富士時報 Vol.75 No.10 2002 U シリーズ IGBT モジュール（1,200 V） 小野澤 勇一（おのざわ ゆういち） 吉渡 新一（よしわたり しんいち） まえがき 大月 正人（おおつき まさひと） ターンオフ損失のトレードオフを，図２に出力特性の比較 を示す。図１から，1,200 V U シリーズ IGBT のトレード 汎用インバータや無停電電源装置（UPS）に代表される オフが，前世代の S シリーズ〔プレーナ NPT（Non Punch 電力変換機器は，常に高効率化・小型化・低価格化・低騒 Through）- IGBT〕に対して飛躍的に改善されていること 音化が要求されている。このため，インバータ回路に用い が分かる。上記の劇的な特性改善は NPT を進化させた られる電力変換用素子にも高性能化・低価格化が求められ フ ィ ー ル ド ス ト ッ プ 構 造 と ， MOSFET（ Metal Oxide ている。電力変換用素子にはその低損失性，駆動回路の容 Semiconductor Field Effect Transistor）で培われたトレ 易さから，現在では IGBT（Insulated Gate Bipolar Tran- ンチゲート構造の採用によるものである。次節でそれぞれ sistor）が主に使われており，富士電機においても 1988 年 の構造を解説する。 の製品化以来，さらなる低損失化・低価格化を進めてきた。 本稿では，トレンチゲート構造とフィールドストップ ２.１ フィールドストップ構造 （FS）構造の採用により，第四世代 IGBT モジュール（S 図３ にプレーナ NPT-IGBT とプレーナ FS-IGBT の断 シリーズ）に対して，大幅にトレードオフ特性を改善した 面図を示す。NPT-IGBT ではオフ時に空乏層がコレクタ 第五世代 IGBT モジュール（U シリーズ）のうち，主に海 側に接触しないようにドリフト層を厚くする必要があるが， 外の 400 V AC 電源ラインで使用される 1,200 V 系につい FS-IGBT では空乏層を止めるためのフィールドストップ て紹介する。 層が形成されているため，NPT に対してドリフト層の厚 さを薄くできる。このため，VCE（sat）を低減することがで 新型 IGBT の特徴 きる。また FS-IGBT ではドリフト層の厚さが薄いため過 剰キャリヤが少なく，また空乏層が伸びきった状態での中 図 １ に 今 回 開 発 を 行 っ た 新 型 IGBT（ ト レ ン チ FS - IGBT）のコレクタ - エミッタ間飽和電圧（VCE（sat））と 図１ VCE（sat）- ターンオフ損失間のトレードオフ 図２ 出力特性の比較 160 トレンチFS-IGBT 1,200 V/150 A V CC＝600 V，I C＝150 A， V G＝＋15 V/−15 V 125 ℃ 20 125 ℃ 室温 15 プレーナ NPT-IGBT 室温 トレンチ FS-IGBT 10 5 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 ことができる。 コレクタ電流密度 J C（A/cm2） ターンオフ損失（mJ/pulse） 25 性領域の残り幅が少ないため，ターンオフ損失を低減する 2.6 125 ℃ 120 室温 125 ℃ 80 プレーナNPT-IGBT 40 0 0 2.8 室温 トレンチFS-IGBT 0.5 V CE（sat（V） ） 1.0 1.5 2.0 V CE（sat（V） ） 2.5 小野澤 勇一 吉渡 新一 大月 正人 3.0 パ ワ ー 半 導 体 デ バ イ ス ， MOS IGBT モジュール開発設計および パ ワ ー 半 導 体 デ バ イ ス ， MOS ゲートパワーデバイスの研究開発 応用技術開発に従事。現在，富士 ゲートパワーデバイスの研究開発 に従事。現在，松本工場半導体基 日立パワーセミコンダクタ（株）松 に従事。現在，富士日立パワーセ 盤技術開発部。 本事業所開発設計部。 ミコンダクタ（株）松本事業所開発 設計部。 563（15） 富士時報 U シリーズ IGBT モジュール（1,200 V） Vol.75 No.10 2002 図５ 短絡波形 図３ IGBT 単位セルの断面比較 ゲート ゲート エミッタ n＋ p 短絡試験（ Vcc＝800 V，T j ＝125 ℃のとき） エミッタ n＋ p VGE n−（ドリフト層） n−（ドリフト層） VCE VGE ＝0 フィールドストップ層 コレクタ n p T W ＝24.6 s E SC＝8.36J IC 空乏層端 VCE ，I C ＝0 p コレクタ （a）プレーナNPT-IGBT 1,200 V/150 Aトレンチ FS- IGBT V CE：200 V/div，I C：500 A/div， 時間：5 s/div，V GE：20 V/div （b）プレーナFS-IGBT 図４ IGBT 単位セルの断面比較 図６ ターンオン波形比較 エミッタ エミッタ 層間絶縁膜 ターンオン （ T j ＝125 ℃のとき） 1,200 V/50 A 従来型 PiN n＋ p n＋ p コレクタ コレクタ （a）プレーナFS-IGBT （b）トレンチFS-IGBT T1 n− TR16 ゲート n− VCE ：200 V/div I C：25 A/div 時間：200 ns/div 新型 FWD T2 ゲート 層間絶縁膜 図７ FWD の出力特性の比較 ２.２ トレンチゲート構造 100 図 ４ にトレンチ FS-IGBT の断面図を示す。トレンチ ゲート構造を用いることによって，チャネル密度を向上さ を大幅に低減することができる。 一方でトレンチ IGBT ではチャネル密度が高いため，短 絡耐量が低いことが問題になるが，本構造では MOS の総 チャネル長を最適化することにより，VCE（sat）を犠牲にす 。 ることなく，高い短絡耐量を実現している（図５） 80 1,200 V/75 A FWD 60 40 125 ℃ 室温 20 0 順方向電流（A） と問題になる JFET 部分の抵抗も零にできるため，VCE（sat） 従来型PiN 80 順方向電流（A） せることができるとともに，プレーナでセル密度が上がる 100 新型FWD 60 125 ℃ 40 室温 20 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 順方向電圧（V） 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 順方向電圧（V） 新型 FWD の特徴 IGBT の高速化に伴い，スイッチング時の振動が大きな 問題になっている。富士電機では，FWD（Free Wheeling Diode）の表面構造とバルクの不純物プロファイルを最適 また，今回開発した FWD ではライフタイムキラーの最 化することにより，ソフトリカバリー化を実現し，高 適化により出力特性の温度係数を正にしたことにより，並 。 di/dt においても振動を抑制することに成功した（図６） 列運転に適したデバイスとなった（図７） 。 564（16） 富士時報 U シリーズ IGBT モジュール（1,200 V） Vol.75 No.10 2002 表１ 1,200 V U シリーズ IGBT モジュールの特性 表２ 1,200 V U シリーズ IGBT モジュールの系列概要 （a）絶対最大定格（記述がなければ T c ＝25 ℃） 項 目 記 号 コレクタ エミッタ間電圧 ゲート エミッタ間電圧 条 件 最大定格 単位 V CES 1,200 V V GES ±20 V IC Tc ＝25 ℃ 150 Tc ＝80 ℃ 100 Tc ＝25 ℃ 300 A 200 1ms − I C pulse Pc 接 合 温 度 Tj 200 1素子 保 存 温 度 Tstg 絶縁耐圧 （パッケージ） V iso EP3 100 −I C 600 W 150 ℃ −40∼＋125 ℃ 2,500 V AC：1min マウンティング 3.5 ターミナル 3.5 HEP3 （b）電気的特性（記述がなければ T c ＝25 ℃） 新型 PC2 特 性 記 号 条 件 typ. max. ー 1.0 I CES V GE ＝0 V V CE ＝1,200 V ー ゲート エミッタ間 漏れ電流 I GES V CE ＝0 V V GE ＝±20 V ー ー 0.2 ゲート エミッタ間 しきい値電圧 VGE（th） V CE ＝20 V I C ＝100 mA ー 7.0 ー T j ＝25℃ ー 1.95 ー T j ＝125℃ ー 2.2 ー T j ＝25℃ ー 1.75 ー T j ＝125℃ ー mA 1,200 （Terminal） V CE（sat） V GE ＝ 15 V IC＝ 100 A （Chip） 入 力 容 量 C ies 出 力 容 量 C oes A 2.0 ー 0.8 ー ー t on 1.2 ー ー V CC ＝600 V I C ＝100 A V GE ＝±15 V R g ＝4.7 Ω ターンオフ時間 nF t rr ー ー 0.6 ー ー 1.0 ー ー 0.3 T j ＝25℃ ー 2.0 ー T j ＝125℃ ー 2.0 ー T j ＝25℃ ー 1.8 ー T j ＝125℃ ー 1.8 ー ー ー 0.35 R th（j-c） ケース - フィン間熱抵抗 R th（c-f） 7MBR35UA120 35 7MBR35UB120 50 7MBR50UB120 75 7MBR75UB120 10 7MBR10UC120 15 7MBR15UC120 25 7MBR25UC120 35 7MBR35UC120 35 7MBR35UD120 50 7MBR50UD120 75 7MBR75UD120 75 6MBI75UA-120 75 6MBI75UB-120 100 6MBI100UB-120 150 6MBI150UB-120 2003 年 4 月 6MBI75UC-120 100 6MBI100UC-120 150 3MBI150UC-120 150 3MBI150U-120 75 7MBI75UD-120 100 7MBI100UD-120 150 7MBI150UD-120 2MBI75UA-120 100 2MBI100UA-120 150 2MBI150UA-120 150 2MBI150UB-120 200 2MBI200UB-120 200 2MBI200UC-120 300 2MBI300UC-120 M235 300 2MBI300UD-120 300 2MBI300UE-120 450 2MBI450UE-120 225 大容量 モジュール 6MBI225U-120 300 6MBI300U-120 450 6MBI450U-120 s 1,200 V U シリーズ IGBT モジュールの系列 特 性 デバイスの熱抵抗 （1素子） 7MBR25UA120 35 M238 V I F ＝100 A 記 号 25 M234 1.2 （c）熱抵抗特性 項 目 7MBR15UA120 M233 V F（Chip） 逆 回 復 時 間 15 75 V F（Terminal） IF＝ 100 A 7MBR10UA120 ー s tf ダイオード 順電圧 7MBR15UE120 10 ー 13.3 ー t off 7in1 （M631 または P611） M232 ー tr V V V GE ＝0 V V CE ＝10 V f ＝1MHz ターンオン時間 15 75 C res 帰 還 容 量 7MBR10UE120 新型 PC3 新型 PC2 コレクタ エミッタ間 飽和電圧 10 発売時期 単位 min. コレクタ エミッタ間 漏れ電流 V CE（sat） 型 名 HEP2 N・m ねじ締めトルク 項 目 電流定格 （A） EP2 1ms Tc ＝80 ℃ 最 大 損 失 パッケージ 小容量 PIM 連続 I C pulse コ レ ク タ 電 流 電圧定格 （V） 条件 単位 min. typ. max. IGBT ー ー 0.21 FWD ー ー 0.33 ー 0.05 ー ℃/W と特性 1,200 V U シリーズ IGBT モジュールの特性を 表１ ，系 列概要を 表２ に示す。また，1,200 V U シリーズ IGBT の パッケージ一覧を図８，系列相関を図９に示す。 565（17） 富士時報 U シリーズ IGBT モジュール（1,200 V） Vol.75 No.10 2002 図８ 1,200 V U シリーズ IGBT モジュールのパッケージ一覧 PIM 6 in 1 EP2 PC3 107.5 7 in 1 HEP2 122 16 107.5 110 M5 2 in 1 M232 16 16 51 50 45 62 34 93 EP3 大容量モジュール 122 30 23.5 17 20.5 17 20.5 92 HEP3 M6 U V 122 W M233 70 110 − + 50 − + 50 162 小容量 PIM1 M631 17 22 30 + 50 23.5 122 137 50 150 92 − 17 20.5 62 45 110 M235 118 62 57 85 31.4 B P N 108 W 20 30 V 22 20.5 U 小容量 PIM2 M238 33.4 80 65.6 30 20.5 110 図９ 1,200 V U シリーズ IGBT モジュールの系列相関図 あとがき 定格 電流 系列 小容量 PIM PIM 5A 10A 15A 25A 35A 50A 75A 100A 150A 200A 300A 450A 600A （5.5 kW） （11kW） （22 kW） （40 kW） （75 kW） 1,200V U シリーズについて概略を紹介した。特にこの 小容量PIM シリーズの IGBT は，トレンチゲート構造とフィールドス EP2/HEP2 EP3/HEP3 6 in 1 トップ構造という二つの新しい技術の採用により，非常に 温度センサ付き 新型PC3 （6 in 1） 温度センサ付き M631（7 in 1） 低損失なデバイスとなっており，装置の小型化・低損失化 に大きく貢献できると確信している。 大容量 モジュール （6 in 1） 2 in 1 /1 in 1 M232 M233 新型PC3 PIM/ EP ベクトル制御用 6 in 1 （Nラインオープン） （シャント抵抗付き） M238 M235 今後も，デバイスの高性能化・高信頼性化に取り組み， パワーエレクトロニクスの発展に貢献していく所存である。 M138 参考文献 （1） Laska, T. et al．The Field Stop IGBT（FS IGBT）ーーー A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential. Proc. 12th ISPSD．2000，p.355- 358． （2 ） 西村武義ほか．トレンチゲート MOSFET．富士時報． vol.72，no.3，1999，p.180- 182． 566（18） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。