富士時報 Vol.75 No.10 2002 インテリジェントパワーモジュール 「R-IPM 3，Econo IPM シリーズ」 渡辺 学（わたなべ まなぶ） 楠木 善之（くすのき よしゆき） 松田 尚孝（まつだ なおたか） Ｒ-IPM 3，Econo IPM の系列 まえがき 富士電機の IGBT-IPM（Insulated Gate Bipolar Tran- 表２にＲ-IPM 3 と Econo IPM の製品系列，特性および sistor-Intelligent Power Module）は，1993 年に J シリー 内蔵機能を示す。IGBT チップは，NPT プレーナを採用 ズ，1995 年に N シリーズ，1997 年に R シリーズの開発量 し，スイッチング損失の低減を図っている。FWD チップ 産化を行った。Ｊシリーズでは低損失，N シリーズではソ は，アノード構造を最適化しソフトリカバリー性をさらに フトスイッチング，そして R シリーズではオールシリコ 改善した。 ン化による信頼性とコストパフォーマンスの向上および チップ過熱保護機能による保護精度の向上を実現した。 Ｒ -IPM 3 シリーズは，従来のＲ -IPM シリーズと外形， 機能で互換性があり，リプレースに最適である。 近年のパワーエレクトロニクス応用製品のさらなる高周 Econo IPM シリーズは，外形を小型化し，取付面積を 波化，小型化，高効率化，低ノイズ化の要求を背景に，今 Ｒ -IPM 比で約 30 ％低減した。さらに上アームのアラー 回Ｒ-IPM をベースに損失改善を図った「Ｒ-IPM 3」およ ム出力を追加することによって，地絡などのトラブルに対 びＲ-IPM と Econo モジュールのコンセプトを融合した小 して，より確実な保護を可能にしている。 型・薄型の「Econo IPM シリーズ」を新たに開発したの で紹介する。 両シリーズとも，600 V 系で電流定格 50 ∼ 150 A，６個 組，７個組（ブレーキ用 IGBT 内蔵）を用意した。さらに IGBT は薄ウェーハプロセスの確立により実現した 100 20 A 小容量素子については，銅ベースタイプのパッケー μｍ厚の NPT（Non Punch Through）微細チップ（Ｔシ ジを適用することで使いやすさを向上させており，豊富な リーズ）を開発し，FWD（Free Wheeling Diode）には ラインアップから，用途にあった製品を提供可能としてい ソフトリカバリー性を向上させた新構造 FWD チップを新 る。図２に各 IPM の外形図を示す。 規に開発し適用している。 表１ に各 IPM シリーズの特徴 を示す。損失改善を実現しつつコストパフォーマンスを向 上させた RTB タイプ，パッケージの小型・薄型化を実現 した Econo IPM，損失低減重視の RTA タイプの 3 系列 を開発した。 図 １ にＲ -IPM 3，Econo IPM，小容量Ｒ - 図１ IPM の外観 IPM 3 の外観を示す。 表１ IPM の特徴 シリーズ 名 項 目 R-IPM 3 Econo IPM RTA RTB 外 形 ™R-IPM シリーズと互換 （標準パッケージ） ™ねじ端子 ™小型，薄型 ™ピン端子 ™銅ベース付き パッケージ ™小型 特 性 ™低損失 ™低損失 （R-IPM 比 （R-IPM 比 18 ％ 減） 10 ％ 減） ™コスト パフォー マンス ™低損失 （R-IPM 比 10 ％ 減） ™コスト パフォー マンス ™ベース付きで 放熱性向上 （ベースレス 比） 572（24） Econo IPM 小容量 R-IPM 3 小容量 R-IPM 3 R-IPM 3 渡辺 学 楠木 善之 松田 尚孝 インテリジェントパワーモジュー インテリジェントパワーモジュー インテリジェントパワーモジュー ルの開発に従事。現在，富士日立 ルの開発に従事。現在，富士日立 ルの開発に従事。現在，富士日立 パワーセミコンダクタ（株）松本事 パワーセミコンダクタ（株）松本事 パワーセミコンダクタ（株）松本事 業所開発設計部チームリーダー。 業所開発設計部。 業所開発設計部。 富士時報 インテリジェントパワーモジュール「R-IPM 3，Econo IPM シリーズ」 Vol.75 No.10 2002 表２ IPMの系列，特性および内蔵機能 （a）Econo IPM インバータ部 素子数 型 式 V DC V CES （V） （V） ブレーキ部 IC PC IC PC （A） （W） （A） （W） 内蔵機能 上下アーム共通 上アーム パッケージ 型式 下アーム Dr UV TjOH OC ALM OC ALM TcOH ー 6MBP 50TEA060 50 144 ー ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × 6MBP 75TEA060 75 198 ー ー ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × 6MBP100TEA060 100 347 ー ー ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × 6MBP150TEA060 150 431 ー ー ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × 7MBP 50TEA060 50 144 30 144 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × 7MBP 75TEA060 75 198 50 198 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × 7MBP100TEA060 100 347 50 198 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × 7MBP150TEA060 150 431 50 198 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × 6 in1 450 7 in1 450 P622 600 P622 600 （b）R-IPM 3 インバータ部 素子数 型 式 V DC V CES （V） （V） ブレーキ部 IC PC IC PC （A） （W） （A） （W） 内蔵機能 上下アーム共通 上アーム パッケージ 型式 下アーム Dr UV TjOH OC ALM OC ALM TcOH ー 6MBP 20RTA060 20 103 ー ○ ○ ○ × × ○ ○ × 6MBP 50RTA060 50 198 ー ー ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 6MBP 80RTA060 80 347 ー ー ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 6MBP100RTA060 100 431 ー ー ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 160 500 ー ー ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 6MBP 50 RTB060 50 144 ー ー ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 6MBP 75RTB060 75 198 ー ー ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 6MBP100RTB060 100 347 ー ー ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 6MBP150RTB060 150 431 ー ー ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 7MBP 50RTA060 50 198 30 144 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 7MBP 80RTA060 80 347 50 198 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 7MBP100RTA060 100 431 50 198 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 7MBP160RTA060 160 500 50 198 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 7MBP 50 RTB060 50 144 30 144 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 7MBP 75RTB060 75 198 50 198 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 7MBP100RTB060 100 347 50 198 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ 7MBP150RTB060 150 431 50 198 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ P619 P610 P611 6 in1 6MBP160RTA060 450 600 P610 P611 P610 P611 7 in1 450 600 P610 P611 Dr：IGBT 駆動回路，UV：制御電源不足電圧保護，TjOH：素子過熱保護，OC：過電流保護，ALM：アラーム出力，TcOH：ケース温度保護 ＊6MBP20RTA060は，Nラインでシャント抵抗による検出方式を採用 示す。図から従来 IGBT チップの N シリーズおよび S シ パワー素子の特徴 リーズは，温度依存性が大きいことが分かる。一方，開発 した T シリーズの NPT プレーナチップは，温度依存性が 従 来 の Ｒ -IPM に 適 用 し た PT（ Punch Through） - 小さく高温でのターンオフ損失を低減することができる。 IGBT と Ｒ -IPM 3， Econo IPM に 適 用 し た NPT-IGBT PT プレーナチップと NPT プレーナチップを比較した チップ断面図を図３に示す。 VCE（sat）のばらつきを図５に示す。NPT プレーナは狭い範 NPT-IGBT の主な特徴は次の 3 点である。 囲に分布しており，安定した定常損失特性を示す。 （1） コレクタ - エミッタ間飽和電圧（VCE（sat））が正の温 次に，Ｒ-IPM 3 と Econo IPM に採用した FWD につい 度係数を持つため，チップ内の単位セルに電流集中する て述べる。FWD には放射ノイズ低減のため，新構造を採 ことがない。 用した。新構造 FWD と従来の FWD の逆回復時の波形比 （2 ） ターンオフ損失（Eoff）の温度依存性が小さい。 較を図６に示す。新構造 FWD は図６に示すようにアノー （3） ライフタイムコントロールがないため，VCE（sat）のば ドからの正孔注入を抑えて逆回復ピーク電流を小さくし， らつきが小さい。 ソフトリカバリー化を達成している。 VCE（sat）とターンオフ損失のトレードオフ関係を図４に 573（25） 富士時報 インテリジェントパワーモジュール「R-IPM 3，Econo IPM シリーズ」 Vol.75 No.10 2002 図２ IPM の外形図 シリーズ名 R-IPM3 Econo IPM P610，P611 パッケージ名 P619 P622 70 122 109 1 4 7 10 16 1 7 10 15 4 1 P 外形図 P U W V 9 13 19 P W N1N2 V U V W N B U 9 26 17 8 18 9.5 31.2 22 7 8.5 N 5 55 46.5 88 B 寸法 L109×W88×H22（mm） L70×W46.5×H9.5（mm） L122×W55×H17（mm） 質量 450 g 85 g 270 g 図５ VCE（sat）の分布図 図３ IGBT チップの断面比較 NPT-IGBT エミッタ PT-IGBT ゲート エミッタ n− 20 70 m NPT-IGBT n（個） n＋ コレクタ n− 350 m p＋ V CE（sat） NPT-IGBT/PT-IGBTの ばらつき比較 ゲート n− 100 m 25 15 10 p＋ PT-IGBT 5 0 1.4 コレクタ 図４ IGBT チップのトレードオフカーブ 1.6 1.8 2.0 2.2 V CE（sat） （V） 〔条件：25℃，I c（DC） 〕 図６ FWD の逆回復時の波形比較 ターンオフ損失（mJ/pulse） 従来型 FWD 8 V cc ＝300 V I c ＝100 A R g ＝24 Ω V ge ＝±15 V 600 V/100 A デバイス 2.4 新構造 FWD V r ：50 V/div V r ：50 V/div 6 0 Sシリーズ （PTプレーナ） 4 Tシリーズ 第三世代 Nシリーズ （Rシリーズ） （PTプレーナ） I f ：25 A/div 0 0 I f ：25 A/div 0 dv /dt ＝9.8 kV/ s dv /dt ＝6.8 kV/ s NPTプレーナ 2 1.2 ： 25（℃） ：125（℃） 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 V CE（sat） （V） 2.4 2.6 2.8 異なる構造で作られている。従来のパッケージでは端子 バーによる配線方式が取られていたが，バー配線の制約か ら，パッケージ高さを低く抑えることが難しい。そのため， Econo IPM では従来の端子バー構造から，内部結線すべ てをアルミワイヤで行う方式を採用した。またパッケージ パッケージ構造 幅を抑えるために，制御プリント板を 2 階に配置する構造 を採用している。これらにより，従来と比較し大幅にコン Econo IPM は小型・薄型化を達成するため，従来とは 574（26） 。 パクトなパッケージを作ることに成功した（図７参照） 富士時報 インテリジェントパワーモジュール「R-IPM 3，Econo IPM シリーズ」 Vol.75 No.10 2002 図 ８ にサイドフィンタイプのサーボアンプへの Econo IPM 搭載例を示す。この図の Econo DiM（Econo Diode にした。これにより顧客装置内のデッドスペースを減らし， 顧客装置の省スペース化へ貢献できることが期待される。 Module）は Econo IPM と同一コンセプト（Econo-Mod- 損失低減 ule Concept）で開発され，共に 17 mm のパッケージ高と なっている。Econo IPM と Econo DiM は同じ高さである ため，同一のプリント基板で接続することができる。この IPM の製品開発コンセプトとして，損失の低減と，こ 二つのモジュールを採用することにより，プリント基板設 れとトレードオフ関係にある放射ノイズレベルの両立が最 計の簡素化が期待できる。また，Econo IPM は薄型の も重要な項目である。 パッケージをさらに有効に生かす工夫として，ふたの一部 今回新たに開発した Econo IPM と R-IPM 3 においても を 下 げ て い る 。 図 に 示 す よ う に プ リ ン ト 基 板 と Econo 上記課題が重要なテーマの一つであった。その中で，前述 IPM のふたとの間隔を 3 mm 確保することにより，プリ の新たに開発した NPT-IGBT を適用することにより， ント基板の裏面にホトカプラなどの電子部品の搭載を可能 IGBT 損失の低減を図り，またソフトリカバリー性を持つ MPS ダイオードを搭載し，さらに駆動条件の最適化を行 図７ Econo IPM の内部構造 総損失（W） 図９ 総損失比較 ：逆回復損失 ：定常損失（FWD） ：ターンオフ損失 ：ターンオン損失 ：定常損失（IGBT） 30.0 25.3 25.0 1.4 2.0 21.6 20.9 20.0 5.9 1.5 1.8 2.3 1.6 1.8 15.0 3.3 4.3 3.3 4.1 10.0 12.7 11.7 10.1 5.0 0 R-IPM Econo IPM R-IPM3 図１０ ターンオフ波形 V CE ：100 V/div I C：50 A/div T j ：125 deg t ：200 ns/div IC 0 VCE V CE ：100 V/div I C：50 A/div T j ：125 deg t ：200 ns/div IC 0 VCE R-IPM Econo IPM 図１１ 放射ノイズスペクトルの比較 図８ Econo IPM の搭載例 顧客プリント板 主端子 R-IPM （7MBP50RA060） ホトカプラ 3mm 17mm 100 Econo DiM Econo IPM 100 放射能 50 ノイズ レベル （dB V/m） センター 80.0 MHz Econo IPM （7MBP50TEA060） 50 スパン 100.0 MHz センター 80.0 MHz スパン 100.0 MHz 冷却フィン 575（27） 富士時報 インテリジェントパワーモジュール「R-IPM 3，Econo IPM シリーズ」 Vol.75 No.10 2002 うことにより，従来品の R-IPM と比べ，同等以下の放射 図１２ IPM 回路ブロック図 ノイズレベルを達成することに成功した。 P DC15 V IGBT FWD 図９ に，今回開発した Econo IPM，R-IPM 3 と，従来 の R-IPM との総損失比較を示す。新しい IGBT チップと ドライバ U 8V FWD チップを搭載した結果，従来の R- IPM に対し， Econo IPM は 15 ％，R-IPM 3 は 18 ％の損失低減を達成 している。特にターンオフ損失の低減が，総損失低減に大 ドライバ V き く 貢 献 し て い る 。 図１０に 従 来 品 （ R- IPM） と Econo IPM のターンオフ波形を示す。また， 図１１に R-IPM と ドライバ Econo IPM の放射ノイズのスペクトルを示す。放射ノイ W ズスペクトルは，キャリヤ周波数 4 kHz のサーボアンプを 用いて加減速運転を行い，3 m 法により測定したものであ ドライバ り，30 ∼ 130 MHz の範囲で従来品と同等のノイズレベル を保っていることが分かる。 ドライバ IPM のブロック図 ブレーキ内蔵タイプのブロック図を 図１２に示す。 が （a） ドライバ B （b） が Econo IPM である。Econo IPM では，上 R-IPM 3， アーム回路のアラームを外部へ出力している。 ドライバ N 1.5 kΩ ドライバ内蔵機能 ①IGBTドライブ 過熱検出回路 ②短絡保護 ③過電流保護 ④制御電源不足電圧保護 ⑤IGBTチップ過熱保護 （a）R-IPM3 IGBT FWD 1.5 kΩ 富士電機のパワーデバイスにおける最新の技術を盛り込 んだ IGBT-IPM を紹介した。これらの IPM は，パワーエ P DC15 V あとがき レクトロニクス応用製品の高効率化，小型化を実現し，市 場の期待に応えられるものと確信する。 ドライバ U 8V 今後とも市場要求に十分応えられるよう，開発，製品化 に注力していく所存である。 1.5 kΩ ドライバ V 参考文献 （1） Kusunoki, Y. et al．A new compact intelligent power 1.5 kΩ module with high reliability for servo drive application． ドライバ W PCIM Europe 2002． （2 ） Matsuda, N. et al．New 600V Compact Intelligent Pow- ドライバ er Module“Econo IPM” ．CIPS2002，p.101- 106． ドライバ ドライバ B 1.5 kΩ ドライバ N ドライバ内蔵機能 ①IGBTドライブ ②短絡保護 ③過電流保護 ④制御電源不足電圧保護 ⑤IGBTチップ過熱保護 （b）Econo IPM 576（28） ＊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。