2章 用語と特性 PDF [584KB]

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第 2 章
-
用語と特性
目次
ページ
1
用語説明
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2-2
2
IGBT モジュールの特性
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2-4
本章では、IGBT モジュールに関する用語および特性について説明します。
2-1
第2章 用語と特性
1
用語説明
以下に、仕様書中等に使用されている様々な用語について説明します。
表2-1 最大定格(Maximum Ratings)
用語
コレクタ-エミッタ間電圧
(Collector-Emitter voltage)
ゲート-エミッタ間電圧
(Gate-Emitter voltage)
コレクタ電流
(Collector current)
最大損失
(Collector Power Dissipation)
接合部温度
(Junction temperature)
連続動作時接合部温度
(Operating Junction temperature)
ケース温度
(Case temperature)
保存温度
(Storage temperature)
FWD-電流二乗時間積
(FWD-I2T)
FWD-尖頭サージ順電流
(FWD-IFSM)
絶縁耐圧
(Isolation voltage)
締付けトルク
(Screw Torque)
定義 及び、説明
(条件は各製品の仕様書を参照ください。)
記号
VGES
ゲート-エミッタ間を短絡した状態でコレクタ-エミッタ間に印加できる最大
電圧
コレクタ-エミッタ間を短絡した状態でゲート-エミッタ間に印加できる最大
電圧(通常 ±20V max.)
Ic
コレクタ電極に許容される最大直流電流
Ic pulse
コレクタ電極に許容される最大パルス電流
VCES
-Ic
内蔵ダイオードに許容される最大直流順電流
-Ic pulse
内蔵ダイオードに許容される最大パルス順電流
Pc
1素子当りのIGBTに許容される最大電力損失
Tj
素子に異常を引き起こさず動作できる最大チップ温度
(装置での最悪状態において、この値を超えない設計が必要)
Tj(op)
素子を連続的に動作させることが可能な接合部の温度
Tc
IGBTのケース温度(通常、IGBTあるいは内蔵ダイオード直下の銅ベース
下面の温度、詳しくは第6章を参照ください)
Tstg
電極に電気的負荷をかけずに保存、又は輸送できる温度範囲
I2t
Viso
素子破壊しない範囲で許容される過電流のジュール積分値。過電流
は商用正弦半波(50,60Hz),1サイクルで規定
素子破壊しない範囲で許容される1サイクル以上の商用正弦半波
(50,60Hz)電流のピーク値
電極を全て短絡した状態で、電極と冷却体取付面間に許容され
る正弦波電圧の最大実効値
Mounting
所定のネジで素子と冷却体(ヒートシンク)を締付ける際の最大トルク値
Terminal
所定のネジで端子と外部配線を締付ける際の最大トルク値
IFSM
注:最大定格として記載されている値は、いかなる場合もこれを超えてはなりません。
2-2
第2章 用語と特性
表2-2 電気特性(Electrical characteristics)
用語
記号
定義 及び、説明
(条件は各製品の仕様書を参照ください。)
ICES
ゲート(以下G)-エミッタ(以下E)間を短絡した状態で、コレクタ(以下C)-E
間に指定の電圧を印加したときのC-E間の漏れ電流
ゲート-エミッタ間漏れ電流
(Gate-Emitter leakage current)
IGES
ゲート-エミッタ間しきい値電圧
(Gate-Emitter threshold voltage)
VGE(th)
C-E間を短絡した状態で、G-E間に指定の電圧を印加したとき
のG-E間の漏れ電流
指定C-E間電流(以下、コレクタ電流)とC-E間電圧(以下、VCE)にお
けるG-E間電圧(以下、VGE)(C-E間に微小電流が流れ始める
VGE値、IGBTがオンし始めるVGEの尺度として用いられます)
コレクタ-エミッタ間飽和電圧
(Collector-Emitter saturation voltage)
VCE(sat)
指定のVGEにおいて定格のコレクタ電流を流した時のVCE値(通常、
VGE =15V,損失を計算する際に重要な値)
入力容量
(Input capacitance)
Cies
C-E間を交流的に短絡した状態で、G-E間及びC-E間に指定の電圧を
印加した時のG-E間容量
出力容量
(Output capacitance)
Coes
G-E間を交流的に短絡した状態で、G-E間及びC-E間に指定の電圧を
印加した時のC-E間容量
帰還容量
(Reverse transfer capacitance)
Cres
E接地で、G-E間に指定の電圧を印加した時のC-G間容量
ダイオード順電圧
(Forward on voltage)
VF
内蔵ダイオードに指定の順方向電流(通常定格電流)を流したときの順方
向電圧(VCE(sat)と同じく損失を計算する際に重要な値)
ターンオン時間
(Turn-on time)
ton
IGBTのターンオン時にVGEがOVに上昇してから、VCEが最大値の10%
に下降するまでの時間
tr
IGBTのターンオン時にコレクタ電流が最大値の10%に上昇した時点から、
VCEが最大値の10%に下降するまでの時間
tr(i)
IGBTのターンオン時にコレクタ電流が最大値の10%に上昇した時点から、
90%に到達するまでの時間
ターンオフ時間
(Turn-off time)
toff
IGBTのターンオフ時にVGEが最大値の90%に下降した時点から、コレクタ電
流が下降する電流の接線上で10%に下降するまでの時間
立下り時間
(Fall time)
tf
IGBTのターンオフ時にコレクタ電流が最大値の90%から、下降する電流の接
線上で10%に下降するまでの時間
逆回復時間
(Reverse recovery time)
trr
内蔵ダイオードの逆回復電流が消滅するまでに要する時間
逆回復電流
(Reverse recovery current)
Irr (Irp)
内蔵ダイオードの順方向電流遮断時に逆方向に流れる電流のピーク値
逆バイアス安全動作領域
(Reverse Bias Safe Operation Area)
RBSOA
ターンオフ時に指定の条件にてIGBTを遮断できる電流と電圧の領域(この
領域を越えて使用すると素子が破壊する可能性が有ります)
ゲート抵抗
(Gate-resistance)
RG
ゲート直列抵抗値(標準値はスイッチング時間の測定条件に記載)
ゲート充電電荷量
(Gate charge capacity)
Qg
IGBTをターン・オンさせるためにG-E間に充電される電荷量
動特性
(詳細は図2-5を参照ください)
静特性
コレクタ-エミッタ間遮断電流
(Zero gate voltage Collector current)
立上り時間
(Raise time)
表2-3 熱特性(Thermal resistance characteristics)
用語
熱抵抗
(Thermal resistance)
記号
定義 及び、説明
(条件は各製品の仕様書を参照ください。)
Rth(j-c)
IGBTあるいは内蔵ダイオードのチップ・ケース間の熱抵抗
Rth(c-f)
サーマルコンパウンドを用いて推奨トルク値にて素子を冷却体に取付けた状態
でのケース-冷却体間の熱抵抗
表2-4 サーミスタ特性(Thermistor characteristics)
用語
記号
定義 及び、説明
(条件は各製品の仕様書を参照ください。)
サーミスタ抵抗
(Resistance)
Resistance
指定温度でのサーミスタ端子間の電気抵抗値
B値
(B value)
B
抵抗-温度特性において任意の2温度間での抵抗変化の大きさを表
す定数
2-3
第2章 用語と特性
2
IGBT モジュールの特性
6MBI100VB-120-50 (1200V/100A 素子,第 6 世代 IGBT モジュール) を例に取り、仕様書等に記載されて
いる IGBT の種々の特性についての説明を以下に示します。
2.1 静特性
V シリーズ IGBT:6MBI100VB-120 を例に VCE
Collector current vs. Collector-Emitter voltage (typ.)
-Ic 特性(一般的に出力特性と呼ばれる)の VGE 依
o
Tj= 25 C / chip
存性を図 2-1, 図 2-2 に示します。
この特性は IGBT
200
の関係を示すもので、オン時に IGBT に発生する
損失となります。従って VCE が低い程、発生損失
が小さくなりますが、この特性は温度(Tj),VGE
によって変化しますので、これらの特性をよく考
慮した上で装置設計を行なうようお願いします。
一般的には VGE=15V において、装置で発生す
Collector current: IC [A]
がオンしている時のドロップ電圧(VCE)と電流(Ic)
V GE =20V
15V
12V
150
10V
100
50
る最大出力電流≦素子の Ic 定格電流値以下で使用
8V
することを推奨いたします。
0
0
尚、図 2-3 は図 2-1 のデータを VCE‐VGE 特性の
1
2
3
4
5
Collector-Emitter voltage: VCE[V]
Ic 依存性に置き換えたグラフで、VCE(損失)が急激
図 2-1 VCE(sat)-IC 特性(Tj=25℃)
に増える限界の VGE の目安を読み取ることが出
来ます。
Collector current vs. Collector-Emitter voltage (typ.)
Collector-Emitter voltage vs. Gate-Emitter voltage (typ.)
Tj= 150oC / chip
Tj= 25oC / chip
200
8
12V
Collector - Emitter voltage: VCE [V]
V GE =20V
Collector current: IC [A]
15V
150
100
10V
50
8V
6
4
Ic=200A
Ic=100A
Ic= 50A
2
0
0
0
1
2
3
4
5
5
15
20
Gate - Emitter voltage: VGE [V]
Collector-Emitter voltage: VCE[V]
図 2-2
10
図 2-3
VCE(sat)-IC 特性(Tj=150℃)
2-4
VCE(sat)-IC 特性(Tj=25℃)
25
第2章 用語と特性
2.2 スイッチング特性
IGBT は一般的にスイッチン
負荷L
グ用途に使用されるため、ター
ンオン,ターンオフする時のス
15V
イッチング特性を十分に理解
VCC
しておくことが重要です。また
この特性は種々なパラメータ
IC
C
によって変化するため、これら
も考慮に入れて装置の設計を
行なう事が必要です。
+15V
VCE
-15V
このスイッチング特性は、ス
VGE
イッチング時間とスイッチン
グ損失の二つに大別すること
図 2-4
スイッチング特性測定回路
ができます。これらのスイッチ
ング特性は図 2-4 に示されるチョッパ回路で測定する事が出来ます。
まず表 2-2(動特性項目)に記載のスイッチング時間 ton , tr , tr(i) , toff , tf , trr , Irr の7項目は、図 2-5 に示した
概略波形にしたがって定義されます。
0
90%
0%
VGE
trr
Irp
VCE
90%
90%
10%
0
10%
10%
Ic
tr(i)
tf
tr
toff
ton
図 2-5
スイッチングタイムの定義
これらのスイッチング時間とコレクタ電流の関係を図 2-6, 7, 16 、スイッチング時間とゲート抵抗の関
係を図 2-8 に示します。この様にスイッチング時間はコレクタ電流、温度(Tj)、ゲート抵抗 RG によって変
化しますので装置の設計の際には充分に考慮をお願いします。例えばスイッチング時間(特に toff)が長くな
2-5
第2章 用語と特性
る条件(RG が大きい等)で使用しますと、デッドタイム不足による直列アーム短絡(片方の IGBT がオフす
る前にもう一方の IGBT がオンして過大な電流が流れる現象であり、詳しくは第 4 章を参照ください)等
の不具合を起こし、素子が破壊する可能性があります。一方 tf が短すぎる条件(RG が小さすぎる等が原因)
で使用しますと過渡的な電流変化(dIc/dt)が大きくなりますので、これにより回路のインダクタンス(Ls)
によるスパイク電圧(=Ls×dIc/dt)が発生します。このスパイク電圧が印加電圧に上乗せされるため、
RBSOA(本章 2.4 を参照ください)を超えて素子が破壊する場合もあります。したがって装置設計の際には
コレクタ電流、温度(Tj)、ゲート抵抗 RG などを充分に考慮して、上記の不具合が発生しないように設計し
てください。
Switching time vs. Collector current (typ.)
Switching time vs. Collector current (typ.)
Vcc=600V,VGE=±15V,Rg=1.6Ω,Tj= 125°C
Vcc=600V,VGE=±15V,Rg=1.6Ω,Tj= 150°C
10000
1000
Switching time : ton, tr, toff, tf [ nsec ]
Switching time : ton, tr, toff, tf [ nsec ]
10000
toff
ton
tr
100
tf
1000
10
0
50
100
150
200
toff
ton
tr
100
tf
10
250
0
Collector current: IC [A]
50
100
150
Collector current: IC [A]
200
図 2-6 スイッチングタイム-IC 特性
図 2-7 スイッチングタイム-IC 特性
(Tj=125℃)
(Tj=150℃)
Switching time vs. gate resistance (typ.)
Switching loss vs. Collector current (typ.)
Vcc=600V,Ic=100A,VGE=±15V,Tj= 125°C
Vcc=600V,VGE=±15V,Rg=1.6Ω
Switching loss : Eon, Eoff, Err [mJ/pulse ]
Switching time : ton, tr, toff, tf [ nsec ]
10000
toff
1000
ton
tr
100
tf
10
0.1
1.0
10.0
100.0
30
Eon(150°C)
Eon(125°C)
20
Eoff(150°C)
Eoff(125°C)
Err(150°C)
Err(125°C)
10
0
0
Gate resistance : Rg [Ω]
図 2-8
50
100
150
200
Collector current: IC [A]
スイッチングタイム-RG 特性(Tj=125℃)
2-6
250
図 2-9
スイッチング損失-IC 特性
250
第2章 用語と特性
一方スイッチング損失(Eon, Eoff, Err)は、IGBT が
Switching loss vs. gate resistance (typ.)
Vcc=600V,Ic=100A,VGE=±15V
スイッチングする際(ターンオン,オフ時)に発生しま
Switching loss : Eon, Eoff, Err [mJ/pulse ]
す。この特性は図 2-9,10 に示す様に温度(Tj),Ic , RG
で変化します。特に RG の選定は重要で、大きすぎ
るとスイッチング損失が大きくなる上、前述のデッ
ドタイム不足による直列アーム短絡を起こしやすく
なります。逆にスイッチング損失を下げるために RG
を小さくする場合は、前述の急激なスパイク電圧
(=Ls×dIc/dt)が発生するという問題を起こす可能
性があります。ここから分かるように、RG 選定に
おいては主回路インダクタンス(Ls)の値が非常に重
30
20
Eon(150°C)
Eon(125°C)
Eoff(150°C)
10
Eoff(125°C)
Err(150°C)
Err(125°C)
0
要です。この値が低ければ低い程、RG 選定の検討が
0
10
1
容易(RG が小さくてもスパイク電圧が出にくい)に
100
Gate resistance : Rg [Ω]
なりますので、この Ls の値を出来るだけ小さく設計
図 2-10
スイッチング損失-RG 特性
する事を推奨します。
尚、RG の決定には IGBT の駆動回路の容量とのマッチングも考慮する必要がありますので、本章 2.3 の
容量特性を使用して十分に検討を行った上で RG の選定をお願いします。
2.3 容量特性
図 2-11 にゲートチャージ容量(Qg)の特性を示します。この特性は、ゲートチャージ容量(Qg)に対する
コレクタ-エミッタ間電圧(VCE)とゲート-エ
Dynamic gate charge (typ.)
ミッタ間電圧(VGE)の変化を示しています。
Vcc=600V, Ic=100A,Tj= 25°C
し、IGBT がオンします。IGBT がオンすると VCE
がそれに伴いオン電圧まで下降します。このよ
うにゲートチャージ容量 Qg は IGBT をドライブ
するために必要な電荷量を示しています。この
特性はドライブ回路の電源容量を決定する際に
ご利用ください。
図 2-12 に IGBT の各接合容量の特性を示しま
す。これらは図 2-13 に示す様に、Cies はゲート
VGE [5V/div]
Qg を充電すると VGE(=Qg/C-E 間容量)が上昇
V GE
Gate - Emitter voltage:
の容量に電荷が充電される」ことを表すため、
Collector - Emitter voltage: VCE [200V/div]
「Qg が増加する」ことは 「IGBT の G-E 間
V CE
0
250
500
750
Gate charge: Qg [nC]
-エミッタ間の入力容量,Coes はコレクタ-エ
図 2-11
ミッタ間の出力容量,Cres はコレクタ-ゲート間
の帰還容量のことです。これらの特性は Qg と共
にドライブ回路設計の際にご使用ください。
2-7
VCE,VGE-Qg 特性
1000
第2章 用語と特性
Capacitance vs. Collector-Emitter voltage (typ.)
VGE=0V, f= 1MHz, Tj= 25oC
C
Cres
Cies
10.0
G
Coes
Capacitance: Cies, Coes, Cres [nF]
100.0
Cies
1.0
Cres
E
図 2-13 接合容量
Coes
0.1
0
10
20
30
40
Collector - Emitter voltage: VCE [V]
図 2-12 接合容量-VCE 特性
2.4 逆バイアス安全動作領域(RBSOA)
Reverse bias safe operating area (max.)
IGBT がターンオフする際、安全に動作する VCE
+VGE=15V,-VGE = 15V, RG = 1.6Ω ,Tj = 150°C
- IC の 動 作 範 囲 を 逆 バ イ ア ス 安 全 動 作 領 域
250
言い、図 2-14 示す範囲で示されます。ターンオフ時
の VCE-IC の動作軌跡がこの RBSOA の領域に納ま
るようにスナバ回路の設計をする必要があります。
なお、短絡電流遮断時の安全動作領域 SCSOA
(Short Circuit Safe Operation Area)については、シリ
ーズごとに異なりますので、そのシリーズのテクニ
Collector current: IC [A]
(RBSOA:Reverse Bias Safe Operating Area)と
200
150
RBSOA
(Repetitive pulse)
100
50
0
0
カルデータを参照願います。
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600
Collector-Emitter voltage : VCE [V]
図 2-14
2-8
逆バイアス安全動作領域(RBSOA)
第2章 用語と特性
2.5 内蔵ダイオード(FWD)の特性
IGBT モジュールでは、IGBT と逆並列に高速ダイオード(以下、FWD:Free Wheeling Diode)が接続
され、モジュールに内蔵されています。この FWD は図 2-15 に示す VF-IF 特性と図 2-16 に示す逆回復特
、及び図 2-9,10 に示す逆回復動作時のスイッチング損失(Err)特性を有しています。これらの
性(trr , Irr)
特性は IGBT と同様 FWD に発生する損失計算に使用します。また FWD の特性はコレクタ電流,温度,RG
等により変化するので注意が必要です。
Reverse recovery characteristics (typ.)
Forward current vs. forward on voltage (typ.)
Vcc=600V,VGE=±15V,Rg=1.6Ω
Forward current : IF [A]
200
Reverse recovery current : Irr [ A ]
Reverse recovery time : trr [ nsec ]
chip
Tj=25°C
150
Tj=150°C
Tj=125°C
100
50
1000
trr(150°C)
trr(125°C)
Irr(150°C)
100
0
Irr(125°C)
10
0
1
2
3
4
0
50
Forward on voltage : VF [V]
図 2-15
100
150
200
250
Forward current : IF [A]
VF-IF 特性
図 2-16
trr , Irr -IF 特性
Transient thermal resistance (max.)
2.6 過渡熱抵抗特性
温度上昇の計算及び放熱フィンの設計に用
10.00
の特性は IGBT,FWD 共に1素子当りの特性で
す)
。
この熱抵抗とは熱解析等でよく使われる特
性で、電気抵抗のオームの法則に酷似した公
式:
「 温度差ΔT[℃]= 熱抵抗 Rth[℃/W]×エ
ネルギー(損失)[W] 」で定義されます。
IGBT モジュールでは熱抵抗は IGBT,FWD
の Tj を計算する際に使用します(詳細は第6
Thermal resistanse : Rth(j-c) [ °C/W ]
いる過渡熱抵抗特性を図 2-17 に示します(こ
章 放熱設計方法をご参照ください)
。
1.00
FWD[Inverter]
IGBT[Inverter]
0.10
0.01
0.001
0.010
0.100
Pulse width : Pw [sec]
図 2-17 過渡熱抵抗特性
2-9
1.000
ご 注意
1. このカタログの内容(製品の仕様、特性、データ、材料、構造など)は 2015 年 3 月現在のものです。
この内容は製品の仕様変更のため、または他の理由により事前の予告なく変更されることがあります。このカタログに記載されて
いる製品を使用される場合には、その製品の最新版の仕様書を入手して、データを確認してください。
2. 本カタログに記載してある応用例は、富士電機の半導体製品を使用した代表的な応用例を説明するものであり、本カタログによっ
て工業所有権、その他権利の実施に対する保証または実施権の許諾を行うものではありません。
3. 富士電機(株)は絶えず製品の品質と信頼性の向上に努めています。しかし、半導体製品はある確率で故障する可能性があります。
富士電機の半導体製品の故障が、結果として人身事故,火災等による財産に対する損害や、社会的な損害を起こさぬように冗長設
計、延焼防止設計、誤動作防止設計など安全確保のための手段を講じてください。
4. 本カタログに記載している製品は、普通の信頼度が要求される下記のような電子機器や電気機器に使用されることを意図して造ら
れています。
・コンピュータ ・OA 機器 ・通信機器(端末) ・計測機器 ・工作機械
・オーディオビジュアル機器 ・家庭用電気製品 ・パーソナル機器 ・産業用ロボット など 5. 本カタログに記載の製品を、下記のような特に高い信頼度を持つ必要がある機器に使用をご予定のお客様は、事前に富士電機(株)
へ必ず連絡の上、了解を得てください。このカタログの製品をこれらの機器に使用するには、そこに組み込まれた富士電機の半導
体製品が故障しても、機器が誤動作しないように、バックアップ・システムなど、安全維持のための適切な手段を講じることが必
要です。
・輸送機器(車載、舶用など)
・幹線用通信機器
・交通信号機器
・ガス漏れ検知及び遮断機
・防災/防犯装置
・安全確保のための各種装置 ・医療機器
6. 極めて高い信頼性を要求される下記のような機器及び戦略物資に該当する機器には、本カタログに記載の製品を使用しないでくだ
さい。
・宇宙機器 ・航空機搭載用機器 ・原子力制御機器 ・海底中継機器
7. 本カタログの一部または全部の転載複製については、文書による当社の承諾が必要です。
8. このカタログの内容にご不明の点がありましたら、製品を使用する前に富士電機(株)または、その販売店へ質問してください。
本注意書きの指示に従わないために生じたいかなる損害も富士電機(株)とその販売店は責任を負うものではありません。
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