2）
25
ēľ波形Ĉ図
5
á示ÏgS2 Ġœsģå S1 Ġœsģá対Íh
ěsı振動Þ V DS ĞsġÂ小ËÅhěsı誤ēŜĈ抑制
0
S2シリーズ
ÍܺāgÉĂáþĀh顧客Ýä R g Ĉ変更ÑÐá電源効
S1シリーズ
率ä向上Â可能Þàāg
図 2 600 V 定格品における R on・A 特性
図
á E off Þ V DS ĞsġäıŕsIJēľ特性Ĉ示Ïg同
97.8
ŀŖĤĢĈ改善ÍÜhn 形領域ä不純物濃度Ĉ高Å保×h
入力：AC100 V
出力：50 V/18 A
⑼
抵抗値Ĉ低減ÏāÉÞĈ可能áÍÕg
áhS1 Ġ œ s ģ Þ S2 Ġ œ s ģ ä 600 V 定 格 品 ä
2
R onjA 特性Ĉ示ÏgS1 Ġœsģä 20 mΩjcm Áÿ S2
2
Ġ œ s ģ Ý å 15 mΩjcm á ô Ý 25 % 低 減 Ë Ñ Õg Ó
ä 結 果hTO-247 ĺ Ĭ Ě s ġ á À º ÜhS1 Ġ œ s ģ å
600 V/40 mΩôÝäĪĬŀä搭載áÞßôÙܺÕÂh
97.7
変換効率（%）
図
S1 シリーズ
97.6
97.5
S2 シリーズ
S2 ĠœsģÝå 600 V/25.4 mΩôÝ搭載Â可能ݸāg
97.4
2 . 3 スイッチング損失の低減と V DS サージの抑制
図
0
2
4
g
6
（Ω）
8
10
á示Ï電源áÀºÜh電流連続ŋsIJäÕ÷ä力率
改善回路}CCM-PFC 回路~ä MOSFET áhS1 Ġœs
図 4 外付けゲート抵抗 Rg に対する電源の変換効率
ģÞ S2 Ġœsģä 600 V/70 mΩ品Ĉ搭載ÍÜ評価Ĉ行Ù
Õg入力電圧 100 Vh出力 50 V/18 A 時ä外付Çěsı抵
抗 R g á対Ïā電源ä変換効率Ĉ図
á示Ïg通常åhR g
g
：2 Ω
Ĉ小ËÅÍÕ場合á電源効率å高ÅàāÂhS1 Ġœsģ
åh低下ÍܺāÉÞÂ分ÁāgÉĂåĦsĢä配線čŜ
：100 V/div
DS
ĩĘĨŜĢÂ大úÉÞáþā誤ēŜÂ原因ݸĀh一般
的áÉä誤ēŜĈ抑制ÍÜ損失Ĉ防ÆÉÞÂ要求ËĂܺ
誤オン
āg
：10 A/div
電源ä回路ĺĨsŜåh以前ä設計ĺĨsŜĈ流用Ïā
場合¸ĀhôÕ部品ŕčċďıàßä制約ÁÿĦsĢä
d
：50 ns/div
配線čŜĩĘĨŜĢĈ完全áàÅÏÉÞåÝÃàºgÓÉ
（a）S1 シリーズ
g
DS
：2 Ω
PFC OUT
外付けゲート
抵抗 R g
L
N
：100 V/div
DS
D2
L2
ラインフィルタ
L1
＋ Cout
D1
FG
Q1
：10 A/div
d
Q2
：50 ns/div
Risense
GND
（b）S2 シリーズ
MOSFET
図 3 電源の CCM-PFC 回路
図 5 ターンオフ波形
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
293（63）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
抵抗値Ĉ下Èā必要¸āgS2 ĠœsģÝå不純物拡散
第 2 世代 低損失 SJ-MOSFET「Super J MOS S2 シリーズ」
一 V DS ĞsġáÀºÜhS2 Ġœsģå S1 ĠœsģþĀ
抑制ÍÕ S2 ĠœsģĈh電源ä CCM-PFC 回路部á搭載
ø E off Â小ËÅhE off Þ V DS ĞsġäıŕsIJēľ特性Ĉ
ÍÕÞÃä R g á対Ïā電源ä変換効率Ĉ図
改善ÍܺāgÉäþ¼áhV DS ĞsġÞěsı誤ēŜĈ
ĠœsģÝå R g Â小˺ÞÃá変換効率Â低下ÍܺÕ
1,000
35
900
30
á示ÏgS1
600 V/70 mΩ（max.）品
S2 シリーズ
25
（µJ）
（µJ）
800
off
OSS
700
600
15
10
S1 シリーズ
500
S2 シリーズ
5
500
550
600
DS サージ（V）
140
0
650
図 6 E off-V DS サージのトレードオフ特性
0
100
200
300
400
DS（V）
500
600
図 8 E oss 特性
100
600 V/70 mΩ
（max.）品
120
98
S2 シリーズ
約30 %低減
変換効率（%）
（nC）
100
g
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
400
450
S1 シリーズ
20
80
60
40
96
92
90
88
20
86
0
S1 シリーズ
94
S2シリーズ
0
500
1,000
1,500
負荷（W）
S1シリーズ
図 7 Q g 特性
2,000
図 9 変換効率−負荷特性
「Super J MOS S2 シリーズ」の製品系列と主要特性
表 1 製品系列
V DS（V）
TO-247
パッケージ
TO-3P
パッケージ
TO-220
パッケージ
TO-220F
パッケージ
R DS（on）
max.（mΩ）
I D（A）
25.4
95.5
FMW60N025S2
−
−
−
40
66.2
FMW60N040S2
−
−
−
55
49.9
FMW60N055S2
−
−
−
70
39.4
FMW60N070S2
−
−
FMV60N070S2
79
37.1
FMW60N079S2
−
FMP60N079S2
FMV60N079S2
88
32.8
FMW60N088S2
−
FMP60N088S2
FMV60N088S2
600
99
29.2
FMW60N099S2
−
FMP60N099S2
FMV60N099S2
125
22.7
FMW60N125S2
−
FMP60N125S2
FMV60N125S2
160
17.9
FMW60N160S2
−
FMP60N160S2
FMV60N160S2
190
15.5
FMW60N190S2
FMH60N190S2
FMP60N190S2
FMV60N190S2
280
10.4
−
FMH60N280S2
FMP60N280S2
FMV60N280S2
380
8.1
−
−
FMP60N380S2
FMV60N380S2
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
294（64）
第 2 世代 低損失 SJ-MOSFET「Super J MOS S2 シリーズ」
が，S2 シリーズでは R g を小さくすると変換効率が向上し
めていく所存である。
ている。
参考文献
⑴ 田村隆博ほか. 低損失SJ-MOSFET「Super-JMOS」. 富士
2 . 4 軽負荷時の損失低減
電源が軽負荷のときには MOSFET に流れる電流が小
さく，全体損失に占める導通損失の割合が小さくなるた
時報. 2011, vol.84, no.5, p.340-343.
⑵ Tamura, T. et al. “Reduction of Turn - off Loss in
め，ドライブ損失と出力容量 C oss の充放電時に発生する損
,
600 V- class Superjunction MOSFET by Surface Design”
失 E oss の占める割合が増える。そこで，ドライブ損失の
PCIM Asia 2011, p.102-107.
指標であるトータルゲート電荷量 Q g を表面構造の最適化
により，S1 シリーズに対して約 30% 低減し，R on・Q g を
約 20% 低減した。図
に S1 シリーズと S2 シリーズの Q g
を比較した結果を示す。また，図
に S1 シリーズと S2
シリーズの V DS に対する E oss の比較結果を示す。V DS が
した。
,
MOSFET（Super J-MOS）by Optimizing Surface Design”
PCIM Asia 2012, p.160-165.
⑷ Fujihira, T. Theory of Semiconductor Superjunction
Devices. Jpn. J. Appl. Phys., 1997, vol.36, p.6254-6262.
⑸ Deboy, G. et al.“A New Generation of High Voltage
MOSFETs Breaks the Limit Line of Silicon”
, Proc. IEDM,
1998, p.683-685.
適用効果
⑹ Onishi, Y. et al.“24 m・cm2 680 V Silicon Superjunction
MOSFET”
, Proc. ISPSD’
02, 2002, p.241-244.
に 示 す 電 源 の CCM-PFC 回 路 に，S1 シ リ ー ズ と
⑺ Saito, W. et al. “A 15.5 m・cm 2- 680 V Superjunction
S2 シリーズの 600 V/70 mΩ品を搭載して比較評価を行っ
MOSFET Reduced On - Resistance by Lateral Pitch
た（図 ）
。このときの入出力条件は入力電圧 200 V，出
Narrowing”
, Proc. ISPSD’
06, 2006, p.293-296.
図
力 53.5 V，R g は 2 Ωである。S2 シリーズは，ゲート振動
による誤オンを抑制し，E off と V DS サージのトレードオフ
特性を改善し，Q g と E oss を低減したことで，全負荷領域
⑻ 大 西 泰 彦 ほ か. Superjunction MOSFET. 富 士 時 報. 2009,
vol.82, no.6, p.389-392.
⑼ Sakata, T. et al.“A Low - Switching Noise and High -
において S1 シリーズよりも高効率となっている。このこ
Efficiency Superjunction MOSFET, Super J MOS® S2”
,
とから S2 シリーズをスイッチング電源に適用することで，
PCIM Asia 2015, p.419-426.
より高効率で高信頼性の電源設計が見込まれる。
渡邉 荘太
製品系列
パワー MOSFET の開発・設計に従事。現在，富
士電機株式会社電子デバイス事業本部事業統括部
ディスクリート・IC 技術部。
表
に S2 シリーズの製品系列と主要特性を示す。比較
的大容量の電源向けに R DS（on）25.4 〜 160 mΩ，小容量の
電源向けに 190 〜 380 mΩの製品を系列化している。
坂田 敏明
あとがき
パワー MOSFET の開発・設計に従事。現在，富
士電機株式会社電子デバイス事業本部開発統括部
デバイス開発部。
第 2 世代低損失 SJ-MOSFET「Super J MOS S2 シリー
ズ」は，低損失と V DS サージの抑制を両立した製品である。
CCM-PFC 回路部に搭載した実機評価において従来製品
よりも高効率を実現可能であり，スイッチング電源の高効
山下 千穂
率化・小型化に大きく貢献できる。
電源デバイスのエンジニアリング業務に従事。現
今後は，市場ニーズのさらなる要求に応えるために，耐
在，富士電機株式会社営業本部半導体統括部応用
技術部。
圧系列の拡大，内蔵ダイオードの高速スイッチング系列の
拡大を進めるとともに，R on・A 低減などの性能向上を進
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
295（65）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
400 V のときは，S1 シリーズに対して E oss を約 30% 低減
⑶ Watanabe, S. et al.“A Low Switching Loss Superjunction
特集
エネルギーマネジメントに
貢献するパワー半導体
高速ディスクリート IGBT「High-Speed W シリーズ」
High-Speed Discrete IGBT “High-Speed W-Series”
原 幸仁 HARA, Yukihito
内藤 達也 NAITO, Tatsuya
加藤 由晴 KATO, Yoshiharu
無停電電源装置}UPS~ú太陽光発電用ĺŘsĜŜİČĠŐij}PCS~áÀºÜåh電力ä変換効率Â重要à性能ݸ
āÕ÷h使用ÏāĢčĬĪŜęİĹčĢá対ÍÜ低損失化Â求÷ÿĂܺāgôÕh小型äčŜĹsĨ溶接機áÀºÜ
åh持×運éĈ容易áÏāÕ÷h使用ÏāİĹčĢáå高速ĢčĬĪŜęÂ可能Ý低損失ݸāÉÞÂ求÷ÿĂāg開発Íh
製品化ÍÕ高速İČĢĘœsı IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~åh活性部áÀÇā寄生容量ä低減hľČsŔ
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
IJĢıĬŀ層ä最適化àßáþĀh従来品á対ÍÜ 650 V 品Ý約 10%h1,200 V 品Ý約 19 % ä低損失化Ĉ達成ÍÕg
Since power conversion efficiency is an important factor for uninterruptible power systems (UPSs) and power conditioning sub-systems
(PCSs) for photovoltaic power generation, switching devices used in the equipment are required to reduce the power loss. For compact
inverter welding machines, utilized devices are required to have low-loss characteristics and high-speed switching to make conveyance easier.
The high-speed discrete insulated-gate bipolar transistor (IGBT) that we have developed and released reduces parasitic capacitance in active
parts and optimizes the field stop layer, thereby achieving a 10 % reduction in loss for 650 V products and a 19 % reduction in loss for 1,200 V
products when compared to the previous product.
まえがき
貢献ÝÃāg
近年h世界äđĶŔės需要å増加ä一途ĈÕßÙܺ
÷áhēŜ電圧ÞĢčĬĪŜę特性äıŕsIJēľĈ改善
今回hUPShPCShčŜĹsĨ溶接機Ĉ高性能化ÏāÕ
āgčŜĨsĶĬı社会Ĉ支¾āĞsĹúİsĨĤŜĨs
ÍÕ高速İČĢĘœsı IGBT‡High-Speed W Ġœsģˆ
àßÝåh信頼性ä高º電源Â必要ݸāg一方Ýh太陽
Ĉ開発Íh製品化ÍÕg本稿Ýåh最大定格電圧Â 650 V
光発電ú風力発電àß再生可能đĶŔėsä普及áþĀh
Þ 1,200 V ä High-Speed W ĠœsģáÚºÜh製品ä概
đĶŔės供給ä分散化Â進õh電力変換ä需要Â増¾Ü
要ÞÓä適用効果áÚºÜ述ïāg
ºāgĞsĹúİsĨĤŜĨsÝå省電力化ÂhđĶŔ
ės供給Ýå電力変換効率ä向上Â求÷ÿĂhĺŘsđŕ
「High-Speed W シリーズ」の概要
ĘıŖĴĘĢ技術á寄ÑÿĂā期待å非常á大úg
世界的áİsĨ使用量Â増¾ā中hİsĨĈ保障Ïā
図 1 á High-Speed W Ġœsģä外観Ĉh 図
á主à
Õ÷ĞsĹúİsĨĤŜĨsáå無停電電源装置}UPSk
用途Ĉ示Ïg表 1 áhHigh-Speed W Ġœsģä主要最大
Uninterruptible Power System~Â導入ËĂܺāg以前
定格Þ電気的特性Ĉ示Ïg
åh100 kVA 以上ä用途Ýåh大容量 UPS Ĉ 1 台導入Ï
650 V 系 å 40 v 60 A ä IGBT Ī Ĭ ŀ Þ 20 v 60 A ä
āÉÞÂ一般的ݸÙÕgÍÁÍhĞsĹúİsĨĤŜ
FWD}Free Wheeling Diode~ Ī Ĭ ŀ Ĉh1,200 V 系 å
ĨsÝå高º信頼性Ĉ確保ÏāÕ÷冗長構成Â必要ݸĀh
25h40 A ä IGBT ĪĬŀÞ 12h20h40 A ä FWD ĪĬŀ
最近Ýå 10 v 50 kVA 程度ä中容量ŏĴĬıĈ組õ合ą
ĈhİČĢĘœsı製品ÞÍÜ一般的àĺĬĚsġݸā
ÑÜ並列冗長動作ÞÍܺāgôÕh太陽光発電Ýåh発
TO-247 á搭載ÍÕøäݸāg系列ĈÓă¾Üh装置ä
電ÍÕ直流電力Ĉ交流電力á変換ÏāĺŘsĜŜİČĠŐ
ij}PCSkPower Conditioning Sub-system~Â使用ËĂ
ܺāgÉĂÿ UPS ú PCS Ýå電力ä変換効率Â重要à
性能ݸāÕ÷hĢčĬĪŜęİĹčĢá対Ïā低損失
化ä要求Â強ºgºÐĂø IGBT}Insulated Gate Bipolar
Transistor~Ĉ 20 v 40 kHz ÝĢčĬĪŜęËÑāÉÞÂ
多ºÕ÷h高速ĢčĬĪŜęáþāĢčĬĪŜę損失ä低
損失化Â求÷ÿĂāg
一方h建設現場àßÝ使用ËĂā小型äčŜĹsĨ溶接
機áÀºÜåh持×運éĈ容易áÏāÕ÷小型j軽量化Â
求÷ÿĂāg使用ÏāİĹčĢĈ高速ĢčĬĪŜęÝ低損
失áÍhÁÚ高周波Ý駆動ËÑāÉÞáþĀhıŒŜĢú
ĜčŔÂ小型化ÝÃāÕ÷h溶接機本体ä小型j軽量化á
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
296（66）
図 高速ディスクリート IGBT「High-Speed W シリーズ」
高速ディスクリート IGBT「High-Speed W シリーズ」
1,000
POL
VRM
Class.D AMP
MOSFET
スイッチング周波数（kHz）
BUS コンバータ
100
標準電源
インクジェット
プリンタ
PC 用アダプタ
LCD-TV
サーバ
フロントエンド
PC 電源
溶接機
UPS
太陽光発電用
パワーコンディショナ
10
高速ディスクリート IGBT
0.1
ルームエアコン インバータ
1
10
出力（kVA）
図2 「High-Speed W シリーズ」の主な用途
表1 「High-Speed W シリーズ」の主要最大定格と電気的特性
最大定格
電気的特性
IGBT
型 式
タイプ
FWD
IGBT
FWD
V CES
IC
(T j=100 ℃)
I CP
IF
(T j=100 ℃)
V CES（sat）
(T j=25 ℃
typ)
(V)
(A)
(A)
(A)
(V)
(V)
(V)
(V)
パッケージ
V CES（sat）
(T j=125 ℃
typ)
VF
(T j=25 ℃
typ)
VF
(T j=125 ℃
typ)
FGW40N65WD
Ultra Fast FWD
TO-247
650
40
160
20
1.80
2.05
2.5
1.9
FGW50N65WD
Ultra Fast FWD
TO-247
650
50
200
25
1.80
2.05
2.5
1.9
FGW60N65WD
Ultra Fast FWD
TO-247
650
60
240
30
1.80
2.05
2.5
1.9
FGW40N65WE
Ultra Fast FWD
TO-247
650
40
160
40
1.80
2.05
2.5
1.9
FGW50N65WE
Ultra Fast FWD
TO-247
650
50
200
50
1.80
2.05
2.5
1.9
FGW60N65WE
Ultra Fast FWD
TO-247
650
60
240
60
1.80
2.05
2.5
1.9
FGW40N65W
w/o FWD
TO-247
650
40
160
−
1.80
2.05
−
−
FGW50N65W
w/o FWD
TO-247
650
50
200
−
1.80
2.05
−
−
FGW60N65W
w/o FWD
TO-247
650
60
240
−
1.80
2.05
−
−
FGW25N120WD
Ultra Fast FWD
TO-247
1,200
25
100
12
2.0
2.4
2.2
2.05
FGW40N120WD
Ultra Fast FWD
TO-247
1,200
40
160
20
2.0
2.4
2.2
2.05
FGW40N120WE
Ultra Fast FWD
TO-247
1,200
40
160
40
2.0
2.4
2.4
2.2
FGW25N120W
w/o FWD
TO-247
1,200
25
100
−
2.0
2.4
−
−
FGW40N120W
w/o FWD
TO-247
1,200
40
160
−
2.0
2.4
−
−
電源容量ú適用ËĂā回路á応ÎÕ選択肢Ĉ設Çܺāg
術Â広Å採用ËĂÜÀĀhİČĢĘœsı IGBT äĢčĬ
ĪŜę周波数å 20 v 40 kHz 程度Ý動作ËÑāÉÞÂ多ºg
ディスクリート IGBT の課題
溶接機Ýåh本体ä小型j軽量化äÕ÷h体積Þ質量ä
占有率ä高ºıŒŜĢĈ小ËÅÏāÉÞÂ求÷ÿĂܺāg
図
図
á UPS áÀÇāİČĢĘœsı IGBT ä適用例Ĉh
á PCS áÀÇā適用例Ĉ示Ïg
UPS Ýå電力損失Ĉ最小限á抑¾āÉÞhPCS Ýå太
陽光ĺĶŔÝ発電ÍÕ直流電力Ĉ交流電力á変換Ïā際ä
損失Ĉ最小限á抑¾āÉÞÂ重要ݸāg
ÉäÕ÷hĢčĬĪŜę周波数Ĉ高周波化Ïā傾向Â近年
高ôÙܺāg一部Ýåh50 kHz 以上ä周波数ÝİČĢ
Ęœsı IGBT äĢčĬĪŜęĈ行¼溶接機Â市場á展開
ËĂܺāg
図
áh5 kVA ĘŒĢä UPS Àþé 8.5 kVA ĘŒĢä
UPS ú PCS ä数 kVA v数十 kVA ä容量帯ÝåhčŜ
溶接機äčŜĹsĨáÀÇāİČĢĘœsı IGBT ä損失
ĹsĨ部ä電力効率Ĉ改善ÏāÕ÷h3 ŕłŔ電力変換技
分析結果Ĉ示Ïg損失全体ä¼×hIGBT äĢčĬĪŜę
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
297（67）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
1
0.01
冷蔵庫
高速ディスクリート IGBT「High-Speed W シリーズ」
波化対応ÞÍÜhœĔĹœ損失ä低減Ĉ重点課題ÞÍÕg
ディスクリート IGBT
適用部
「High-Speed W シリーズ」の特徴
+
İ Č Ģ Ę œ s ı IGBT åhIGBT Ī Ĭ ŀ Þ FWD Ī Ĭ
出力
AC240 V
入力
AC240 V
ŀĈ 1 ÚäĺĬĚsġá搭載ÍÕİĹčĢݸāgIGBTh
FWD ĪĬŀäÓĂÔĂä特徴áÚºÜ次á述ïāg
+
4 . 1 650 V 系列 IGBT チップの特徴
従 来 品 ä‡High-Speed V Ġ œ s ģ ˆ ä 定 格 電 圧 å
入力整流回路 ＰＦＣ回路
600 V ݸÙÕg今回h電圧ŇsġŜĈ確保ÍÕºÞº¼
ＮＰＣインバータ
回路
市場要求á応¾āÕ÷定格電圧Ĉ 650 V ÞÍÕg
áh650 V IGBT ĪĬŀä断面構造Ĉ示Ïg従来品
図
⑴
（3 レベル I-Type）
-E
off
äıŕsIJēľĈ改善Ïā設計ݸÙÕgÉĂá対Í
Ü High-Speed W ĠœsģÝåh寄生容量Ĉ大幅á低減
ËÑÕ活性部構造ÞľČsŔIJĢıĬŀ}FS~層ä最適化h
ńsŔä注入Ĉ抑制ÏāĜŕĘĨ層h基板ä薄化àßáþ
ディスクリート IGBT
適用部
ĀhV CE}sat~-E off äıŕsIJēľĈ改善Ïā設計施策Ĉ新
Õá取Ā入ĂÕg
áh600 V 系 /50 A IGBT Ī Ĭ ŀ ä V CE}sat~-E off 特
図
性Ĉ示ÏgHigh-Speed W ĠœsģÝåh従来品á対ÍÜ
+
出力
AC200 V
エミッタ
太陽光
パネル
昇圧コンバータ回路
エミッタ
インバータ回路
p
p
n+
図 4 PCS におけるディスクリート IGBT の適用例
n+
ゲート
n−ドリフト層
100
rr
90
ゲート
n−ドリフト層
n+ フィールド
（FWD）
ストップ層
n+ フィールド
ストップ層
（FWD）
F
80
コレクタ
（IGBT）
p+ コレクタ層
off
コレクタ
70
（a）
「High-Speed W シリーズ」
60
（b）従来品
（IGBT）
on
50
図 6 IGBT チップの断面構造
40
30
（IGBT）
20
0
5 kVA UPS
8.5 kVA 溶接機
図 5 ディスクリート IGBT の損失分析結果（f c ＝ 40 kHz）
損失 E on+E off ä割合å UPS Ý約 50 %h溶接機Ý約 60% Ĉ
占÷ܺāgôÕhIGBT äēŜ電圧損失 V on åºÐĂø
約 40 % ݸāgÉäÉÞÁÿh高速ĢčĬĪŜę動作á
þĀ低損失àİČĢĘœsı IGBT Ĉ実現ÏāÕ÷áåh
V CE}sat~-E off äıŕsIJēľĈ改善Íh低ĢčĬĪŜę損
失Þ低 V on Ĉ両立ËÑāÉÞÂ重要ݸāg特á今回åh
off （mJ）
=400 V, C=25 A, GE=＋15/−0 V,
j=125 ℃
g=10 Ω,
on
10
cc
発生損失（％）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
åhŋġŎsŔ用ä V Ġœsģ IGBT ĈłsĢá V CE}sat~
図 3 UPS におけるディスクリート IGBT 適用例
1.5
1.0
従来品
0.5
High-Speed W シリーズ
0
1.0
1.2
1.4
=25 A,
（V）
GE=15 V,
j=125 ℃
1.6
1.8
CE（sat）
C
駆動周波数äËÿàā高周波化áø対応ÝÃāþ¼áh低
E off 特性á重点Ĉ置ºÜºāgôÕhFWD áÀºÜø高周
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
298（68）
図 7 600 V 系 /50 A IGBT チップの V CE（sat）-E off 特性
2.0
高速ディスクリート IGBT「High-Speed W シリーズ」
V CE}sat~ ä悪化Ĉ最小限á抑¾ÚÚhE off Ĉ約 48 % 低減Í
ܺāg
「High-Speed W シリーズ」の適用効果
4 . 2 650 V 系列 FWD チップの特徴
図
Þ図
áh5 kW 出 力 ä UPS Ĉ 想 定 Í Õ 発 生
従来品ä FWD å高速ĢčĬĪŜęá特化ÍÕ設計ݸ
損 失 ä Ġ ň Ŏ ŕ s Ġ Ő Ŝ 結 果 Ĉ 示 Ïg Ģ č Ĭ Ī Ŝ ę 周
āgHigh-Speed W ĠœsģÝåhÉä FWD ĈłsĢá
波 数 å 40 kHz ä ľ Ŕ Ŀ œ Ĭ ġ 回 路 PWM}Pulse Width
IJœľı層ä厚ËĈ最適化ÏāÉÞÝh低œĔĹœ損失特
Modulation~Ĉ模擬Íܺāg
性Ĉ維持ÍÕôôh650 V 保証ä FWD ÞÍÕg
図
ä 600 V 系ä IGBT ÝåhHigh-Speed W Ġœs
ģåh従来品Þ比ïÜısĨŔ損失Â約 10 % 低減Ïā
ä 1,200 V 系 IGBT Ýåh
ÉÞÂ見込ôĂāgôÕh 図
4 . 3 1,200 V 系列 IGBT チップの特徴
前述ä 650 V 系列 IGBT ĪĬŀÞ同様ä施策Ĉ行ºh
約 19% ä損失低減Â見込ôĂāgºÐĂä発生損失áÀ
1,200 V 系列Ýåh活性部áÀÇā寄生容量ä低減hĜŕ
ºÜøh約 30 % Ĉ占÷ܺā E off Ĉ大ÃÅ低減ËÑÕÉÞ
ĘĨ層áÀÇāńsŔä注入ä抑制h基板ä薄化àßĈ
ÂhısĨŔ損失ä低減á大ÃÅ寄与Íܺāg
áh1,200 V/40 A IGBT ä Ĩ s Ŝ ē ľ 波 形
図
áh8.5 kVA Ę Œ Ģ ä 溶 接 機 á 600 V 系 ä IGBT
Ĉ搭載ÍÕ際äİĹčĢ温度ä評価結果Ĉ示Ïg一般的
įsŔ電流Ĉ大幅á改善ÍhE off Ĉ大幅á低減ÍÕg図
á溶接機Ýåh温度保護機能Â働ÅÞ溶接機ÞÍÜä動作
áhV CE}sat~-E off 特性Ĉ示ÏgHigh-Speed W ĠœsģÝ
Ĉ止÷āÕ÷h温度ä上昇幅Â小˺ IGBT Â強Å要求Ë
åhE off Ĉ約 40 % 低減Íܺāg
Ăܺāg図
á示ÍÕþ¼áh溶接機áÀºÜå損失全
体ä約 60 % Ĉ E off áþā損失Â占÷ܺāgÓäÕ÷h従
来品þĀ大幅á E off Ĉ低減ËÑÕ High-Speed W Ġœsģ
4 . 4 1,200 V 系列 FWD チップの特徴
High-Speed W Ġœsģä FWD åh従来品Þ同様á低
œĔĹœ損失特性Ĉ持ÙÕ FWD Ĉ使用Íܺāg
ä適用効果å大ÃÅhİĹčĢä温度上昇分Â従来品þĀ
約 5 ℃}約 20%~低Å抑¾ÿĂܺāgÉäÕ÷hHighSpeed W Ġœsģåh従来品þĀ溶接機ä連続運転時間
40
o
C=20 A,
GE=+15/−0 V,
g=10 Ω,
：10 V/div
GE
CE
GE
：200 V/div
C
=25 A,
=50 Hz,
o
c
=40 kHz,
=1.0, Modulation=1.0
F
j=125 ℃
CE
：5 A/div
：10 V/div
：200 V/div
：5 A/div
C
：200 ns/div
約 10% 低減
30
発生損失（W）
cc=600 V,
rr
（FWD）
F
（FWD）
（IGBT）
off
20
on
（IGBT）
10
：200 ns/div
（a）
「High-Speed W シリーズ」
（1,200 V/40 A）
on
（b）従来品
（1,200 V/40 A）
（IGBT）
0
High-Speed W シリーズ
従来品
図 8 1,200 V/40 A GBT のターンオフ波形
cc
2.0
40
=12.5 A,
o
従来品
1.5
30
1.0
High-Speed W シリーズ
0.5
発生損失（W）
off （mJ）
=600 V, C=20 A, GE=＋15/−0 V,
j=125 ℃
g=10 Ω,
図 1 0 600 V 系 /50 A IGBT の損失シミュレーション
1.2
1.4
=20 A,
（V）
GE=15 V,
j=125 ℃
1.6
1.8
CE（sat）
C
図 9 1,200 V/40 A IGBT の V CE（sat）-E off 特性
=40 kHz,
c
20
=1.0, Modulation=1.0
F
約 19% 低減
rr
（FWD）
F
（FWD）
（IGBT）
off
10
0
1.0
=50 Hz,
o
2.0
on
（IGBT）
on
（IGBT）
0
High-Speed W シリーズ
従来品
図 1 1 1,200 V 系/25 A IGBT の損失シミュレーション
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
299（69）
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
行 Ù Õg 図
Ĉ示ÏgHigh-Speed W ĠœsģÝåhĨsŜēľ時ä
高速ディスクリート IGBT「High-Speed W シリーズ」
品Ĉ供給ÍܺÅÉÞÝh省đĶŔės化h電力変換ä高
8.5 kVA クラス溶接機 負荷率 =50 %
デバイス温度上昇 Δ
効率化h装置ä小型j軽量化á貢献ÍܺÅ所存ݸāg
25
約 20% 低減
c
（℃）
30
参考文献
20
⑴ 渡島豪人ñÁ. 高速İČĢĘœsıIGBT‡High-Speed V
15
Ġœsģˆ富士時報. 2010, vol.83, no.6, p.393-397.
10
原 幸仁
5
İČĢĘœsı半導体İĹčĢä開発j設計á従
事g現在h富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本
0
650 V/40 A
High-Speed W シリーズ
600 V/35 A
従来品
部事業統括部İČĢĘœsıjIC 技術部g
図 1 2 600 V 系 IGBT 搭載の溶接機のデバイス温度評価結果
特集
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
内藤 達也
Ĉ長ÅÞāÉÞÂ可能ÞàÙÕg
ĺŘs半導体İĹčĢä開発j設計á従事g現在h
富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開発統括
部İĹčĢ開発部g
あとがき
本稿Ýåh650 V Þ 1,200 V ä高速İČĢĘœsı IGBT
‡High-Speed W Ġœsģˆä概要ÞÓä適用効果áÚº
Ü述ïÕg本製品åhUPShPCSh溶接機Ĉ主à対象ÞÍ
Ü開発ÍÕÂhĢčĬĪŜę電源ä PFC}Power Factor
Correction~回路ú産業機器向Çàßáø広Å適用Â可能
ݸāg
今後øËÿàā低損失化Ĉ進÷h市場ä要求á応¾ā製
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
300（70）
加藤 由晴
ĺŘs半導体İĹčĢä開発j設計á従事g現在h
富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開発統括
部İĹčĢ開発部g
新製品
紹介
アモルファスモルトラ「FM-AT14」
Amorphous MOLTRA “FM-AT14”
渡辺 賢治 * WATANABE, Kenji
地球温暖化防止Ĉ背景áh受変電設備áÀºÜå節電
対策Â重要à課題ÞàÙÜÀĀh省đĶŔės}省đĶ~
電磁鋼帯á代¾ÜċŋŔľĊĢ合金Ĉ採用ÍÕgċŋŔ
ľĊĢ合金Þ方向性電磁鋼帯ä特徴Ĉ図
áh特性Ĉ図
性ä高º電気機器äĴsģÂ高ôÙܺāg現在h国内
á示ÏgċŋŔľĊĢÞå非結晶ä意味ݸĀhċŋ
áå約 260 万台ä高圧配電用変圧器Â設置ËĂÜÀĀh
ŔľĊĢ合金åh原子Â周期的á配列ËĂÕ結晶構造Ý
製造年代ÊÞä損失特性h総出荷台数h平均容量Ĉ基
åàÅh不規則à状態äôô凝固ÍÕøäݸāg変圧
á試算ÏāÞhđĶŔės損失ä総量å約 165 億 kWh/
器ä損失áåh負荷á関係àÅ発生Ïā無負荷損}鉄損~
Àþé負荷電流ä 2 乗á比例ÍÜ発生Ïā負荷損}銅損~
¸āgċŋŔľĊĢ合金åh無負荷損ä大Ãà割合Ĉ
Ķ効果ĈøÕÿÏÉÞáàāgŋsŔIJ変圧器áÀºÜ
占÷āĻĢįœĠĢ損失Þ渦電流損失Ĉ小ËÅ抑¾ā特
åh
‡đĶŔėsä使用ä合理化等á関Ïā法律ˆ
}省đ
徴Ĉ持Ú素材ݸĀhÉĂĈ用ºÕ変圧器å無負荷損Ĉ
Ķ法~ä特定機器ÞÍÜ 2014 年度Áÿ第二次ıĬŀŒŜ
非常á小ËÅ抑¾āÉÞÂÝÃāg
ƒ注 1„
ijs基準 Â導入ËĂÕg
Éäþ¼à特徴Ĉ持ÚċŋŔľĊĢ合金ݸāÂh変
富士電機åh2013 年 6 月á‡ıĬŀŒŜijsŋŔıŒ
圧器ä鉄心材料á採用Ïā場合åh体積ä増大îä対策
2014ˆ Ĉ 単 相 10 v 500 kVAh 三 相 20 v 2,000 kVA ä Œ
čŜċĬŀÝ発売ÍÕg従来ä製品á比ïÜ変圧器ä発
項 目
アモルファス合金
方向性電磁鋼帯
生損失Ĉ 40 % 低減Íh第二次ıĬŀŒŜijs基準Ĉ満足
ËÑÕgËÿáh2015 年 6 月áå第二次ıĬŀŒŜijs
ƒ注 2„
基準ä目標効率á対ÍÜ 130 % ä達成率 ÞàāċŋŔ
原子配列
g本稿
ľĊĢŋŔıŒ‡FM-AT14ˆĈ発売ÍÕ} 図 ~
不規則（非結晶）
→ヒステリシス損失小
Ýåh変圧器ä鉄心材料á採用ÍÕċŋŔľĊĢ合金ä
特徴Þ FM-AT14 áÚºÜ述ïāg
0.025 mm
→渦電流損失小
板 厚
図2
アモルファス合金の特徴
規則的（結晶）
→ヒステリシス損失大
0.23∼0.35 mm
→厚さに比例して
渦電流損失大
アモルファス合金と方向性電磁鋼帯の特徴
FM-AT14 áh変圧器ä鉄心材料ÞÍÜ従来ä方向性
磁束密度（T）
2
1
アモルファス合金
0
方向性電磁鋼帯
−1
−2
−80
図3
−40
0
磁化力（A/m）
40
80
アモルファス合金と方向性電磁鋼帯の特性
ƒ注 1„第二次ıĬŀŒŜijs基準kıĬŀŒŜijs変圧器第二次判
断基準Ĉ指ÏgJIS C 4306 配電用 6 kV ŋsŔIJ変圧器Ý規
定ËĂāg
図 1 「FM-AT14」
ƒ注 2„達成率kıĬŀŒŜijs変圧器第二次判断基準ä基準đĶŔ
*
ės消費率}W~á対Ïā抑制度合ºĈ指Ïg
富士電機株式会社産業čŜľŒ事業本部千葉工場設計第一部
2015-S07-1
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
301（71）
新製品紹介
y}CO2 換算Ý約 62 億 kgCO2/y~Þº¼膨大à量áàāg
ÍÕÂÙÜh効率ä高º変圧器îä置換¾å大Ãà省đ
アモルファスモルトラ「FM-AT14」
Àþé剛性ú加工性àßá関Ïā課題Ĉ解決Ïā必要Â
FM-AT14
トップランナー
モルトラ 2014
6,000
5,000
特 徴
全損失（W）
⒜ ıĬŀŒŜijsŋŔıŒ 2014 á対ÍÜ待機電力Ĉ
1/3 á低減ÍÕg
⒝ 第二次ıĬŀŒŜijs基準ä目標効率á対ÍÜ
130 % ä達成率Þàā省đĶĈ実現ÍÕg
⒞ 全容量áÀºÜ巻線á真空注型Ĉ採用Íh絶縁信
99
98
4,000
97
FM-AT14
トップランナー
モルトラ 2014
3,000
96
2,000
95
1,000
94
効 率（%）
「FM-AT14」の概要
.
100
7,000
¸āg
頼性ä高ºŋsŔIJ巻線Ĉ実現ÍÕg
⒟ 高º難燃性Ĉ実現ÍhIEC 60076-11 ä形式認定Ĉ
取得ÍÕg
⒠ JEM-TR 252 準拠ä優ĂÕ耐震性Ĉ実現ÍÕg
新製品紹介
.
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100
負荷率（%）
93
仕 様
表 1 á FM-AT14 ä仕様Ĉ示Ïg
図 4 「FM-AT14」と「トップランナーモルトラ 2014」の全
損失・効率
.
製作上の課題と対策
ċŋŔľĊĢ合金åh方向性電磁鋼帯þĀø飽和磁束
⒞ 変圧器ä最適à組立方法
密度Â低Åh通ÏÉÞÂÝÃā磁束密度ø低ºgÉäÕ÷h
⒟ 最適à巻線設計Þ冷却構造ä適用
ċŋŔľĊĢ合金Ĉ使ÙÕ FM-AT14 åh方向性電磁鋼
帯Ĉ使ÙÕıĬŀŒŜijsŋŔıŒ 2014 þĀø鉄心ä体
変圧器の種類と容量の選定
積Â大ÃÅàāgôÕh板厚Â方向性電磁鋼帯ä 1/10 Ý
¸Ā強度Â低ºÕ÷h変圧器ä鉄心ÞÍÜ自立ËÑā構
FM-AT14 ÞıĬŀŒŜijsŋŔıŒ 2014 áÀºÜh
造上ä工夫Â必要ݸāgËÿáhċŋŔľĊĢ合金á
負荷率Ĉ変化ËÑÜ全損失Þ効率Ĉ比較ÍÕ結果Ĉ図
掛Áā荷重ä大ÃËú分布áþÙÜ騒音ú特性á悪影響
á示ÏgFM-AT14 åh低負荷率Ýä効率Â特á優ĂÜ
Ĉ及òËàºþ¼áh剛性ú加工性Ĉ考慮ÍÕ構造上ä
ºāgÍÁÍh負荷率Â高ÅàāÞ FM-AT14 å体積Â
工夫ø必要ݸāg
大ÃÅ巻線長Â長ºÕ÷áh負荷損Â全損失á大ÃÅ影
ŋŔıŒå配電用変圧器ÞÍÜ配電盤内á設置ËĂā
Õ÷h省ĢŃsĢ化Ĉ考慮Ïā必要¸āgFM-AT14 åh
響ÍhıĬŀŒŜijsŋŔıŒ 2014 ä方Â効率áÀºÜ
優位á立Úg
設置面積ÂàāïÅ大ÃÅàÿàºþ¼áh高Ë方向î
工場hļŔhĠŐĬĽŜęŋsŔàßáÀÇā使用電
ä拡大áþÙÜ体積ä増加á対応ÍÕgÍÁÍh高Ë方
力量ÞÓä時間帯åËôÌôݸāgÍÕÂÙÜh変圧
向îä拡大å剛性îä悪影響ú変圧器ä温度上昇Ĉ招Åg
器ä種類Þ容量ä選定á当ÕÙÜåh電力会社ä時間帯
今回ä開発á当ÕÙÜåhÉĂÿä課題Ĉ次á示Ï対
別電力料金ä設定ø加味Íh適切à変圧器Ĉ選択ÍÜö
ÖàđĶŔėsÞĜĢıĈ抑¾Ü運用ÏāÉÞÂ肝要Ý
策áþĀ解決Íh製品化Ĉ果ÕÍÕg
⒜ 特性îä影響Ĉ考慮ÍÕċŋŔľĊĢ合金ä固定
¸āg
富 士 電 機 åhFM-AT14 Þ ı Ĭ ŀ Œ Ŝ ij s ŋ Ŕ ı Œ
方法ä最適化
2014 äŒčŜċĬŀĈ取ĀÓă¾hŏsğá最適àŋŔ
⒝ 耐震性Ĉ考慮ÍÕ変圧器全体ä剛性ä強化
ıŒĈ提供ÝÃā体制Ĉ整¾Üºāg
表
「FM-AT14」の仕様
項 目
相 数
周波数
定格容量
一次電圧
二次電圧
発売時期
仕 様
単 相
2015 年 6 月
三 相
50，60（Hz）
50，75，100，150，
200，300（kVA）
75，100，150，200，
300，500（kVA）
お問い合わせ先
富士電機株式会社
（単相50 kVAのみ）
R6600-F6300-6000（V）
F6750-R6600-F6450-F6300-6150（V）
耐熱クラス
産業čŜľŒ事業本部千葉工場設計第一部ŋŔıŒ課
210，420，440（V）
210-105（V）
電話}0436~42-8130
F
（2015 年 10 月 15 日 Web 公開）
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
302（72）
2015-S07-2
新製品
紹介
サーキットプロテクタ「CP30F シリーズ」
Circuit Protector “CP30F Series”
江村 武史 * EMURA,Takeshi
ĞsĖĬıŀŖįĘĨåh機器内ä回路Ĉ保護ÏāÕ
÷ä過電流保護機能ÞhĢčĬĪÞÍÜä機能Ĉ併Ñ持
ケース・カバー
Ú遮断器ݸĀh近年ä FA 機器hOA 機器hĜŜĽŎs
ケース・カバー
端子ねじ
ĨÀþé周辺機器ä進展ÞÞøá普及Â拡大Íܺāg
富士電機åh制御回路用ĞsĖĬıŀŖįĘĨÞÍÜh
端子ねじ
1983 年á‡CP-D ĠœsģˆĈh1993 年á‡CP-F Ġœs
ģˆĈ発売Íh好評Ĉ得ÜÃÕg発売当時á比ïÜŏs
新製品紹介
ğäĴsģå多様化ÍhÁÚºÙÓ¼高度化ÍÜÃܺ
（a）
「CP30F シリーズ」
āg富士電機åhɼÍÕĴsģĈ踏ô¾h安全性Þ配
線時ä作業性Ĉ向上ËÑÕĞsĖĬıŀŖįĘĨ‡CP30F
主端子カバー
（別売）
g本稿ÝåhCP30F Ġœs
ĠœsģˆĈ開発ÍÕ}図 ~
ģä特徴áÚºÜ述ïāg
開発の狙い
制御回路用ĞsĖĬıŀŖįĘĨĈåÎ÷ÞÏā制御
（b）従来品
盤用äĜŜņsĶŜıá対Ïāŏsğä主à要求åh次
äÞÀĀݸāg
図2
製品の内部構造
⒜ 制御盤ä小型化á対応ÍÕĜŜņsĶŜıä小型化
⒝ 高機能化h複雑化Ïā機械á対Ïā安全性ä向上
ݸāg
⒞ 配線時ä作業性ä向上àßáþāhısĨŔĜĢ
⒜ 主回路ä端子ĔĹsä機能Ĉ本体á一体化ÍÜ製
ıĩďŜĈ可能ÞÏā製品構成
品Ĉ小型化Íh体積å 20 % 減h専有面積å 20 % 減Ĉ
⒟ 国内向ÇÞ輸出向Çä同一設計Â可能à仕様
達成ÍÕg
⒝ 指Â充電部á触Ăàºþ¼á IP20 構造Ĉ標準Ý採
用ÍÜh安全性Ĉ確保ÍÕg
製品の特徴
⒞ ãÎĈ外ËÐá丸型圧着端子Ĉ配線ÝÃāãÎ
図
á製品ä内部構造Ĉ示Ïg主à特徴å次äÞÀĀ
ċĬŀ構造Ĉ採用ÍÕgôÕh端子配列Ĉ見直ÍÜ
主端子Þ補助端子ä配線作業ä順序ĈàÅÍÕÉÞ
Ýh主端子Þ補助端子ä増Í締÷Â個別á可能Þà
Āh配線時ä作業性Â向上ÍÕg
⒟ 国内Þ海外Ý同一仕様äĞsĖĬıŀŖįĘĨÝ
対応ÝÃāþ¼áÏāÕ÷h主要à国内j海外規格á
適合ËÑÕgIEChCCChUL/SCAhKChPSE}JIS~
Ĉ標準Ý取得Íܺāg
仕 様
表 1 á CP30F Ġœsģä主à仕様Ĉ示ÏgĞsĖĬı
ŀŖįĘĨä仕様åh対象Þàā装置ú機器áþÙÜË
図 1 「CP30F シリーズ」
ôÌôàøäÂ必要ݸāgCP30F Ġœsģåh従来品
Þ同Î極数h定格電流h動作特性äĹœđsĠŐŜĈ持
*
富士電機機器制御株式会社開発本部受配電開発部
×àÂÿh端子部ä構造Ĉ刷新ÍÜ安全性Þ配線時ä作
2015-S08-1
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
303（73）
サーキットプロテクタ「CP30F シリーズ」
表
「CP30F シリーズ」の主な仕様
表
CP30Fシリーズ
極数
端子
配綫
必
做業
CP30Fシリーズ
CP-Fシリーズ
（従来品）
ねじを緩める
ー
〇
ねじを外す
ー
〇
CP-Fシリーズ（従来品）
１，
２，
３
外形寸法
（幅×縦×奥行）
17.5×73×66
（mm）
主端子構造
主端子カバー
17.5×92.6×65
（mm）
ねじアップ構造
ねじ
ねじを圧着端子と合わせる
ー
〇
ケース・カバーに統合
別売
圧着端子を端子板に合わせる
〇
〇
定格電流
0.1 ∼ 30 A
定格使用電圧
AC250 V
DC65 V
AC240 V
DC60 V
動作特性
低速，中速，瞬時
遮断容量
2.5kA
補助端子
ねじ端子
補助端子カバー
ねじを締める
〇
〇
主端子カバーを付ける
ー
〇
補助端子
付属
別売
付属品
業性Â大幅á向上ÍÕg
新製品紹介
主端子
端子部の構造と配線作業性の向上
（a）
「CP30F シリーズ」
（b）従来品
従来品Ýåh増Í締÷時á端子ĔĹsĈ取Ā外Ï必要
¸Āh配線時áãÎĈ誤ÙÜ紛失Ïā恐øÙÕg
CP30F ĠœsģÝåh図
図5
主端子と補助端子の位置関係
á示Ïþ¼á端子ãÎä座金
áĢŀœŜęĈ配置Íh端子ãÎĈ緩÷āÞ座金Þ一緒
充電部á触ĂຠIP20 構造ÞÍÕg
ÉäãÎċĬŀ構造Þ IP20 構造ä二ÚĈ組õ合ąÑā
á端子ãÎÂ持×上ÂāãÎċĬŀ構造Ĉ採用ÍÕgÉ
ĂáþĀh端子ãÎĈ取Ā外ÏÉÞàÅ丸型圧着端子ä
付ºÕ電線Ĉ接続ÝÃāþ¼áÍÕgôÕh図
á示Ï
þ¼áh端子ãÎä外側ĈĚsĢjĔĹsÝ覆ºh指Â
á示Ïþ¼á CP30F Ġœsģå従来品
ÉÞáþĀh表
á比ïÜ必要à作業Â少àÅh配線時ä作業性Â向上Í
ܺāg
Ëÿáh図
á示Ïþ¼á主端子Þ補助端子ä位置関
係Ĉ見直Íܺāg従来品Ýåh補助端子Â左右両方á
¸āÕ÷áh主端子h補助端子ä順á接続Ïā必要¸Āh
端子ねじ
ôÕh保守作業Ý主端子Ĉ増Í締÷Ïā際åh付属品ä
配線Â邪魔áàÙܺÕgCP30F ĠœsģÝåh補助端
座金
子ä位置Ĉ右側áôÞ÷āÉÞáþĀh主端子Þ補助端
子ä順序Ĉ問ąÐ配線ÝÃāþ¼áàāÞÞøáh主端
スプリング
端子板
子ä増Í締÷ÖÇĈ行¼ÉÞÂÝÃāg
発売時期
2015 年 7 月
図3
ねじアップ構造
お問い合わせ先
富士電機機器制御株式会社
端子ねじ
（充電部）
事業統括本部業務部受配機器課
}03~5847-8060
ケース・カバー
端子板
（充電部）
図4
IP20 構造
（2015 年 11 月 13 日 Web 公開）
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
304（74）
2015-S08-2
新製品
紹介
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
7th-Generation “X Series” IGBT Module
川畑 潤也 * KAWABATA, Junya
百瀬 文彦㾙 MOMOSE, Fumihiko
小野澤 勇一 㾚 ONOZAWA, Yuichi
近年hđĶŔės消費量ä増加á伴¼đĶŔės資源
ä枯渇úhCO2 排出量ä増加áþā地球温暖化ä加速Â
特 徴
世界的á深刻à問題ÞàÙܺāgÉäþ¼à中h産
IGBT ŋġŎsŔä小型化j低損失化Þ Tjop=175 ℃ä実
業h民生h自動車h再生đĶŔėsàßäËôÌôà分
á示Ïþ¼á V Ġœsģ IGBT ŋġŎs
野ÝĺŘs半導体İĹčĢĈ用ºÕ電力変換装置ä適用
現áþĀh図
Â広ÂÙÜÀĀhÉÉáå IGBT}Insulated Gate Bipolar
Ŕá比ïÜ出力電流Â約 35 % 増加Íh電力変換装置äË
Transistor~ŋġŎsŔÂ主á用ºÿĂܺāg電力変換
ÿàā高ĺŘs密度化áþā小型化Ĉ可能áÍÕg
ĢıĩďŜ~ú高効率化}低損失化~
h高信頼性化Â不可
.
IGBT モジュールの小型化・低損失化
X Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔåhIGBT Þ FWD ä低損
欠ݸāg
富士電機Ýå電力変換装置äËÿàā小型化j高効率
化j高信頼性化Ĉ実現ÏāÕ÷áh新ÕàĪĬŀ技術À
失化hàÿéáĺĬĚsġä高放熱化Þ高信頼性化áþ
ĀhËÿàā小型化j低損失化Ĉ達成ÍÕg
例ÞÍÜhEP2 ĺĬĚsġĈ適用ÍÕ 1,200 Vj75 A 定
þéĺĬĚsġ技術Ĉ適用ÍÕ第 7 世代‡X Ġœsģˆ
gX Ġœsģ IGBT
IGBT ŋġŎsŔĈ開発ÍÕ} 図 ~
ŋġŎsŔÝåhIGBT Þ FWD}Free Wheeling Diode~
200
äĪĬŀä小型化j低損失化äõàÿÐh高温動作時á
V シリーズ EP3（75 A）
頼性ä向上ø実現ËÑÕgĺĬĚsġä放熱性h耐熱性
àÿéá信頼性ä向上áþĀhIGBT ä連続動作時ä最高
温度 Tjop Ĉ第 6 世代‡V ĠœsģˆIGBT ŋġŎsŔþĀ
ø 25 ℃高º 175 ℃á向上ËÑÕg
175
150
X シリーズ
jop
V シリーズ
jop
X シリーズ EP2
（75 A）
C
125
約 35% 増加
100
35
図2
45
55
65
インバータ出力電流（A）
電力損失 (W)
85
=35 A, O=50 Hz, C=4/8 kHz, cosφ=0.9,
=40 ℃，逆回復d /d =10 kV/µs
140
O
a
115 ℃
120
69 W
100
105 ℃
80
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュール
75
インバータ出力電流と IGBT 接合温度
DC=600 V,
変調率=1.0,
100
図1
=600 V
=50 Hz
=8 kHz
cosφ=0.9
変調率 =1.0
a=40 ℃
逆回復d /d =10 kV/µs
DC
O
62 W
85 ℃
60
92 ℃
j
43 W
40
80
47 W
rr
60
f
on
40
off
*
20
富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部事業統括部ŋġŎsŔ技
20
sat
術部
0
0
=4 kHz
㾙 富士電機株式会社技術開発本部電子İĹčĢ研究所次世代ŋġŎsŔ
IGBT接合温度 (℃)
IGBT接合温度（℃）
低下Â懸念ËĂā種々ä特性Ĉ向上ËÑāÉÞáþĀ信
C
C
=8 kHz
=4 kHz
C
C
=8 kHz
X シリーズ EP2（75 A） V シリーズ EP3（75 A）
開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部
㾚 富士電機株式会社電子İĹčĢ事業本部開発統括部İĹčĢ開発部
図3
2015-S09-1
通常運転時の電力損失と IGBT 接合温度
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
305（75）
新製品紹介
装置ä今後äËÿàā普及äÕ÷áåh装置ä小型化}Ĝ
第７世代「X シリーズ」IGBT モジュール
表
第 7 世代「X シリーズ」IGBT モジュールのラインアップ
定格電流
外形
W×D（mm）
650 V定格製品
1,200 V定格製品
1,700 V定格製品
Small PIM1
33.8×48
10, 15, 20, 30 A
10, 15 A
−
Small PIM2
56.7×48
50 A
25, 35 A
−
EconoPIM*2
45×107.5
50, 75, 100 A
35, 50, 75 A
−
EconoPIM3
62×122
100, 150 A
75, 100, 150 A
−
62×122
−
100, 150, 200 A
−
34×94
100, 150, 200 A
100, 150, 200 A
75, 100, 150 A
45×92
300, 400 A
200, 300 A
−
62×108
400, 600 A
300, 400, 450, 600 A
150, 200, 300, 400 A
80×110
600 A
450, 600 A
300, 400 A
パッケージ
回路構成
PIM
EconoPACK*
6 in 1
Std. 2in1
2 in1
Dual XT
EconoPACK+
6 in1
PrimePACK*2
62×150
−
300, 450, 600, 800 A
300, 450, 600, 800 A
150×162
−
300, 450, 600 A
300, 450 A
89×172
−
600, 900, 1,200 A
650, 1,200 A
89×250
−
1,400, 1,800 A
1,000, 1,400, 1,800 A
2 in1
PrimePACK3
格製品áÚºÜ述ïāgV Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔä
最 大 電 流 定 格 å 50 A Ý ¸ Ù Õ ÂhX Ġ œ s ģ IGBT ŋ
.
放熱化áþÙÜĪĬŀĞčģĈ小型化Íh同一ĺĬĚs
製品ラインアップ
表 1 á X Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔäŒčŜċĬŀĈ
ġŎsŔåhIGBT Þ FWD ä低損失化ÞĺĬĚsġä高
示Ïg
ġÝ 75 A ôÝ拡大ÍÕg同Î電流定格Ý比較ÏāÞh従
来å EP3 ĺĬĚsġĈ使用ÍܺÕÞÉăÝ EP2 ĺĬ
背景となる技術
Ěsġá置Ã換¾āÉÞáþÙÜhľĬıŀœŜıĈ約
á通常運転時ä電力損失Þ IGBT 接
36 % 低減ÍÕg図
.
IGBT と FWD の低損失化
合温度ä比較Ĉ示ÏgV Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔá比
IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ Ĉ 小 型 化 Ï ā Õ ÷ á åhIGBT Þ
ïÜh電力損失å約 10 %h接合温度å 10 ℃低下Íh小型
FWD ä損失Ĉ大幅á低減ÍÜĪĬŀĞčģĈ小型化Ïā
ÉÞÂ不可欠ݸāgIGBT Þ FWD äēŜ電圧ÞĢčĬ
化Þ低損失化Â可能áàÙÕg
ĪŜę損失ä関係Ĉ示ÏıŕsIJēľ特性Ĉ図
á示Ïg
第 7 世代 IGBT åIJœľı層ä薄化hàÿéá表面ěs
T jop=175 ℃の実現
.
X Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔÝåh電力変換装置äË
ı構造ä最適化áþÙÜēŜ電圧Ĉ大幅á低減ÏāÞÞ
ÿàā高出力電流化Ĉ可能ÞÏāÕ÷h高温動作時ä特
øáhňŒs容量ä低減áþÙÜĨsŜēľ損失Ĉ低減
性ú耐量hàÿéáĺĬĚsġä耐熱性ú信頼性Ĉ向上
ÍÕg
ËÑÕÉÞÝhTjop Ĉ従来ä 150 ℃Áÿ 175 ℃á向上ÍÕg
ターンオフ損失： CC=600 V, C=100 A, GE=+15/−15 V,
コレクタ−エミッタ間電圧： C=V シリーズ定格電流密度 , GE=+15 V
140
120
ôÕh第 7 世代 FWD áÀºÜøhIJœľı層ä薄化
逆回復損失： CC=600 V, GE=+15/−15 V, 逆回復 d /d =10 kV/µs
順方向電圧： F=V シリーズ定格電流密度 , GE=0 V
80
100
80
第 7 世代 IGBT
60
40
20
（
0
1.2
j
2.2
306（76）
40
第 7 世代 FWD
30
20
（
=150 ℃ 1,200 V/100 A 定格チップ）
j
1.6
1.7
1.8
順方向電圧（V）
（b）FWD
トレードオフ特性
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
50
0
1.5
（a）IGBT
図4
60
10
=150 ℃ 1,200 V/100 A 定格チップ）
1.4
1.6
1.8
2.0
コレクタ−エミッタ間電圧（V）
第 6 世代 FWD
70
第 6 世代 IGBT
逆回復損失 (µJ/A)
ターンオフ損失 (µJ/A)
新製品紹介
＊ EconoPIM，EconoPACK，PrimePACK：Infineon Technologies AG の商標または登録商標
2015-S09-2
1.9
2.0
第７世代「X シリーズ」IGBT モジュール
áþā順方向電圧ä低減á加¾Üh少数ĖŌœċŒčľ
čĘŔ耐量~ä低下ÞĠœĜsŜěŔä長期絶縁性能ä
ĨčʼnĜŜıŖsŔä最適化áþÙÜh逆回復損失ä低
低下ݸāgX Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔÝåhĪĬŀ
減Þ滑ÿÁà逆回復波形Ĉ実現ÍÕgÉäþ¼à大幅à
上äċŔňĴďʼnŘčōÞĪĬŀ下åĉÖä材料ú接合
損失低減àßáþĀh第 7 世代ä IGBT Þ FWD åĪĬ
方法Ĉ最適化ÍhΔT j ĺŘsĞčĘŔ耐量 V Ġœsģ
IGBT ŋġŎsŔá比ïÜ約 2 倍向上ÍÕ}Tjmax=175 ℃h
ŀĞčģä小型化Ĉ実現ÍÕg
ΔT j=50 ℃~
gôÕh従来äĠœĜsŜěŔå 175 ℃ä環
.
境下Ýå硬化ÍúÏÅhěŔÂ裂ÇÜ絶縁性能Â低下Ï
高放熱の AlN 絶縁基板
ĪĬŀĞčģÞ製品ä小型化áþāĺŘs密度ä上昇
āÉÞÂ課題ݸÙÕg開発ÍÕĠœĜsŜěŔåh組
åhIGBT 接合温度ä上昇ú熱集中Ĉ引Ã起ÉÏgÉä課
成Ĉ見直ÍÜ 175 ℃環境下Ýä硬化Ĉ抑制Íh長期的à
題Ĉ解決ÏāÕ÷áh高放熱ä新ͺ AlN}窒化ċŔň
絶縁性能Ĉ確保ÍÕgÉĂÿä新技術áþÙÜhX Ġœs
Ĵďʼn~絶縁基板Ĉ開発ÍÕgAlN å高放熱äĤŒňĬ
ģ IGBT ŋġŎsŔÝå Tjop=175 ℃Â可能ÞàĀhËÿ
ĘĢÞÍÜþÅ知ÿĂÜÀĀhX Ġœsģ IGBT ŋġŎs
àā高信頼性化Ĉ実現ÍÕg
ŔÝå長期信頼性äËÿàā向上Þ低熱抵抗化Ĉ実現
ÍÕg開発ÍÕ AlN 絶縁基板åhĤŒňĬĘĢä焼成
発売時期
条件ä見直ÍáþĀ曲È強度Ĉ向上ËÑÕÉÞÝh従来
2015 年 8 月Áÿ順次ĞŜŀŔ展開
ä AlN 絶縁基板á比ïÜ大幅á薄ÅÍÕÉÞáþĀh熱
2016 年 4 月Áÿ順次量産
新製品紹介
ĢıŕĢÂ緩和Íh温度ĞčĘŔ耐量Â大幅á向上ÍÕg
ôÕh熱抵抗ø約 45 % 低減Íh小型化á伴¼ IGBT ä接
お問い合わせ先
合温度ä上昇Þº¼課題Ĉ解決ÍÕg
富士電機株式会社
.
高信頼性・高耐熱パッケージ
営業本部半導体統括部営業第１部
Tjop=175 ℃ä実現á当ÕÙÜ課題ÞàāäÂh熱Ģı
電話}03~5435-7152
ŕĢä繰返Íá対ÏāĺĬĚsġä寿命}ΔT j ĺŘsĞ
（2015 年 11 月 27 日 Web 公開）
2015-S09-3
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
307（77）
略語（本号で使った主な略語）
APF
Annual Performance Factor
BSD
Boot-Strap-Diode
DPF
Diesel Particulate Filter
İČsĥŔ微粒子捕集ľČŔĨ
EGR
Exhaust Gas Recirculation
排気再循環
EMC
Electromagnetic Compatibility
電磁両立性
EMI
Electromagnetic Interference
電磁障害
EV
Electric Vehicle
電気自動車
FEM
Finite Element Method
有限要素法
FWD
Free Wheeling Diode
HEV
Hybrid Electric Vehicle
HVIC
High Voltage Integrated Circuit
ĸčĿœĬIJ自動車
HVJT
High Voltage Junction Termination
高耐圧終端構造
IE
Injection Enhanced
電子注入促進
IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
絶縁ěsı型ĹčņsŒıŒŜġĢĨ
IP
International Protection
IPM
Intelligent Power Module
LDMOSFET
Laterally Diffused MOSFET
LVIC
Low Voltage Integrated Circuit
略語・商標
MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
OBD
On-Board Diagnostics
OCP
Over Current Protection
過電流保護
PCS
Power Conditioning Sub-system
ĺŘsĜŜİČĠŐij
PFC
Power Factor Correction
力率改善
PiN
P-intrinsic-N
PWM
Pulse Width Modulation
ĺŔĢ幅変調
RC-IGBT
Reverse-Conducting IGBT
逆導通 IGBT
SBD
Schottky Barrier Diode
SEM
Scanning Electron Microscopy
走査型電子顕微鏡
SPM
Suspended Particulate Matter
浮遊粒子状物質
UPS
Uninterruptible Power System
無停電電源装置
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
308（78）
商標（本号に記載した主な商標または登録商標）
Infineon Technologies AG ä商標ôÕå登録商標
EconoPACK
EconoPIM
Infineon Technologies AG ä商標ôÕå登録商標
PrimePACK
Infineon Technologies AG ä商標ôÕå登録商標
その他の会社名，製品名は，それぞれの会社の商標または登録商標である。
訂正：富士電機技報. 2015, vol.88, no.1, p.81.
富士電機技報. 2015, vol.88, no.3, p.216, p.219, p.222, p.224, p.227.
（誤）フッターに記載漏れ
（正）フッターに記載
no.1, p.81. }2015 年 3 月 20 日 Web 公開~
no.3, p.216. }2015 年 4 月 10 日 Web 公開~
no.3, p.219. }2015 年 4 月 24 日 Web 公開~
no.3, p.222. }2015 年 4 月 24 日 Web 公開~
no.3, p.224. }2015 年 7 月 21 日 Web 公開~
no.3, p.227. }2015 年 9 月 18 日 Web 公開~
略語・商標
訂正：富士電機技報. 2015, vol.88, no.3, p.176.
（正）ハイブリッド ZERO：圧縮機＋補機
（誤）ハイブリッド ZERO：電気ヒータ
1.2
1.2
1.0
0.8
電気ヒータ
0.6
0.4
圧縮機＋補機
0.2
0
図
HHCモード，照明除く
消費電力
（従来機全体＝1）
消費電力
（従来機全体＝1）
HHCモード，照明除く
従来機
0.8
電気ヒータ
0.6
0.4
圧縮機＋捕機
0.2
0
ハイブリッドZERO
従来機と「ハイブリッド ZERO」の消費電力
1.0
図
従来機
ハイブリッドZERO
従来機と「ハイブリッド ZERO」の消費電力
訂正：富士電機技報. 2015, vol.88, no.3, p.185.
（正）一定速圧縮機
（誤）一定過圧縮機
冷凍機
ゴムホース
継手
外気温センサ
凝縮器
コンデンサ
出口センサ
EVHA
カップ
リング
パルス式
電子膨張弁
スト
レーナ
ストレーナ
ドライヤ
EVHB
蒸発温度センサ
熱交換器
EVA1
蓄冷材
EVA2
熱交換器
可変膨張
蓄冷材
D-BOX
冷凍機
ゴムホース
継手
外気温センサ
凝縮器
コンデンサ
出口センサ
EVHA
カップ
リング
パルス式
電子膨張弁
スト
レーナ
蓄冷材
センサ
ストレーナ
ドライヤ
EVHB
蒸発温度センサ
熱交換器
EVA1
蓄冷材
EVA2
熱交換器
可変膨張
蓄冷材
D-BOX
ゴムホース
EVB1
蓄冷材
EVB2
蓄冷材
EVHA
スト
EVL レーナ
アキュム
レータ
EVB1
蓄冷材
EVB2
蓄冷材
EVHA
コンテナ内圧調整弁
吐出
センサ
蓄冷材
センサ
D-BOX
ゴムホース
一定速圧縮機
D-BOX
パイロット弁
図 1 0 冷却回路図
コンテナ内圧調整弁
一定過圧縮機
過熱度センサ
吐出
センサ
スト
EVL レーナ
アキュム
レータ
過熱度センサ
パイロット弁
図 1 0 冷却回路図
富士電機技報 2015 vol.88 no.4
309（79）
主要事業内容
発電・社会インフラ
パワエレ機器
環境にやさしい発電プラントとエネルギーマネジメントを融合させ，
エネルギーの効率化や安定化に寄与するパワーエレクトロニクス応
スマートコミュニティの実現に貢献します。
用製品を提供します。
発電プラント
ドライブ
火力・地熱・水力発電設備，原子力関連機器，太陽光発電システム，
燃料電池
インバータ・サーボ，モータ，EV（電気自動車）システム，輸送
システム
社会システム
パワーサプライ
エネルギーマネジメントシステム，電力量計，スマートメーター
無停電電源装置，パワーコンディショナ
社会情報
器具
情報システム
受配電・制御機器
産業インフラ
電子デバイス
産業分野のさまざまなお客様に，生産ライン・インフラ設備に関わ
産業機器・自動車・情報機器および新エネルギー分野に欠かせない
る
パワー半導体をはじめとする電子デバイスを提供します。
省エネ化
ライフサイクルサービス
を提供します。
変電
半導体
変電設備，産業電源設備
パワー半導体，感光体
機電システム
ディスク媒体
産業用ドライブシステム，加熱・誘導炉設備，工場エネルギーマ
ネジメントシステム，データセンター，クリーンルーム設備
ディスク媒体
計測制御システム
プラント制御システム，計測システム，放射線管理システム
食品流通
冷熱技術をコアに，メカトロニクス技術や IT を融合し，お客様に最
設備工事
電気・空調設備工事
適な製品とソリューションを提供します。
自販機
飲料・食品自販機
店舗流通
流通システム，ショーケース，通貨機器
富士電機技報 第 88 巻 第 4 号
次号予定
平成 27 年 12 月 20 日 印刷 平成 27 年 12 月 30 日 発行
富士電機技報 第 89 巻 第 1 号
特集 製品開発を支えるシミュレーション技術と製品デザイン
編集兼発行人
発
行
所
江口 直也
富士電機株式会社 技術開発本部
〒 141-0032 東京都品川区大崎一丁目 11 番 2 号
}ěsıĠįČ大崎čsĢıĨŘs~
富士電機技報企画委員会
編 集j印 刷
企画委員長
江口 直也
企画委員幹事
瀬谷 彰利
企 画 委 員
荻野 慎次 斎藤 哲哉 片桐 源一 根岸 久方
富士ēľČĢ＆ŒčľĞsļĢ株式会社内
‡富士電機技報ˆ編集室
〒 191-8502 東京都日野市富士町 1 番地
電話}042~585-6965
FAX}042~585-6539
八ĭ田 豊 尾崎 覚 鶴田 芳雄 久野 宏仁
須藤 晴彦 吉田 隆 橋本 親 眞下 真弓
発
売
元
株式会社 ēsʼn社
〒 101-8460 東京都千代田区神田錦町三丁目 1 番地
電話}03~3233-0641
振替口座 東京 6-20018
価
756 円}本体 700 円j送料別~
安納 俊之 大山 和則
特 集 委 員
鶴田 芳雄
事
木村 基 小野 直樹 山本 亮太 柳下 修
務
局
定
＊本誌á掲載ËĂܺā論文Ĉ含÷h創刊ÁÿäċsĔčĿĢå下記 URL Ý利用ÝÃôÏg
富士電機技報}和文~ http://www.fujielectric.co.jp/about/company/contents_02_03.html
FUJI ELECTRIC REVIEW}英文~ http://www.fujielectric.com/company/tech/contents3.html
＊本誌á記載ËĂܺā会社名Àþé製品名åhÓĂÔĂä会社Â所有Ïā商標ôÕå登録商標ݸā場合¸ĀôÏg
© 2015 Fuji Electric Co., Ltd., Printed in Japan}禁無断転載~
310（80）
富士電機技報 vol.88 2015
（平成 27 年） 総目次
No.1
特集 パワーエレクトロニクス機器
特集á寄Ñ܀ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機器ä特集á寄ÑÜ xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
現状Þ展望€ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機器ä現状Þ展望 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
All-SiC ŋġŎsŔ搭載äŊĕĦsŒs用 PCS‡PVI1000 AJ-3/1000ˆxxxx 大島 雅文
前田 哲也
北米向Ç 3 ŕłŔ適用大容量高効率 UPS‡7000HX-T3Uˆxxxxxxxxx 川崎 大介
濵田 一平
三相 200 V 系大容量 UPS‡6000DX Ġœsģˆ xxxxxxxxxxxxxx 玉井 康寛
木水 拓也
ęŖsĹŔ対応ä汎用čŜĹsĨ‡FRENIC-HVAC/AQUA Ġœsģˆ
‡FRENIC-Ace Ġœsģˆ xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 河野 博之
三垣 巧
SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔĈ搭載ÍÕ 690V 系列čŜĹsĨ
‡FRENIC-VG ĢĨĬĘĠœsģˆ xxxxxxxxxxxxxxxxxx 佐藤 和久
富士電機äıĬŀŒŜijsŋsĨ
――‡ŀŕňċʼn効率ŋsĨˆä損失低減技術―― xxxxxxxxxxx 舘 憲弘
čŜĹsĨ一体型ŋsĨxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
鉄道車両用ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機器ä小型j軽量化技術xxxxxxxxxxxxxxx
鉄道車両用IJċä最新動向Þ安全j信頼性技術xxxxxxxxxxxxxx
北陸新幹線新黒部変電所向Ç電力補償装置xxxxxxxxxxxxxxxx
港湾Àþé造船所向Ç多機能陸電設備xxxxxxxxxxxxxxxxxx
ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機器äĠňŎŕsĠŐŜ技術xxxxxxxxxxx
ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機器ä国際標準化活動xxxxxxxxxxxxxx
解説
梅澤幸太郎
尾曽 弘
宮下 勉
松本 寛之
高橋 弘
3} 3 ~
7} 7 ~
13}13~
18}18~
Johann W. Kolar
友高 正嗣
村津 宏樹
佐藤 篤司
松永 和喜
22}22~
皆見 崇之
27}27~
高野 信
野村 和貴
32}32~
鯉渕 博文
宇津野 良
滝沢 将光
高橋 和利
松井 康平
西嶋 与貴
36}36~
41}41~
46}46~
寺崎 富雄
金子 知実
梅沢 一喜
玉手 道雄
吉岡 康哉
稲玉 繁樹
鈴木 明夫
城市 洋
吉川 功
佐藤以久也
50}50~
56}56~
62}62~
66}66~
71}71~
機能安全hĺŘsİĹčĢä駆動条件hĺŘsİĹčĢä発生損失hIPhSILh３ŕłŔ電力変換方式 xxxxxxxxxx76}76~
新製品紹介論文
国内向Ç高性能ĜŜĺĘı型čŜĹsĨ‡FRENIC-Aceˆxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx79}79~
No.2
特集 2014 年度の技術成果と展望
特集á寄Ñ܀
{電気h熱đĶŔės技術ä革新áþĀh安全j安心Ý持続可能à社会ä実現á貢献|xxx 北澤 通宏
特別対談€
{ĺŘs半導体ÞĺŘsđŕĘıŖĴĘĢĈ核áhĶĬıŘsĘ化h
江口 直也
標準化ä時代Ĉß¼進öÁ|―― IoThM2M Áÿ始ôāøäÚÅĀä大変革 ―― x 新 誠一
86} 2 ~
成果Þ展望€
{強ºĜŜņsĶŜıĈĜċáÍÕđĶŔėsĦœŎsĠŐŜä提供|xxxxxxxxxxx 江口 直也
ĸčŒčıxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
発電ĠĢįʼn □火力j地熱ŀŒŜı □再生可能đĶŔėsj電力安定化 □燃料電池 □原子力xxxxxxxxxx
社会čŜľŒ □系統j配電 □đĶŔėsŇĶġŊŜı □社会環境xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
産業čŜľŒ □変電ĠĢįʼn □産業ŀŒŜı □産業計測機器xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
ĺŘđŕ機器 □駆動ĠĢįʼn □電源ĠĢįʼn □輸送ĠĢįʼn □受配電j開閉j制御機器ĜŜņsĶŜıxxxxx
電子İĹčĢ □ĺŘs半導体 □感光体 □İČĢĘ媒体xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
食品流通 □自動販売機 □店 舗 □流通ĠĢįʼnxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
基盤j先端技術 □基盤技術 □先端技術xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
96}12~
102}18~
110}26~
114}30~
120}36~
133}49~
140}56~
145}61~
148}64~
88} 4 ~
総目次
No.3
特集 食品流通の冷熱技術とグローバルソリューション
特集á寄Ñ܀食品流通技術ä発展îä期待 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
現状Þ展望€食品流通ä冷熱技術ÞęŖsĹŔĦœŎsĠŐŜä現状Þ展望 xxxxxxxxxxxxxx
đġĐĘĨ冷凍ĞčĘŔ適用ä CO₂ 冷媒ĻsıņŜŀ式自動販売機 xxxx 鶴羽 健
山上 雄平
ĻsĨ電力 ZERO 自動販売機‡ĸčĿœĬIJ ZEROˆxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
ēľČĢ向Ç超小型ĔĬŀ式自動販売機‡FJX10ˆ xxxxxxxxxxxx 畔栁 靖彦
伊藤 修一
保冷ĜŜįij‡ĪŔIJĨčŀ D-BOXˆ xxxxxxxxxxxxxxxxx 隠塚将二郎
石野 裕二
čŜĹsĨ冷凍機搭載äIJœŜĘ用ĠŐsĚsĢxxxxxxxxxxxxx 村林 謙次
影山 利之
冷凍冷蔵倉庫向Ç省đĶŔės制御ĠĢįʼnxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 加藤 博志
大越 èă
杉本 幸治
松原 健
石田 真
西川 洋平
富樫 大
張 軼広
白木 崇志
161} 3 ~
162} 4 ~
168}10~
173}15~
178}20~
182}24~
187}29~
191}33~
自動販売機äęŖsĹŔ対応商品搬出機構xxxxxxxxxxxxxxxx 福田 勝彦
岩子 努
中島 規朗
IEC 規格対応ęŒĢľŖŜı自動販売機‡Twistarˆ xxxxxxxxxxx 阪 光広
松本 雅弘
渡辺 忠男
ęŖsĹŔ対応貨幣識別装置‡FGC Ġœsģˆ
‡FGB Ġœsģˆxxxxxx 大岩 武
田中 伸幸
山根 拓也
高温j高湿環境á対応ÍÕęŖsĹŔ自動販売機ä冷却技術xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 村瀬 孝夫
解説
đġĐĘĨxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
新製品紹介論文
操作性ÀþéĶĬıŘsĘä利便性Ĉ追求ÍÕŀŖęŒŇĿŔ表示器‡MONITOUCH V9 Advancedˆxxxxxxxxx
ęŖsĹŔĢĨŜĩsIJ温度調節計‡PXF Ġœsģˆxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
IEC 規格適合 7.2kV ĢčĬĪėōxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
ıĬŀŒŜijs基準Ĉ満足ÍÕėōsIJŋsĨ‡MGX Ġœsģˆ
‡MHX ĠœsģˆÞĿŕsĖŋsĨ‡MKS Ġœsģˆ xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
常時商用給電方式小容量 UPS‡UX100 Ġœsģˆ
196}38~
200}42~
205}47~
210}52~
No.4
214}56~
215}57~
217}59~
220}62~
223}65~
225}67~
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
特集á寄Ñ܀出来Ó¼øàºÉÞh思ºø寄ÿâÉÞ xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 清水 敏久
現状Þ展望€ĺŘs半導体ä現状Þ展望 xxxxxxxxxxxxxxxx 高橋 良和
藤平 龍彦
宝泉 徹
All-SiC ŋġŎsŔäĺĬĚsġ技術 xxxxxxxxxxxxxxxxxx 仲村 秀世
西澤 龍男
梨子田典弘
1,700 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔ xxxxxxxxxxxxxxxx 小根澤 巧
北村 祥司
磯 亜紀良
3,300 V 耐圧 SiC ĸčĿœĬIJŋġŎsŔ技術 xxxxxxxxxxxxxx 金子 悟史
金井 直之
辻 崇
第 7 世代‡X ĠœsģˆIGBT ŋġŎsŔ xxxxxxxxxxxxxxxx 川畑 潤也
百瀬 文彦
小野澤勇一
第２世代小容量 IPM xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 荒木 龍
白川 徹
小川 裕貴
IPM 用 HVIC 技術 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 上西 顕寛
赤羽 正志
山路 将晴
車載用第３世代直接水冷型ĺŘsŋġŎsŔxxxxxxxxxxxxxxx 荒井 裕久
樋口 恵一
小山 貴裕
車載用第 3 世代ĺŘsŋġŎsŔäĺĬĚsġ技術xxxxxxxxxxxx 郷原 広道
玉井 雄大
山田 教文
車載用 RC-IGBT xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 吉田 崇一
野口 晴司
向井 弘治
車載用燃料ĨŜĘ圧検知相対圧ĤŜĞxxxxxxxxxxxxxxxxxx 加藤 博文
芦野 仁泰
佐藤 栄亮
ĽsĘ負荷対応 PWM 電源制御 IC‡FA8B00 Ġœsģˆxxxxxxxxxx 松本 晋治
山根 博樹
藪崎 純
第 2 世代 低損失 SJ-MOSFET‡Super J MOS S2 Ġœsģˆxxxxxxxx 渡邉 荘太
坂田 敏明
山下 千穂
高速İČĢĘœsı IGBT‡High-Speed W Ġœsģˆ xxxxxxxxxx 原 幸仁
内藤 達也
加藤 由晴
新製品紹介論文
ċŋŔľĊĢŋŔıŒ‡FM-AT14ˆ xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
ĞsĖĬıŀŖįĘĨ‡CP30F Ġœsģˆxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
第７世代‡X ĠœsģˆIGBT ŋġŎsŔ xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
233} 3 ~
234} 4 ~
241}11~
245}15~
249}19~
254}24~
259}29~
264}34~
269}39~
274}44~
279}49~
283}53~
287}57~
292}62~
296}66~
301}71~
303}73~
305}75~
2015
Vol.88 No.
4
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
低炭素社会の実現に向けて，エネルギー利用の高効率化が非常に重要
になっています。特に，電気エネルギーは，自動車，産業機械，社会イ
ンフラ，家電製品など多くの分野でなくてはならないものであり，電気
エネルギーの高効率利用を実現するパワーエレクトロニクスの進展には
大きな期待が寄せられています。富士電機では，パワーエレクトロニク
ス技術のキーデバイスであり，エネルギー変換効率が高く，低ノイズで
使いやすいパワー半導体を開発しています。
本特集では，富士電機のパワー半導体について，最新の技術および製
品を紹介します。
表紙写真（左上から右回り）
車載用第３世代直接水冷型パワーモジュール，All-SiC モ
ジュール，3,300 V 耐圧 SiC ハイブリッドモジュール
富士電機技報 第 88 巻 第 4 号（通巻第 888 号）
2015 年 12 月 30 日発行 ISSN 2187-1817
富士電機技報 第 88 巻 第 4 号（通巻第 888 号）
2015 年 12 月 30 日発行
富士電機技報
エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
2015 Vol.88 No.4
本誌は再生紙を使用しています。
雑誌コード 07797-12 定価 756 円（本体 700 円）
2015
Vol.88 No.
特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体
4