富士時報 第 83 巻 第 6 号（通巻第 865 号） 2010 年 11 月 10 日発行
ISSN 0367-3332
1RY
特集 パワー半導体
1RY
特集 パワー半導体
目 次
特集 パワー半導体
357（ 1 ）
〔巻頭言〕ワイドバンドギャップ半導体パワー素子の可能性
橋詰 保
358（ 2 ）
パワー半導体の現状と展望
宝泉 徹 ・ 柳沢 邦昭
362（ 6 ）
アドバンスト NPC 回路用 IGBT モジュール
小松 康佑 ・ 原田 孝仁 ・ 中澤 治雄
366（10）
マイルドハイブリッド車用 750 V 耐圧 IGBT
松井 俊之 ・ 阿部 和 ・ 市川 裕章
370（14）
3 レベルインバータ対応 大容量 IGBT の系列化
──高絶縁パッケージ──
西村 孝司 ・ 小林 孝敏 ・ 西村 芳孝
375（19）
新構造 2 in 1/1 in 1 IGBT モジュールのパッケージ技術
高宮 喜和 ・ 大西 一永 ・ 小平 悦宏
379（23）
「V シリーズ」チップ搭載の PIM・6 in 1 IGBT モジュール系列
表紙写真
関野 裕介 ・ 村井 智哉 ・ 丸山 力宏
マトリックスコンバータ用双方向スイッチング IGBT モジュール
384（28）
有田 康彦 ・ 吉渡 新一
新型大容量 2 in 1 IGBT モジュール
388（32）
山本 拓也 ・ 吉渡 新一
高速ディスクリート IGBT「High Speed V シリーズ」
393（37）
渡島 豪人 ・ 荒木 龍
800 V 保証 HVIC 技術
398（42）
山路 将晴 ・ 赤羽 正志 ・ 上西 顕寛
産業分野にとどまらず，自動車，新エネ
第 2 世代臨界モード PFC 制御 IC「FA5590 シリーズ」
ル ギ ー， 情 報 な ど さ ま ざ ま な 分 野 に お い
菅原 敬人 ・ 大和 誠 ・ 手塚 伸一
て，電力の利用効率を高めるため，パワー
エレクトロニクス機器に使われるパワー半
導体の高性能化と適用の拡大が進んでいる。
富 士 電 機 は， 最 新 の パ ワ ー エ レ ク ト ロ
ニクス技術に適用できるパワー半導体
電源 IC 回路の最新シミュレーション技術
405（49）
411（55）
小宮山 典宏 ・ 藪崎 純
リニア制御用 IPS「F5064H」
415（59）
岩水 守生 ・ 岩田 英樹 ・ 岩本 基光
を 製 品 化 し， 省 エ ネ 化 に 貢 献 し て い る。
表 紙 写 真 は， 高 性 能 な 第 6 世 代「V シ
第 6 世代小型圧力センサ
リ ー ズ 」IGBT（Insulated Gate Bipolar
西川 睦雄 ・ 松下 浩二 ・ 斉藤 和典
420（64）
Transistor） チ ッ プ を 搭 載 し， 並 列 接 続
に適した構造により新エネルギー分野への
解説 ３レベルインバータ技術
425（69）
適用拡大を狙った IGBT モジュールと，自
動 車 の 駆 動 系 に 適 用 さ れ る IGBT-IPM
略語 426（70）
（Intelligent Power Module） で あ る。 こ
れらが広く社会に適用され，地球環境の保
護 に 大 き く 貢 献 す る こ と を 期 待 し て い る。
富士時報 VOL.83 2010（平成 22 年）総目次
（巻末 3 ページ）
特集 パワー半導体
特 集
ワイドバンドギャップ半導
体パワー素子の可能性
橋詰 保}åÍÛ÷eÕøÚ~
北海道大学量子集積エレクトロニクス研究センター 教授
工学博士
現在h世界全体ä電力消費量å約 15 兆 kWh ݸāÂh
筆者å GaAs ú InP Ĉ中心áh多ÅäⅢ-V 半導体ä界面
今後å著ͺ増加Â予想ËĂh2020 v 2025 年áå現在ä
Ĉ扱ÙÜÃÕgÍÁÍàÂÿhÓä絶縁膜界面特性åhⅢ
1.5 倍ä使用量Â見積øÿĂܺāg国内的á深刻à問題
-V
åh高度情報通信ĠĢįʼnä中核ĈàÏ集中型İsĨĤ
常á敏感ݸĀh特殊à手法Ý界面Ĉ制御ÝÃÕþ¼á見
半導体表面状態h絶縁膜ä種類hŀŖĤĢ条件等á非
ŜĨsÝä電力増加ݸāgİsĨĤŜĨs電力ä 70 v
¾ÜøhÓä再現性j安定性å乏ÍÅhıŒŜġĢĨ応用
75 % å心臓部äİġĨŔ機器以外ä冷却j空調j電源設
îä標準構造jŀŖĤĢáàĀ得āøäÝåàÁÙÕg
備á費úËĂhÉäôôİsĨĤŜĨsä増設Â進öÞh
ÉĂá対ÍÜhGaN á絶縁ěsı構造Ĉ形成ÏāÞh
Óä電力消費å 2025 v 2030 年áå総電力量ä 50 % áø
ßäþ¼à絶縁膜Ĉ堆積ÍÜøh誰ÂŀŖĤĢĈ行ÙÜøh
達ÏāÞ予想ËĂܺāgÍÕÂÙÜhºÁá効率的á電
ÞáÁÅņįŜĠŌŔ変化Â得ÿĂhMIS}MOS~ıŒ
力Ĉ制御ÏāÁh電力流通過程áÀÇā変換損失ĈºÁá
ŜġĢĨÂ動作ÍhÍÁøÓä電流密度ú相互ĜŜĩĘĨ
抑制ÏāÁÂhęœsŜđĶŔės社会Ĉ目指Ï日本á
ŜĢåĪŌĶŔ層ä移動度Þ電子密度Ĉñò反映ÍÕ値á
ÞÙÜh非常á大ÃàņčŜıáàÙܺāg
àāgø×ăĉh今後乗Ā越¾àÇĂæàÿàº課題ø多
Si IGBThĺŘs MOSFET Ĉ中心ÞÏā高性能電力変
ºÂhGaN 絶縁膜界面å Si á似Õ標準的特性Ĉ持Ù
換素子åhđĶŔės流通j消費過程Ýä損失Ĉ抑制Ïā
ܺāÞ感ÎܺāgŘčIJĹŜIJėŌĬŀ半導体特有ä
切札的存在áàÙܺāg進化Í続Çā結晶技術hŀŖĤ
強靱à結合力Âh界面ŅŜIJ乱ĂĈ空間的á最小限áÞß
Ģ技術hİĹčĢj回路設計技術áþĀhSi 電力ĢčĬ
÷h表面ņįŜĠŌŔ制御Ĉ可能áÍܺāäÁø知Ăà
ĪŜę素子åhĺŘsđŕĘıŖĴĘĢä中枢素子ݸĀh
ºg今後h界面機構Ĉ解明ÏāÉÞå非常á重要ݸĀh
今後øÓä地位á揺āÄå無ºgÍÁÍh電気đĶŔės
筆者ä研究øÓä点á軸足Ĉ置ºÜºāg
消費ä爆発的増大hđĶŔės変換j流通過程ä多様化åh
ø¼ 1 Úä特長åh良質àŁįŖ接合ĈđĽĨĖĠŌ
電力素子á更àā性能向上Ĉ求÷ÜÀĀhIGBT 以来ä
Ŕ成長Ý形成ÝÃāÉÞݸāgInN-GaN-AlN 系半導体
ĺŒĩčʼnĠľıä必要性Ĉ感Îܺāg次世代 CMOS
äĹŜIJėŌĬŀå 0.7 v 6.0 eV øäđĶŔės範囲ĈĔ
論理集積回路ä分野Ýåh高移動度ĪŌĶŔ候補ÞÍÜh
ĹsÍÜÀĀhÓäŁįŖ接合å多様àņįŜĠŌŔ構
n-InGaAs}InAs~Þ p-Ge Â注目ËĂܺāgÍÁÍh
造Ĉ実現ÝÃāg特á AlN/GaN}InGaN~界面Ýå強º
¸ÅôÝø Everything on Si 構想ä範囲内ݸĀhÉĂ
ĖŌœċ閉Î込÷Â可能ݸĀh結晶成長技術ä向上áþ
ÿä材料åŒčĹŔÝåàÅ Si ä補強材àäݸāg
Ā絶縁性 AlN Â形成ÝÃĂæhSiO2/Si 系á匹敵Ïā安定
ËÜhSiC ú GaN á代表ËĂāŘčIJĹŜIJėŌĬŀ
à 2 次元ĪŌĶŔĈ持ÚıŒŜġĢĨÂ期待ÝÃāgÉä
半導体åh果ÕÍÜ Si äŒčĹŔáàĀ得āݸă¼Á ?
場合h材料特性ä本質的優位ÂıŒŜġĢĨ特性á反映Ë
周知äþ¼á SiC ú GaN å Si ä約 10 倍ä絶縁破壊電界
ĂāÕ÷hĺŘs素子á真äĺŒĩčʼnĠľıÂ生ôĂā
Ĉ持×hÓä低損失j高速性áþĀ次世代ĺŘs素子用材
Þ考¾āg
料ÞÍÜ素質å充分á¸āgÍÁÍh真á重要à点åh材
結晶性ä向上h界面制御h動作信頼性ä向上等hSiCj
料物性ä優位性Â本質的á素子ä動作性能á反映ËĂāÁ
GaN 素子áåôÖ課題Â残ÙܺāÂhÉĂÿ Si äŒ
ß¼Áݸāg
čĹŔÞÍÜ認÷ÿĂÕ場合h材料限界Â指摘ËĂā Si
筆者ä研究室Ýå GaN 系半導体ä研究Ĉ中心á行ÙÜ
ĺŘs素子øh再度Óä底力Ĉ発揮ÍÜ更àā進化Ĉ遂È
ÀĀhÉÉÝå GaN ä可能性Ĉ展望ÏāgGaN ä特長å
ā可能性¸āgĺŘs素子äĺŒĩčʼnĠľıáþĀh
絶縁膜界面特性ä標準性Þ異種}ŁįŖ~接合ä多様性á
省đĶŔėsjęœsŜįĘķŖġsîä貢献度ÂþĀ高
¸āÞ考¾Üºāg絶縁ěsı構造ä実現Ĉ目標ÞÍÜh
ôāÉÞĈ多ºá期待Ïāg
357（ 1 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
パワー半導体の現状と展望
特 集
7V^LY:LTPJVUK\J[VYZ!7YLZLU[:[H[\ZHUK-\[\YL6\[SVVR
宝泉 徹;VY\/V\ZLU
柳沢 邦昭2\UPHRP@HUHNPZH^H
風力発電úŊĕĦsŒàßä大規模à新đĶŔės分野ä拡大á合ąÑh大容量ŋġŎsŔä開発Þ製品化Ĉ進÷ÜÀĀh
耐圧 1,700 V/電流定格 3,600 A ôÝä IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔĈ系列化Íܺāg新材料Ĉ
用ºÕ次世代İĹčĢĈ外部機関Þ共同開発Íܺāg高速ĢčĬĪŜęĈ適用ÍÕ高速İČĢĘœsı IGBT Ĉ開発Íh
機器ä高効率化á貢献Íܺāg電源制御 IC å独自ä制御方式áþĀh省đĶ化h小型化h低ķčģ化Ĉ実現Íh機器ä
高性能化á貢献Íܺāg自動車用İĹčĢÝåhIPS}Intelligent Power Switch~ú圧力ĤŜĞàßĈ製品化Íܺāg
With the growth of new energy sectors, such as wind power and mega solar, large-capacity modules are being developed and commercialized and Fuji Electricz
s line-up of IGBT (insulated gate bipolar transistor) modules is rated up to 1,700 V/3,600 A. Wide bandgap semiconductors are being developed jointly with third-parties. High-speed discrete IGBTs for fast switching have been developed and are contributing
to the realization of higher efficiency equipment. Power supply control ICs utilize a proprietary control method more energy efficient, smaller
size and lower noise, and are contributing to the realization of higher performance equipment. Automotive devices such as IPS (intelligent
power switch) and pressure sensors are being commercialized.
まえがき
野Ýä製品系列Ĉ多Å取ĀÓă¾ÜºÕÂh風力発電úŊ
ĕĦsŒàßä大規模à新đĶŔės分野ä拡大á合ą
2008 年ä世界同時不況Ĉ境áh世界各国Â実施ÍÕ環
Ñh大容量ŋġŎsŔä開発製品化Ĉ進÷ܺāg耐圧
境分野Ĉ中心ÞÍÕ補助金制度àßä景気刺激策ä効果Ýh
1,700 V/電流定格 3,600 A ôÝä IGBT ŋġŎsŔĈ系列
2010 年á入Ā経済環境å急激à回復Ĉ見ÑܺāgÉä
化Íh耐圧 3,300 V ä IGBT ŋġŎsŔäĞŜŀŔ展開Ĉ
間h環境á関Ïā省đĶŔės}省đĶ~機器ú環境対応
進÷ܺāg
車h太陽光発電ú風力発電àßä新đĶŔės関連事業Â
現在hIGBT ĺŘsŋġŎsŔĈ構成Ïā IGBT ĪĬŀ
急速á拡大ÍÜÃÕgôÕh日本Ýå記録的à猛暑日Â続
ä中心åh第 6 世代 IGBT ĪĬŀ ｢V Ġœsģ｣ ݸāg
Ãh局地的à豪雨áþā災害Â世界的á発生ÍÜÀĀh異
V Ġœsģåh微細加工Ĉ適用Í FS}Field Stop~構造
常気象Þ呼æĂā現象Â身近á感ÎÿĂāþ¼áàĀh環
Ĉ最適化ÍÜh低ēŜ電圧 ･ 高速ĢčĬĪŜę ･ 破壊耐
境á対Ïā関心åôÏôÏ高ÅàÙÜÃܺāg
量äıŕsIJēľĈ改善Íh理論限界á近º性能Ĉ達成
富士電機Ýåh2009 年Áÿä新 3 Á年計画Ý{đĶŔ
ÍܺāgÉä V ĠœsģĪĬŀĈ活用Íh新ͺĺĬ
ės ･ 環境|事業î注力ÍhÉĂÿĈ通ÎÜ社会á貢献Ï
Ěsġ構造Ĉ採用ÍÕ新製品系列ä拡大Ĉ図Ùܺāg特
ā企業Ĉ目指ÏÉÞĈ発表ÍÕgCO2 削減àßä地球環境
áh新ͺ PIM}Power Integrated Module~ú 6 個組ŋ
保護ú再生可能đĶŔės分野ä発展Ĉ実現ÏāÕ÷ä中
ġŎsŔÝå外部接続端子Ĉ PCB}Print Circuit Boardk
核ĈàÏäåhĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ}ĺŘđŕ~技術
ŀœŜı基板~挿入方式ÞÍhåĉÖ付Ç工程ä削減Ĉ可
ݸĀh富士電機å長年ĺŘđŕ技術ä革新á取Ā組ĉÝ
能áÍÕgôÕh新構造 2 in 1/1 in 1 IGBT ŋġŎsŔÝ
ÃÕgĺŘđŕ技術åhđĶŔėsĈ動力á変¾āÕ÷ä
åhĺĬĚsġ内部äčŜĩĘĨŜĢĈ 50 % 削減Íh高
重要技術ä一ÚݸĀhÓä基幹部品ݸāĺŘs半導体
信頼性Ĉ実現ÍÕgËÿáh鉛ľœs}RoHS 対応~化ú
åôÏôÏÓä重要性Ĉ増ÍÜÃܺāg
175 ℃ôÝä高温動作Ĉ可能áÍܺāg
注 1
本稿Ýåh富士電機Â取Ā組ĉݺāđĶŔės ･ 環境
ô Õh 装 置 ä 高 効 率 化  実 現 可 能 à Ň ı œ Ĭ Ę Ģ Ĝ
分野á貢献ÏāĺŘs半導体Ĉ中心áhÓä代表ݸāĺ
Ŝ Ĺ s Ĩ úh ċ IJ Ĺ Ŝ Ģ ı NPC}A-NPCkAdvanced
ŘsŋġŎsŔh次世代İĹčĢhĺŘsİČĢĘœsıh
Neutral-Point-Clamped~方式äčŜĹsĨ 用áh富士電
電源制御 IC Àþé自動車用İĹčĢáÚºÜhÓä現状
機áåh独自ä技術Ĉ適用Í逆方向耐圧Ĉ持Ú RB-IGBT
注 2
Þ今後ä展望Ĉ紹介Ïāg
}Reverse Blocking IGBT~ Ī Ĭ ŀ Â ¸ āg É ä Ī Ĭ ŀ
Ĉ用ºÜh図
パワーモジュール
ĺŘsŋġŎsŔ分野ÝåhđĶŔės ･ 環境ĈĖs
á示Ïþ¼á従来 IGBT Þ組õ合ąÑÕ
A-NPC 回路用 IGBT ŋġŎsŔúŇıœĬĘĢĜŜĹs
注 1RoHS 指令k電気電子機器á含ôĂā特定有害物質ä使用制
Ř s IJ á IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ ĺ
限áÚºÜä EU}欧州連合~ä指令
ŘsŋġŎsŔä開発Ĉ進÷ܺāg特áh従来中容量分
注 23 ŕłŔčŜĹsĨ技術k425 Ńsġ解説参照
358（ 2 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
パワー半導体の現状と展望
P
25
発生損失（W）
U
M
T3
T2
15
E rr（FWD）
V （FWD）
f
10
E off（IGBT）
（IGBT）
E on
N
5
図
（IGBT）
V CE（sat）
A-NPC インバータの等価回路
0
Ĩ用ä双方向ĢčĬĪŜę IGBT ŋġŎsŔĈ開発ÍÕg
図
従来品
「High Speed V シリーズ」
ディスクリート IGBT の 1,200 V 系損失データ
富士電機ÝåhĸčĿœĬIJ車向Çá IGBT ŋġŎs
ŔhIPM}Intelligent Power Module~ĈåÎ÷h一般用
IGBT ä 2 倍ä電流密度Ĉ持Ú両面冷却ĺĬĚsġ構造á
適用Ïā÷ÙÃ適用 IGBT úĩčēsIJĪĬŀàßĈ開発
パワーディスクリート
ÍÜÃÕgÉĂÿåºÐĂø 600 V ôÕå 1,200 V 耐圧ä
製品ݸāg近年hĸčĿœĬIJ車ú電気自動車äŋsĨ
近年äčŜĨsĶĬıä普及ú写真àßäİġĨŔİs
容量Â大ÃÅàÙÜÃܺāgŋsĨ出力電流ä増加á伴
Ĩä保管ÞºÙÕ目的Ýh小型ĜŜĽŎsĨä応用ĠĢį
ºhŋġŎsŔä耐圧最適化áþā効率向上ä要求Â高Å
ʼnÂ拡大Íh小型 UPS}Uninterruptible Power Supply~
àÙÕgÉä要求á応¾āÕ÷hŇčŔIJĸčĿœĬIJ車
ä重要性Â認識ËĂܺāgôÕh太陽光発電ä普及á伴
用ÞÍÜ耐圧 750 V ä IGBT ŋġŎsŔĈ開発Íh従来á
ºh使用ËĂāĺŘsĜŜİČĠŐijø増加ÍܺāgÉ
対Í約 30 % ä損失低減Ĉ実現ÍÕg
Ăÿ UPS úĺŘsĜŜİČĠŐijå常時動作ÍܺāÉ
ĺŘsŋġŎsŔ分野Ýåh
{đĶŔės ･ 環境|分野
ÞÁÿh省資源úŒŜĴŜęĜĢı削減äÕ÷高効率化
äĖsİĹčĢÞÍÜ IGBT äËÿàā性能改善á向ÇÕ
ä要求Â強ºgÉĂÿä要求á対応ÏāÕ÷h第 6 世代
技術開発Ĉ進÷h顧客Ĵsģá合ÙÕ製品開発Ĉ行Ùܺ
IGBT 技術Ĉ適用Íh高速ĢčĬĪŜęĈ可能áÍÕ高速
Åg
İČĢĘœsı IGBT ｢High Speed V Ġœsģ｣ Ĉ開発
ÍÕg内蔵Íܺā FWD}Free Wheeling Diode~ø高
次世代デバイス
速化Ĉ図Āh1,200 V 耐圧ä製品Ýåh図
á示Ïþ¼á
従来品á対Í約 30 % ä損失低減Ĉ図ÙÕg
現在ä中心ݸā第 6 世代 IGBT åhĠœĜŜä理論限
ôÕh富士電機Ýå薄型įŕļúĺĦĜŜhĞsĹà
界á近ÛÃÚÚ¸āÕ÷hÉĂôÝäþ¼à画期的à性能
ßäĢčĬĪŜę電源向Çá各種İĹčĢĈ開発Íܺ
向上Â期待ÝÃàÅàÙÜÃܺāgÓÉÝh注目ËĂÜ
āg 高 耐 圧 ä MOSFET Ý åh ŀ ŕ s ij 型 MOSFET Þ
ºāäÂh炭化Ǻ素}SiC~ú窒化ĕœďʼn}GaN~Ĉ
ÍÜå世界最高性能ä Ron･A}単位面積Ý規格化ÍÕē
材料ÞÍÕ次世代İĹčĢݸāg富士電機Ýåh2009
Ŝ 抵 抗 ~ Ĉ 持 Ú ｢SuperFAP-E3Ġ œ s ģ ｣ Ĉ 開 発 Í 展
年度þĀ外部機関Þä積極的à共同開発Ĉ実施Íh実用化
開 Í Ü º āgSuperFAP-E3Ġ œ s ģ å 低 損 失 Þ 低 ķ č
á向ÇÜ開発ä加速Ĉ図Ùܺāg
ģ化Ĉ実現Íh機器ä高効率化á貢献ÍÜÃÕgôÕh
SiC Ýå独立行政法人産業技術総合研究所Þ共同Ýh
｢SuperFAP-E3｣ á対Í約 1/4 Þ世界最高水準ä Ron･AĈ
MOSFET}Metal- Oxide - Semiconductor Field - Effect
持 Ù Õ Superjunction MOSFET}SJ-MOSFET~ ä 開 発
Transistor~úĠŐĬıĖsĹœċĩčēsIJä開発Ĉ進
ø進÷ܺāgSJ-MOSFET åhÓä低ēŜ抵抗性能á
÷ܺāg2010 年度äĞŜŀŔ展開Ĉ実施Ïā予定ݸ
þĀh電源ä力率改善回路á使用ÍÕ場合約 15 % ä損失
āgSiC İĹčĢĈ使用ÏāÉÞÝh従来äĠœĜŜá対
低減Â可能Þàāg早期ä製品化á向Ç開発Ĉ加速Íܺ
Í 50 % 以上ä損失低減Â可能ݸĀhĺŘđŕ機器ä技
Åg
術革新á大ºá貢献ÝÃāÞ考¾āg
一方hGaN Ýåh古河電気工業株式会社Þ次世代ĺŘs
İĹčĢ技術研究組合Ĉ設立Íh実用化á向ÇÕ研究Ĉ推
一方hĩčēsIJÝåh超低 IR ĠŐĬıĖsĹœċĩ
čēsIJú 30 A 以上ä大容量品ä開発系列化Ĉ進÷ÜÀ
Āh太陽光発電分野ú大型電源向Çá展開Íܺāg
進ÍܺāgGaN åhĠœĜŜďĐsĸä上á形成Ïā
富士電機ÝåhôÏôÏ厳ÍÅàā高効率化ú小型化à
ÉÞÂ可能àÉÞÁÿ SiC á比ï安価áÝÃā可能性Ĉ
ßä要求á応¾āÕ÷h従来äĠœĜŜÝä技術革新äõ
持Ùܺāg富士電機Ýåh2011 年度中á量産化ä÷ß
ÝàÅhĠœĜŜá対Í圧倒的à低損失化Ĉ実現Ïā SiC
Ĉ付Çā予定ݸāg
ú GaN àßä次世代İĹčĢä開発Ĉ加速ÍܺÅg
359（ 3 ）
特 集
20
T1
T4
デバイス：1,200 V/25 A，TO-247
条 件 ： I o =8.5 A，f o =50 Hz，f c =20 kHz，
PF=1，modulation=1.0
富士時報 Vol.83 No.6 2010
パワー半導体の現状と展望
96
95
特 集
94
第 2 世代
効率（％）
93
92
91
90
89
従来品
88
87
86
0
10
20
30
40
50
60
（a）第 6 世代
出力電力（W）
図
電源制御 IC の効率
図
（b）第 5 世代
圧力センサチップ
ºİĹčĢ技術Ĉ基áh自動車分野向Çá高信頼性技術
電源制御 IC
Ĉ適用ÍÕ IPS}Intelligent Power Switch~
h圧力ĤŜĞh
čęijčĨ用 IGBThĸčĿœĬIJ車用 IGBT 駆動 IC à
電源制御 IC åh富士電機独自ä制御方式Ĉ開発Í製品
á適用ÏāÉÞÝhĢčĬĪŜę電源ä省đĶh小型化h
ßĈ展開Íܺāg環境 ･ 安全 ･ 快適ĈĖsŘsIJÞÍÜh
ÉĂÿĈ実現Ïā製品Â求÷ÿĂܺāgÉäþ¼à要求
低ķčģĈ実現Íh機器ä高性能化á貢献Íܺāg機器
á対応ÏāœĴċ制御用 IPS Þ第 6 世代小型圧力ĤŜĞ
ä省đĶ化á伴ºĢčĬĪŜę電源ä適用Â一般化ÍÜ
Ĉ紹介Ïāg
ºāÂhĜŜİŜĞčŜŀĬı型ä整流 ･ 平滑方式äÕ÷
⑴ œĴċ制御用 IPS ｢F5064H｣
電源高調波ä問題Â発生Íh法的規制Â行ąĂܺāgÉ
ēsıŇĪĬĘıŒŜĢňĬĠŐŜÝåhœĴċá油圧
ä問題Ĉ解決ÏāÕ÷á力率改善}PFCkPower Factor
Ĉ変¾ÿĂāœĴċ制御方式Â増加ÍÜÀĀhœĴċĦŕ
Correction~回路Â広Å使ąĂܺāg一方h各種電子機
ķčIJá流Ăā電流Ĉ高精度Ý検出Ïā必要¸āgÓä
器ä省đĶ規制å年々厳ÍÅàĀh待機電力ú軽負荷時ä
Õ÷今回開発ÍÕ IPS åh新回路ä適用hİĹčĢä最
効率向上Â求÷ÿĂhPFC 回路áÀºÜøÓä対応Â重
適化àßĈ行ºh高精度検出用ēŃċŜŀĈ搭載ÍÕg
要ݸāg富士電機ÝåhÉäþ¼à要求á対応ÏāÕ÷h
ôÕhēŃċŜŀä入力部ä保護äÕ÷h30 kV 以上ä
軽負荷時äĢčĬĪŜęä最大発振周波数Ĉ制限ÏāÉÞ
ESD}Electrostatic Discharge~耐量Ĉ持Ú保護素子Ĉ内
Ý図
蔵Íh入力端子ÂēsŀŜáàÙÕ場合á出力ĈēľË
á示Ïþ¼á高効率Ĉ実現Íh周辺回路部品ä削減
Ĉ可能ÞÍÕ第 2 世代臨界ŋsIJ PFC 制御 IC ｢FA5590
Ñā機能àßĈ内蔵ÍÕg出力段 MOSFET áåh高耐
Ġœsģ｣ Ĉ開発ÍÕg
圧 MOSFET á採用Íܺā QPJ}Quasi Plane Junction~
ôÕhĞsĹàßä比較的大容量電源向ÇáĸčĞč
技術Ĉ採用ÏāÉÞÝh従来á対Í 25 % ä低 Ron･AĈ実
IJäIJŒčĹĈ内蔵ÍÕ高耐圧 IC}HVICkHigh Voltage
現ÍÕg高精度検出Þ低損失化áþĀhECU ä小型化î
IC~ä技術開発Ĉ行ÙÕg富士電機Â開発ÍÕ HVIC 技
ä貢献Â可能Þàāg
術å耐圧 800 V ݸĀh駆動Ïā MOFET þĀø高耐
⑵ 第 6 世代小型圧力ĤŜĞ
圧äÕ÷破壊ÏāœĢĘÂ少àºgËÿáhĨsŜēŜ ･
自動車分野ø低燃費車àßä環境対応Â進ĉݺāg圧
ĨsŜēľä伝達遅延時間Ĉ 100 ns 以下á設定Íh効率
力ĤŜĞåđŜġŜä高効率化}低燃費化~úĘœsŜ化
向上á貢献ÏāÉÞÂÝÃāg今後åh今回開発ÍÕ技術
äÕ÷äĖsİĹčĢÞÍÜh吸気圧測定ú大気圧測定à
Ĉ適用ÍÕ製品化Ĉ行¼g
ßá使ąĂāg富士電機ÝåhCMOS}Complementary
Ëÿáh製品開発ĈĞņsıÏāĠňŎŕsĠŐŜ技術
Metal-Oxide-Semiconductor~ ŀ Ŗ Ĥ Ģ Ĉ ł s Ģ á 独
ä高度化áø努÷ܺāg設計ä効率化äÕ÷áåhĠ
自 ä 高 信 頼 性 回 路 技 術 ú 高 度 à MEMS}Micro Elctro
ňŎŕsĠŐŜáþā十分à検証Â不可欠ݸĀh本特集
Mechanical Systems~技術Ĉ適用ÍÕ第 5 世代ä圧力Ĥ
ÝÓä一端Ĉ紹介Ïāg
電源制御用 IC Ýåh高効率化h省đĶ化h小型化àß
ŜĞĈ量産Íh国内外ä自動車ú二輪車á採用ËĂܺāg
新ÍÅ開発ÍÕ第 6 世代圧力ĤŜĞåhĤŜĞ部}ĩčō
ä要求á対応ÏāÕ÷áh富士電機独自ä制御技術ú特徴
ľŒʼn~ä形状最適化ú回路部ä微細化Ĉ行¼ÉÞÝh第
¸āŀŖĤĢ技術ä研究開発á継続ÍÜ取Ā組ĉݺÅg
5 世代ä機能ú性能Ĉ維持ÍÚÚĪĬŀĞčģĈ 70 % ô
Ý低減ÍÕg図
á外観比較Ĉ示Ïg今後Éä技術Ĉ適用
自動車用デバイス
ÍÜ製品系列ä拡充Ĉ行¼予定ݸāg
富士電機Ýåh産業用ú電源用Ý培ÙÕ競争力ä¸ā高
Áá富士電機独自ä技術Ĉ使ÙÕŘŜĪĬŀ型čęijčĨ
富士電機ä自動車用İĹčĢåh今回紹介ÍÕ製品äñ
360（ 4 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
パワー半導体の現状と展望
à߸āg今後ø独自ä技術Ĉ生ÁÍh新ͺ技術Ĉ取
ä要求á早Å応¾āÕ÷継続的á技術開発Ĉ進÷hÀ客Ë
Ā入ĂàÂÿ顧客ä要求á応¾āþ¼à高信頼性Ý高性能
ôä視点Ýä製品開発Ĉ行ÙܺÅ所存ݸāg
あとがき
特 集
à製品開発Ĉ続ÇܺÅg
宝泉 徹
ĺŘs半導体ä開発á従事g現在h富士電機ĠĢ
富士電機Ýåh
{đĶŔės ･ 環境|ĈĖsŘsIJáÍ
įʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部長g
電気学会正員g
Ü社会á貢献ÏāÉÞĈ経営目標á掲ÈܺāgÓä実
現äÕ÷áåhĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ技術ÂĜċÞàĀh
Óä基幹部品ݸāĺŘs半導体ä技術革新Â不可欠ݸ
āg
本稿Ý述ïÕÞÀĀh富士電機åđĶŔės ･ 環境分野
á貢献Ïā特徴¸āĺŘs半導体製品ä開発á努÷ÜÀĀh
柳沢 邦昭
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社執行役員h半導体事
業本部長g
低損失化h高機能化h小型化h低ķčģ化h高信頼性化à
ßĈ革新的Ý独自à技術Ý実現ÍܺÅg今後øÀ客Ëô
361（ 5 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
アドバンスト NPC 回路用 IGBT モジュール
特 集
0.);4VK\SLMVY(K]HUJLK57**PYJ\P[Z
小松 康佑2V\Z\RL2VTH[Z\
原田 孝仁;HRHOP[V/HYHKH
中澤 治雄/HY\V5HRHaH^H
ċ IJ Ĺ Ŝ Ģ ı NPC}A-NPCkAdvanced Neutral-Point-Clamped~ č Ŝ Ĺ s Ĩ Ĉ 実 現 Ï ā Õ ÷ áh 新 Í º IGBT
}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔĈ開発ÍÕgA-NPC 用 IGBT ŋġŎsŔåh第 6 世代 IGBT Þ FWD
}Free Wheeling Diode~
h第 2 世代 RB-IGBT}Reverse-Blocking IGBT~Ĉ採用ÏāÉÞÝ発生損失Ĉ最小化ÍÕg各主
端子間ä内部čŜĩĘĨŜĢå 40 nH 以下ݸĀh端子配列å A-NPC čŜĹsĨäĞčģÂ小ËÅàāþ¼最適化ÍÕg
本製品åh適用装置内äİĹčĢ数ä低減á寄与Íh発生損失Â低Åh高ºĺŘs変換効率ä電力変換機ä開発á貢献ÝÃāg
A new IGBT module has been developed to realize advanced NPC (A-NPC: advanced neutral-point-clamped) inverters. The IGBT (insulated gate bipolar transistor) module used for A-NPC minimized power loss by using a 6th generation IGBT and FWD (free wheeling diode),
as well as a 2nd generation RB-IGBT (reverse blocking IGBT). The internal inductance between each of the main terminals is less than 40 nH,
and the terminal layout was optimized to reduce the A-NPC inverter size. This product can be applied to reduce the number of devices inside
equipment, and can also contribute to the development of various types of power conversion equipment having lower power loss and higher
power conversion efficiency.
⑴
Point-Clamped~čŜĹsĨÂ提案ËĂܺāg近年hĩ
まえがき
čēsIJáþā中性点ĘŒŜŀĈ持Ú NPC čŜĹsĨÂh
近年hCO2 排出量ä低減å人類áÞÙÜ最ø重要à課題
AC IJŒčĿ用čŜĹsĨú UPS àßá使ąĂ始÷ܺ
ä一ÚÞàÙܺāgÉĂá対ÏāËôÌôà取組õÂ世
āg図
界規模Ý行ąĂܺāg
čŜĹsĨ回路Ĉ示Ïg図
áh従来ä 2 ŕłŔčŜĹsĨÞŇŔĪŕłŔ
注
ä出力電圧波形á示Ïþ¼áh
Éä課題Ĉ解決ÏāÕ÷áhĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ機
ŇŔĪŕłŔčŜĹsĨä出力電圧波形å理想的àĞčŜ
器áÀºÜåh省đĶŔėsá取Ā組õhÓä効果的à方
波á近ÛÅgÓä結果hĢčĬĪŜęŖĢä低減úľČŔ
法ݸāčŜĹsĨjĜŜĹsĨ回路ĠĢįʼnĈ開発Íh
ĨĞčģä小型化á効果Ĉ上Èܺāg
⑵
普及Ĉ進÷ÜÃÕgÓä応用分野åhŋsĨú電気鉄道h
ÍÁÍhÉä NPC čŜĹsĨåh使用Ïā半導体İĹ
FA ĠĢįʼnÞºÙÕ消費型äċŀœĚsĠŐŜÖÇÝà
čĢÂ多Å構成ø複雑áàāg導通ŖĢúĜĢıä面Áÿh
ÅhUPS ú風力発電h太陽光発電Àþé燃料電池äþ¼
特á数百 kVA 以下ä中小容量装置îä適用å困難ݸā
à発電j送電j電力供給ä分野áôÝ広ÂÙܺāgÉĂ
Þº¼課題¸ÙÕg
ÿäċŀœĚsĠŐŜáÀºÜåh電力変換ĠĢįʼnä電
富 士 電 機 åh É ä 課 題 Ĉ 解 決 Ï ā Õ ÷ áh 富 士 電 機
力変換効率ä向上Â求÷ÿĂh多Åä研究Â行ąĂܺāg
独自äĺŘs半導体ä一Úݸā RB-IGBT}Reverse-
電力変換効率Ĉ高÷ā最ø効果的à方法ä一ÚݸāŇŔ
Blocking IGBT ~Ĉ中性点ĘŒŜŀá使用Íh双方向Ģ
ĪŕłŔčŜĹsĨáÀºÜhºÅÚÁä NPC}Neutral-
čĬĪÞÍÜ活用ÏāċIJĹŜĢı NPC}A-NPC~用
⑶
IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔĈ
⑷
開発ÍÕg図
á等価回路Ĉ示Ïg
+
Ed
2E d
＋
1/2 E d
1/2 E d
＋
0
Ed
1/2 E d
＋
1/2 E d
+
P
P
0
+
T1
D1
+
U
D2
T1
T4
T4
M
U
M
T3
T3
出力電圧波形
＋E d
＋E d
＋1/2 E d
0
−1/2 E d
−E d
0
−E d
2レベル
2レベルインバータ
図
＋E d
＋3/4 E d
＋1/2 E d
＋1/4 E d
0
−1/4 E d
−1/2 E d
−3/4 E d
−E d
3レベル
（NPC）
362（ 6 ）
T2
（a）NPC3 インバータ
T2
N
（b）A-NPC3 インバータ
5レベル
マルチレベルインバータ
各インバータ回路方式と出力電圧波形
N
図
等価回路
注3 ŕłŔčŜĹsĨ技術k425 Ńsġ解説参照
富士時報 Vol.83 No.6 2010
表
アドバンスト NPC 回路用 IGBT モジュール
A-NPC 用 IGBT モジュールの概要
型式名
電圧定格
電流定格
1,200 V（メインスイッチ部）
300 A（メインスイッチ部）
600 V（双方向スイッチ部）
300 A（双方向スイッチ部）
L110 × W80 × H30（mm）
IＣ =300 A，V GE =＋15 V，T j =25 ℃
モード 1
モード 2
モード 3
モード 4
NPC インバータ
3.20 V
3.20 V
3.20 V
3.20 V
A-NPC インバータ
1.85 V
1.70 V
2.45 V
2.45 V
モード 1
P
モード 1
P
T1
モード 4
D1
T4
D2
モード 3
T3
モード 4
T4
U
M
T3
モード 3
T2
N
モード 2
図
A-NPC 用 IGBT モジュールの外観
（a）NPCインバータ
富士電機ÝåhÉä A-NPC ä特長Ĉ生ÁÍÕ UPS Ĉ
図
U
M
T2
N
T1
モード 2
（b）A-NPCインバータ
NPC インバータと A-NPC インバータのオン電圧比較
開発Íh市場á投入ÏāÉÞÝ{đĶŔėsj環境|分野
世代 RB-IGBT Ĉ採用Íܺāg
îä貢献Ĉ図Ùܺāg
本稿ÝåhÓä概要Þ技術開発áÚºÜ紹介Ïāg
RB-IGBT åh従来ä IGBT Â持×得àÁÙÕ逆耐圧性
能Ĉ持Ú半導体İĹčĢݸāg双方向ĢčĬĪåh従来h
IGBT ÞĩčēsIJÝ構成ÍàÇĂæàÿàÁÙÕgRB-
A NPC 用 IGBT モジュールの特徴
-
IGBT Ĉ採用ÏāÞh逆耐圧保持ä役割Ĉ担¼ĩčēsIJ
.
定格 ･ 外形
表
Â不要áàĀhēŜ電圧ø低減ÝÃāg
á 定 格j 外 形 à ß ä 概 要 Ĉh 図
á A-NPC 用
IGBT ŋġŎsŔä外観Ĉ示Ïg
図
áh従来ä NPC čŜĹsĨÞ A-NPC čŜĹsĨ
äēŜ電圧ä比較Ĉ示Ïg
4 in 1 ĺĬĚsġݸā A-NPC 用 IGBT ŋġŎsŔåh
従来ä NPC čŜĹsĨåh電流経路}ŋsIJ 1 v 4~
ŊčŜĢčĬĪݸā T1hT2  1,200 V/300 A ä IGBT
äÏïÜáÀºÜhIGBT ôÕåĩčēsIJÂ直列á二Úh
素子Þh双方向ĢčĬĪݸā T3hT4  600 V/300 A ä
¸āºå IGBT ÞĩčēsIJÂ直列á接続ËĂÕ回路áà
RB-IGBT
āÕ÷hēŜ電圧Â大ÃÁÙÕg一方hA-NPC čŜĹs
素子ÞÝ構成ËĂܺā図
⒝
g
T1hT2 åh通常ä 2 in 1 ŋġŎsŔÞ同Î回路構成Ý
¸āg中間電位åhT3hT4 Â逆並列á接続ËĂÕ
RB-
IGBT Ĉ双方向ĢčĬĪÞÍܺāg
ĨåhNPC čŜĹsĨ比ïÜ 2 倍ä電圧定格ä素子Ĉ T1h
T2 á使用ÏāÉÞÞhT3hT4 á RB-IGBT Ĉ使用Ïā
ÉÞáþÙÜhŋsIJ 1 v 4 ÏïÜÝ導通Ïā素子数Ĉ半
分áÍܺāg
.
素子の電気特性
⑴ ŊčŜĢčĬĪ
ŊčŜĢčĬĪݸā T1hT2 áåh1,200 V 定格ä第
6 世代V ĠœsģIGBT Àþé FWD}Free Wheeling
Diode~Ĉ採用Íܺāg
Óä結果hA-NPC 3 ŕłŔčŜĹsĨ用ŋġŎsŔ
åh従来ä NPC 3 ŕłŔčŜĹsĨ用ŋġŎsŔá比ï
ÜhĢčĬĪŜęŖĢjķčģå同等àÂÿ導通ŖĢĈ約
30 % 低減Íܺāg
RB-IGBT åh従来ä IGBT Þ基本構造Â同Îݸāg
第 6 世代 V ĠœsģÝåh表面構造ä最適化Þ薄ďĐs
ÓäÕ÷hRB-IGBT äĢčĬĪŜęĢĽsIJÞēŜ電圧
ĸ 化 á þ Ā IJ œ ľ ı 層 ä 低 抵 抗 化 Ĉ 実 現 Íh ē Ŝ 電 圧
äıŕsIJēľ特性åh従来ä IGBT Þ変ąÿàºg逆方
VCE}sat~ ÞĢčĬĪŜę損失Ĉ低減ÍܺāgËÿáh
向電圧Ĉ印加ÍÕÞÃäœĔĹœs特性åh従来ä FWD
ĨsŜēŜ di/dt ä制御性ø改善ÍÕäÝh従来素子Þ比
Þ 同 様 ä 特 性 Ý ¸ āg 図
較ÍÜ放射ķčģä低減ø実現Íܺāg
ĨsŜēľŖĢäıŕsIJēľĔsĿĈ示ÏgĔsĿä傾
⑵ 双方向ĢčĬĪ
向å IGBT+FWD Þ同ÎݸāÂh導通Ïā素子Â少à
双方向ĢčĬĪݸā T3hT4 áåh600 V 定格ä第 2
áhRB-IGBT ä ē Ŝ 電 圧 Þ
º分 VCE}sat~Â小˺g
363（ 7 ）
特 集
4MBI300VG-120R-54
パッケージ寸法
富士時報 Vol.83 No.6 2010
アドバンスト NPC 回路用 IGBT モジュール
低減Ĉ達成ÍÕg
.
A-NPC インバータ用パッケージ
áh温度ĞčĘŔ試験時á発生Ïā DCB 基板ä
図
下äåĉÖäèÐõ量ä FEM}Finite Element Method~
ĺĬĚsġĈh次ä項目á重点Ĉ置ºÜ最適化設計Ĉ行Ù
解析áþā比較Ĉ示Ïg高温時h1 枚基板仕様Ý発生Ïā
Õg
åĉÖèÐõ量Ĉ 1.0 ÞÍÕÞÃh4 枚基板仕様Ýå 0.45
⒜ 主端子 PhUhNhM åhĞsġ電圧Ĉ低減ÏāÕ
ݸĀhèÐõ量 55 % 低減Íܺāg
÷äĢijĹĜŜİŜĞÂ配置ÍúϺÉÞ
ÍÕÂÙÜh従来製品á対Íh温度ĞčĘŔ試験耐量à
⒝ 出力端子ݸā U 端子åh制御端子Áÿ最ø遠º
ß熱膨張j熱収縮á対Ïā信頼性ä向上Â期待ÝÃāg
注
位置á配置Íh出力電流Â制御信号á影響Ĉ及òËà
ºÉÞ
Ëÿáh環境対策ÞÍÜh欧州ä RoHS 指令 á対応Í
Õ鉛ľœsĺĬĚsġÞÍܺāg
⒞ ĺĬĚsġĞčģåh従来品ä外形ĞčģÁÿ選択
Íh可能à限Ā小ËÅÏāÉÞ
発生損失 ･ 電力変換効率
Éä結果h端子配列ä条件Ĉ満ÕÍhM247 同等äĺĬ
ĚsġĞčģ 110×80}mm~Ĉ達成ÍÕg
.
áh従来ä 2 ŕłŔčŜĹsĨhNPC 3 ŕłŔč
図
低インダクタンスパッケージ
ひずみ量：1.0
回路čŜĩĘĨŜĢåh半導体İĹčĢäĨsŜēľ時
大
á発生ÏāĞsġ電圧á直接影響Ĉ及òÏg本製品Þ同
ひずみ量
Î回路構成Ĉh従来ä 2 in 1 ŋġŎsŔÞ 1 in 1 ŋġŎs
ŔÝ実現Íþ¼ÞÏāÞh各ŋġŎsŔĈ接続ÏāÕ÷
äĿĢĹsÞĺĬĚsġ内部äčŜĩĘĨŜĢä合計Â
100 nH 以上Þ大ÃÅàĀhA-NPC čŜĹsĨå実現Â困
小
難ݸÙÕgÓÉÝh本製品å 2 in 1 ŋġŎsŔÞ 1 in 1
（a）1枚基板
ŋġŎsŔĈ一ÚäĺĬĚsġá収÷āÉÞÝhĿĢĹs
ひずみ量：0.45
äčŜĩĘĨŜĢ分Ĉ大幅á低減ÍÕg各電流ŔsıáÀ
大
ºÜåhĨsŜēľ時äĞsġ電圧Ĉ抑制ÝÃā従来ä
ひずみ量
2 in 1 ŋġŎsŔÞ同等äĺĬĚsġ内部čŜĩĘĨŜĢ
}P-NhP-MhM-N ä各電流ŔsıáÀºÜh内部čŜĩ
ĘĨŜĢ 40 nH~以下Ĉ達成ÍÕg
小
.
合理化 ･ 高信頼性パッケージ
（b）4枚基板
本 製 品 åh 半 導 体 İ Ĺ č Ģ Ĉ 搭 載 Ï ā DCB}Direct
Copper Bonding~基板Ĉ 4 枚á分割ÏāÉÞáþÙÜh
図
FEM 解析結果（高温時）
同Ğčģä従来製品}M236 1 枚基板仕様~á比ïÜh
熱収縮時á発生Ïā基板Àþé基板下åĉÖîäĢıŕĢ
10
8
発生損失（kW）
600 V/100 A，T j =125 ℃
RB-IGBT
IGBT＋FWD
6
計算条件：100 kVA インバータ
ｆc =10 kHz，AC400 V，
I c =145 A，V dc =660 V
3
99
導通ロス
電力変換
効率
2
97.73
98
97.48
97.06
スイッチ
ングロス
1
4
97
電力変換効率（%）
100
4
E off（mJ）
特 集
本製品åhA-NPC čŜĹsĨĈ構成ÏāÕ÷á最適à
フィルタ損
0
2.0
2 レベル
インバータ
2.5
3.0
3.5
4.0
V ce（sat）
（V）
図
RB-IGBT のオン電圧・ターンオフロスのトレードオフ
カーブ
364（ 8 ）
固定損
0
2
図
NPC 3 レベル
インバータ
96
A-NPC 3 レベル
インバータ
各インバータの発生損失と電力変換効率の比較
注RoHS 指令k電気電子機器á含ôĂā特定有害物質ä使用制限
áÚºÜä EU}欧州連合~ä指令
富士時報 Vol.83 No.6 2010
アドバンスト NPC 回路用 IGBT モジュール
制御áþā低ķčģ化h第 6 世代 IGBT Þ FWD 採用áþ
āĢčĬĪŜęŖĢ低減h第 2 世代 RB-IGBT ä採用áþ
5
ā導通ŖĢä低減h端子配列最適化hĺĬĚsġ内部čŜ
2 レベルインバータ
NPC 3 レベル
インバータ
4
ĩĘĨŜĢ低減áþāĞsġ電圧ä低減àßĈ実現ÍÕg
ÉĂáþĀhÀ客Ëôáþā A-NPC čŜĹsĨä設計Ĉ
3
容易áÍÕgôÕh使用İĹčĢ数ä低減h構成部材ä最
2
小化h共通化áþĀÀ客Ëôä装置ä低ĜĢı化Ĉ実現可
A-NPC 3 レベルインバータ
能ÞÍÕg
1
5
10
15
20
25
30
キャリア周波数 f c（kHz）
ĖŌœċ周波数Â比較的低ºċŀœĚsĠŐŜÝåh発
生損失Þ電力変換効率ä面Áÿh2 ŕłŔčŜĹsĨh
図
発生損失のキャリア周波数依存性
NPC čŜĹsĨþĀø高性能áÝÃāg
富士電機Ýåh素子性能ä向上á加¾hËÿàā小型
ŜĹsĨhA-NPC
3 ŕłŔčŜĹsĨĈ同Î条件Ý運転
ÍÕÞÃä発生損失Þ電力変換効率ä比較Ĉ示Ïg
化j高信頼性Ĉ提案ÝÃāĺĬĚsġ設計Ĉ進÷h市場要
求á応¾āŋġŎsŔ開発Ĉ行ÙܺÅ所存ݸāg
従 来 ä 2 ŕ ł Ŕ č Ŝ Ĺ s Ĩ åh 第 6 世 代 V Ġ œ s ģ
1,200 V ä特性ÞÍhNPC čŜĹsĨåh第 6 世代 V Ġ
参考文献
œsģ 600 V ä特性ĈÓĂÔĂ用ºÕgNPC čŜĹsĨ
⑴ Nabae, A. et al.,{A New Neutral-Point-Clamped PWM
用ŋġŎsŔä内部čŜĩĘĨŜĢåhA-NPC čŜĹs
Inverter|
, IEEE Trans. on I. A., 1981, vol. IA-17, no.5, p.518-
Ĩ用ŋġŎsŔÞ同ÎÞ仮定ÍÕg
čŜĹsĨä運転条件åhfc＝10 kHzhDC 電圧＝660 Vh
出力電流＝145 A ÞÍÕgÓä結果hA -NPC čŜĹsĨ
ä発生損失Â最ø小ËÅh従来ä 2 ŕłŔčŜĹsĨþ
Āø 23 %hNPC čŜĹsĨþĀø 9 % 低減ÝÃāgôÕh
電力変換効率å
A-NPC
čŜĹsĨÂ 97.73 % Ý最ø高Åh
NPC čŜĹsĨþĀø 0.25 ņčŜıh従来ä 2 ŕłŔč
ŜĹsĨþĀø 0.67 ņčŜı改善ÝÃāg
Éä理由åh次äÞÀĀݸāg
523.
,
⑵ {IGBT Power Modules for 3 - level UPS Inverters|
http://www.semikron.com/,}accessed July 2008~
.
⑶ Takei, M. et al.,{The Reverse Blocking IGBT for Matrix
, Proc. of
Converter with Ultra - Thin Wafer Technology|
ISPSD z
03, 2003, p.156-159.
⑷ Komatsu, K. et al.,{New IGBT Modules for Advanced
Neutral-Point-Clamped 3-Level Power Converters|proc.
of IPEC z
10, 2010, p.523-527.
⒜ ľČŔĨ損低減k3 ŕłŔ化áþā出力電圧波形ä
高周波低減
⒝ ĢčĬĪŜęŖĢ低減k3 ŕłŔ化áþāĖŌœċ
周波数低減
IGBT ŋġŎsŔä開発設計á従事g現在h富士
⒞ 導通ŖĢ低減k電圧定格ä異àāİĹčĢä組合Ñ
Àþé
ôÕh図
RB-IGBT
小松 康佑
ä採用
電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統
括部ŋġŎsŔ技術部g
á発生損失äĖŌœċ周波数依存性比較Ĉ
示Ïg基本的áh2 ŕłŔčŜĹsĨá比ïÜh3 ŕłŔ
čŜĹsĨå発生損失Â小ËÅàāgÍÁÍhNPC čŜ
原田 孝仁
ĹsĨÞ A-NPC čŜĹsĨĈ比ïāÞhfc＝21.5 kHz á
IGBT ŋġŎsŔä構造開発j設計á従事g現在h
ĘŖĢņčŜı¸āÉÞÂ分ÁāgÉĂåhA-NPC č
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
ŜĹsĨÝåhĢčĬĪŜęŖĢä占÷ā割合Â大ú
体開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
ÉÞĈ示唆ÍܺāgôÕhA-NPC čŜĹsĨÂhfc＝
21.5 kHz 以下äċŀœĚsĠŐŜÝ有効ݸāÉÞĈ示Í
ܺāg
中澤 治雄
ŇčĘŖŇĠŜä研究hĺŘsİĹčĢä開発á
あとがき
従事g富士電機ńsŔİČŜęĢ株式会社技術開
発本部基礎技術研究ĤŜĨsęœsŜĺŘđŕŀ
ŖġĐĘı部ŇĶsġŌsg電気学会会員h応用
A-NPC čŜĹsĨá適用Ïāh新 IGBT ŋġŎsŔä
物理学会会員g
概要Àþé特徴áÚºÜ紹介ÍÕg本製品Ýåh3 ŕłŔ
365（ 9 ）
特 集
発生損失（kW）
6
富士時報 Vol.83 No.6 2010
マイルドハイブリッド車用 750 V 耐圧 IGBT
特 集
=0.);MVY4PSK/`IYPK*HYZ
松井 俊之;VZOP`\RP4H[Z\P
阿部 和/P[VZOP(IL
市川 裕章/PYVHRP0JOPRH^H
ŇčŔIJĸčĿœĬı車ÝåhÉĂôÝ 600 V 耐圧 IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔÂ多Å使ąĂ
ÜÃÕgÍÁÍ近年hËÿàā燃費向上ú加速性能ä向上Ĉ目的áhĠĢįʼn電圧Ĉ上ÈÕºÞº¼要求Â高ôÙܺāg
富士電機ÝåÉä要求á応¾āÕ÷h750 V 耐圧 IGBT Þ FWD}Free Wheeling Diode~ĪĬŀhÀþé IGBT ŋġŎsŔ
Ĉ開発ÍÕg試作ÍÕŋġŎsŔĈ評価ÍÕÞÉăh次ä結果Ĉ得Õg電源電圧 500 V ôÝäĠĢįʼnÝĞsġ電圧Ĉ考慮
ÍÜøh安全á使用可能ݸāg750 V 耐圧 IGBT Ĉ適用ÏāÞh1,200 V 耐圧素子Þ比ïÜh全損失å約 28 % 低減ÝÃāg
In mild hybrid cars, 600 V IGBT (insulated gate bipolar transistor) modules have often been used. Recently, however, in order to improve
fuel efficiency and acceleration performance further, there has been growing demand for higher system voltages. In response to this demand,
Fuji Electric has developed a 750 V IGBT and FWD (free wheeling diode) chip, and an IGBT module. A prototype of the module was evaluated and the following results were obtained. The module can be used safely with systems having power supply voltages of up to 500 V even
when surge voltage is superimposed. When the 750 V IGBT is utilized, total loss can be decreased by approximately 28 % compared to 1,200 V
devices.
まえがき
ôä要望á応¾āÕ÷h中間耐圧系列ÞÍÜ新Õá 750 V
地球環境Ĉ保護ÏāÕ÷áhCO2 削減á向ÇÕ取組õÂ
持ÍÚÚh1,200 V Ý実績ä¸ā安定ÍÕ耐圧性能Ĉ融合
系列Ĉ設定Íh開発ÍÕg600 V ä高速性Þ低損失性Ĉ維
各国ä政府Ĉ中心á行ąĂܺāg自動車Ĉ含ö運輸部
Íh中間耐圧á適ÍÕ活性部h耐圧構造Àþé Si 結晶仕
門ä CO2 排出量åh現状h総排出量ä約 20 % Ĉ占÷ܺ
様Ĉ設計ÏāÉÞáþĀh750 V 系列äĪĬŀä最適化Ĉ
āg今後h発展途上国Ĉ中心á自動車ä登録台数Â増加Ï
図ÙÕg
āÉÞÂ見込ôĂܺāgCO2 排出量Ĉ削減ÏāÕ÷á
åh環境対応車ä比率Ĉ増úÏÉÞÂ急務ݸāg実用性
開発概要
ä高ºĸčĿœĬIJ車åh環境対応車ÞÍÜä貢献度Â高
ºg各国政府ú自治体áþā導入á対Ïā優遇策àÿéá
自動車ŊsĔsáþā多車種îä展開áþÙÜh今後Þø
市場Â拡大ÏāøäÞ期待ËĂܺāg
.
750 V 系列 IGBT の必要性
図
áhŋsĨ駆動ĠĢįʼnä概略Ĉ示Ïg図
áh
IGBT ŋġŎsŔ耐圧ĘŒĢÊÞä適用範囲Ĉh最大ŋs
富士電機Â製品化ÍÕĸčĿœĬIJ車用ä 1,200 V 系
昇 圧 Ĝ Ŝ Ĺ s Ĩ 用 IGBT-IPM}Insulated Gate Bipolar
Ĩ出力ÞĠĢįʼn電圧ä関係Ý示Ïg
ŇčŔIJĸčĿœĬIJĠĢįʼnÝåh図
⒜Â多Å使ą
注
Transistor Intelligent Power Module~ À þ é LEXUS
ĂܺāgÉäĠĢįʼnÝåhĹĬįœÁÿä直流電流Ĉ
LS600h Þ RX450h á搭載ËĂܺā 1,200 V 耐圧ä両面
čŜĹsĨ部Ý交流電流á変換Íh三相交流ŋsĨĈ駆動
⑴h⑵
冷却用÷ÙÃĪĬŀåh高Å評価ËĂܺāg1,200 V 耐圧
ÏāgÉä場合hĹĬįœ電圧ÂĠĢįʼn電圧ÞàāgŇ
ĪĬŀĈ採用ÏāĠĢįʼnÝåhĹĬįœ電圧Ĉ昇圧Í
čŔIJĸčĿœĬIJĠĢįʼnÝ多Å使ąĂܺā最大出
Ü直流電圧Ĉ高ÅÏāÉÞÝh出力ú効率ä向上Ĉ図Ù
力 30 kW 以下äŋsĨĈ使用ÍÕ場合hĠĢįʼn電圧å
ܺāgôÕhŇčŔIJĸčĿœĬIJĠĢįʼnàßä昇
300 V 以下ÞàāÉÞÂ多Åh600 V 耐圧ä IGBT ŋġŎs
圧Ĉ必要ÞÍàºĠĢįʼnÝåh600 V ĪĬŀÂ使用ËĂ
ŔÂ一般á適用ËĂܺāg
ܺāgÞÉăÂ最近h昇圧Ĉ必要ÞÍàºĠĢįʼnÝøh
ĹĬįœ電圧ä上昇ú出力電流ä上昇Â求÷ÿĂāþ¼á
一方Ýh100 kW 前後ä比較的大ÃàŋsĨ出力Ýåh
ŋsĨ電流ä増加Ĉ避ÇāÕ÷h図
⒝äĠĢįʼnÂ一般
àÙÜÃÕg中間耐圧ä IGBT åÉäþ¼à用途á適合Íh
的á使ąĂܺāgÉäĠĢįʼnÝåh300 V 程度äĹĬ
600 V ĪĬŀÝå耐圧余裕度Â不足ÏāÂh1,200 V Ýå
į œ 電 圧 Ĉ 600 V 以 上 á 昇 圧 Ï ā ä Ýh1,200 V 系 列 ä
ŇsġŜÂ大ÃÅĢŃĬĘÂ過剰Þàā用途áÀºÜh最
IGBT ŋġŎsŔÂ使ąĂܺāgÍÁÍ近年hŇčŔIJ
適àĦœŎsĠŐŜÞàāg
ĸčĿœĬIJáÀºÜø燃費ú加速性能äËÿàā向上Â
富士電機å車載用 IGBT ÞÍÜh600 Vh1,200 V ä二Ú
ä耐圧系列Ý製品ä実績Ĉ積õ重ãÜÃÕgËÿáÀ客Ë
求÷ÿĂāþ¼áàÙÜÃܺāg
電気自動車Ýåh航続距離Ĉ延æÏÕ÷áĹĬįœĈ増
úÏÞh車両Â重ÅàÙÜÍô¼gÓä重º車両Ĉ駆動Ï
注LEXUSkıőĨ自動車株式会社ä商標ôÕå登録商標
366（ 10 ）
āÕ÷áhŋsĨ出力ä増加Â求÷ÿĂā状況áàĀÚÚ
富士時報 Vol.83 No.6 2010
マイルドハイブリッド車用 750 V 耐圧 IGBT
™耐圧保証k室温以上áÜh750 V 以上
¸āg昇圧ĠĢįʼnĈ使用ÍàºÝŋsĨ出力Ĉ上Èāá
åhĹĬįœ電圧Ĉ上Èā必要¸āgÉĂå図
ä中間
−40 ℃áÜh650 V 以上
™ĢčĬĪŜę損失k600 V 耐圧ĪĬŀ＋20 % ŕłŔ
ä領域ä場合h600 V 耐圧ŋġŎsŔÝå耐圧余裕度Â不
™ĠĢįʼn電圧k500 V
足Íh1,200 V 耐圧ŋġŎsŔÝåĪĬŀ自身ä発生損失
™自動車用ÞÍÜä高信頼性
Â大ÃÏÄāhÞº¼課題¸ÙÕgÓÉÝh600 V Þ
1,200 V ä中間耐圧ݸā 750 V 耐圧Ĉ持Ú IGBT ĪĬŀ
IGBT・FWD チップ特性
Àþé IGBT ŋġŎsŔĈ開発ÍÕg
現在量産中ä第 6 世代V Ġœsģ1,200 V 耐圧ĪĬ
⑶
.
チップ設計目標
ŀÞ 600 V 耐圧ĪĬŀä両方ä技術Ĉ取Ā入Ăh750 V 耐
節 ä課題Ĉ解決ÏāÕ÷áh新ͺ 750 V 耐圧系
.
圧ĪĬŀä設計Ĉ行ÙÕg
列ä IGBTjFWD}Free Wheeling Diode~ĪĬŀä設計
.
目標Ĉ以下äþ¼á設定ÍÕg
IGBT チップ
IGBT ĪĬŀä設計áÀºÜåhĪĬŀä周辺部ä耐圧
Ĉ確保ÏāÕ÷á必要à耐圧構造部Þh通電ú遮断Ĉ行¼
Õ÷ä活性部á分割ÍÜhÓĂÔĂĈ最適設計ÍÕ上Ý組
õ合ąÑāÉÞÂ一般的ݸāg750 V 耐圧ĪĬŀä耐圧
バッテリ
モータ
400
ＴＣ =−40 ℃
300
インバータ部
ＴＣ =25 ℃
ＩC（Ａ）
（a）昇圧を行わないモータ駆動システム
200
バッテリ
ＴＣ =125 ℃
100
モータ
0
IGBT チップ
0
1
2
3
V CE（sat）
（Ｖ）
FWD チップ
IGBT モジュール
昇圧部
図
インバータ部
750 V/200 A 定格 IGBT チップの出力特性
（b）昇圧を行うモータ駆動システム
モータ駆動システムの概略
システム電圧（V）
600
30
1,200 V 耐圧
モジュール
昇圧システム
E off（mJ）
図
中間耐圧
V ｃc＝0.5 定格 V，I c = 定格（200Ａ）
，
=±15
V，T c=125 ℃
V GE
外付けＲ
g は各チップの推奨 Ｒ
g を使用
20
1,200 V 耐圧 IGBT
750 V 耐圧 IGBT
10
300
600 V 耐圧
モジュール
600 V 耐圧 IGBT
100
0
1.4
10
50
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
V CE（sat）
（Ｖ）
100
最大モータ出力（kW）
図
図
耐圧ごとの IGBT モジュール適用マップ
各耐圧クラスの IGBT チップにおける E off と V CE（sat）との
関係
367（ 11 ）
特 集
耐圧領域á相当ÏāøäÝhĠĢįʼn電圧 400 v 500 V
富士時報 Vol.83 No.6 2010
マイルドハイブリッド車用 750 V 耐圧 IGBT
¸ā 1,200 V 耐圧ĪĬŀĈłsĢá設計Íܺāg活性部
äĈ基áh750 V 用ÞÍÜ可能à限Ā小面積Ý実現ÝÃā
åh損失低減äÕ÷á Si ďĐsĸä比抵抗Þ厚ËhÓÍ
þ¼á設計ÍÕg設計áåİĹčĢĠňŎŕsĨĈ使用
Ü少数ĖŌœċ注入量ä最適化Ĉ行ÙܺāgÓä結果h
Íh電界分布Ĉ最適化ÏāÉÞÝ高信頼性Ĉ実現Íܺāg
600 V 耐圧ĪĬŀá近ºh逆回復損失 Err- 順電圧 Vf 特性
ôÕh活性部áå 600 V 耐圧ĪĬŀÝ実績ä¸ā高密度
Ĉ実現Íܺāg図
ĤŔ構造ÞhFS}Field Stop~構造Ĉ採用ÏāÉÞÝhSi
á Err-Vf 特性ĈÓĂÔĂ示Ïg
á FWD ĪĬŀä出力特性Ĉh図
ďĐsĸ厚ËĈ可能à限Ā薄ÅÍÜ 750 V 耐圧ĪĬŀ用
ÞÍÜ最適化Íh600 V 耐圧ĪĬŀá近ºĢčĬĪŜę損
失Ĉ実現Íܺāg図
図
.
á 750 V 耐圧ĪĬŀä出力特性Ĉh
áĨsŜēľ損失 Eoff-Vce}sat~特性ĈÓĂÔĂ示Ïg
Ëÿáh温度ú電流àßÂ過大áàÙÕ場合áh異常状
態Ĉ検知ÍÜ高速á保護動作ÝÃā温度検出ĩčēsIJÞ
750 V 耐圧モジュール
750 V 保証耐圧á最適化ÍÕ IGBT Þ FWD Ĉ使用ÍÜ
čŜĹsĨ用ŋġŎsŔĈ試作Íh特性Ĉ評価ÍÕäÝ以
下á紹介Ïāg図
åh直流電圧Ĉ 550 V Ý駆動ÍÕ場合
äĨsŜēľ波形ݸāg直流平滑回路äčŜĩĘĨŜĢ
電流検出機能Ĉ内蔵Ïā IPM 用 IGBT ĪĬŀø同時á開
ÀþéĢijĹ回路設計áøþāÂhÉä例ÝåĞsġ電圧
発ÍÕg
 750 V 近ÅôÝ上昇ÍÜÀĀh750 V 耐圧ä必要性Â示
ËĂܺāgôÕh図
.
FWD チップ
å直流電圧 550 V áÀÇā短絡試
験波形ݸāg短絡開始後 10 μs Ý遮断ÍÜø非破壊ݸ
FWD ø IGBT Þ同様á耐圧構造部Þ活性部á分割Í
āÉÞÁÿ十分à短絡耐量Ĉ持ÙܺāÉÞÂ分Áāg以
Ü設計ÍÕgÕÖÍhFWD á用ºā Si 結晶ä比抵抗å
上þĀh一定ä余裕Ĉ考慮ÍÜøh電源電圧 500 V ôÝä
IGBT Þ異àāÕ÷h耐圧構造部ä設計Ĉ独立ÍÜ行¼必
ĠĢįʼnÝ安全á使用可能àİĹčĢݸāÞ判断ÝÃāg
前述áÜ試作ÍÕčŜĹsĨ用ŋġŎsŔä特性評価結
要¸āg今回ä FWD 耐圧構造åh車載用ÞÍÜ実績ä
果ÁÿhčŜĹsĨ動作ËÑÕ場合ä発生損失Ĉ見積øÙ
400
ＴＣ =−40 ℃
Ｉ（Ａ）
f
300
V GE：20 V/div
ＴＣ =25 ℃
0V
I C：100 A/div
200
ＴＣ =125 ℃
100
0V
0A
0
0
1
2
V CE：200 V/div
V CC =550 V，
Ｔj =25 ℃
3
V f（Ｖ）
図
図
750 V/200 A 定格 FWD チップの出力特性
20
750 V IGBT チップのスイッチング波形
，Ｔ
=125
℃
V ｃc ＝0.5 定格 V， I f = 定格（200Ａ）
c
V GE：10 V/div
15
E rr（mJ）
特 集
構造åh車載用ÞÍÜ実績ä¸ā 1,200 V 耐圧ĪĬŀäø
0V
1,200 V 耐圧 FWD
10
I C：250 A/div
750 V 耐圧 FWD
V CE：200 V/div
5
600V 耐圧 FWD
0
1.2
2 s
0V
0A
1.6
2.0
2.4
V CC =550 V，
Ｔj =125 ℃
V f（Ｖ）
図
各耐圧クラス FWD の E rr-V f 特性
368（ 12 ）
図
750 V IGBT チップの短絡波形
富士時報 Vol.83 No.6 2010
マイルドハイブリッド車用 750 V 耐圧 IGBT
ąÕÙÜ使用ËĂāÉÞÝ技術的à発展Â図ÿĂh今後ø
Ĉ行ÙÕ場合äŋġŎsŔä全損失åh1,200 V ŋġŎs
産業j民生ä需要å減少ÏāÉÞåàºg一方Ýh自動車
ŔĈ使ÙÕ場合þĀø約 28 % 低減ÏāÉÞÂÝÃāg図
駆動ä分野ä伸éå目覚ôÍÅh従来分野á匹敵¸āºå
0 áh今回試作ÍÕ 750 V/200 A äčŜĹsĨ用ŋġŎs
凌駕}Āý¼Â~Ïā市場á育ÚÉÞá疑問ä余地åàºg
富士電機å自動車産業áÀºÜh小型Ý高性能àĺŘsİ
Ŕä外観Ĉ示Ïg
ĹčĢĈ供給Í続ÇāÉÞĈİĹčĢŊsĔsä責務ÞÍ
Ü考¾h今後øÀ客ËôÞÞøá開発Ĉ続ÇܺÅ所存Ý
あとがき
¸āg
IGBT ŋġŎsŔå今日ôÝh産業j民生用途Ý多岐á
参考文献
⑴ 百田聖自ñÁ. ĸčĿœĬIJ車用÷ÙÃĪĬŀ. 富士時報.
全損失（W）
200
P rr ：ダイオードの
スイッチング
損失
193 W
P rr
Pf
150
100
158 W
P f ：ダイオードの
定常損失
P off ：IGBT のターン
オフ損失
P on ：IGBT のターン
オン損失
P off
2007, vol.80, no.6, p.385-387.
⑵ 藤井岳志ñÁ. ĸčĿœĬIJ車用第2世代÷ÙÃĪĬŀ. 富
士時報. 2009, vol.82, no.6, p.362-365.
⑶ 仲野逸人ñÁ. 第6世代IGBTŋġŎsŔ ｢VĠœsģPIM｣.
富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.388-392.
P sat：IGBT の定常
損失
P on
50
松井 俊之
酸化物超電導体 ･ 青色 LD ä研究hIGBT ĪĬŀä
P sat
0
1,200 V
750 V
開発設計á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式
会社半導体事業本部半導体統括部ŋġŎsŔ技術
部g
図
モータ駆動時のモジュール損失比較
阿部 和
IGBT ĪĬŀä開発設計á従事g現在h富士電機
ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
ŋġŎsŔ技術部g
市川 裕章
ĸčĿœĬIJ車用 IGBT ŋġŎsŔ ･IPM ä開発
á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導
体事業本部半導体統括部ŋġŎsŔ技術部g
図
750 V/200 A インバータモジュールの外観（試作品）
369（ 13 ）
特 集
á示Ïþ¼áhĠĢįʼn電圧 500 V ÝŋsĨ駆動
Õg図
富士時報 Vol.83 No.6 2010
特 集
3 レベルインバータ対応 大容量 IGBT の系列化
──高絶縁パッケージ──
/PNO7V^LY0.);4VK\SL^P[O/PNO0ZVSH[PVU7HJRHNLMVY;OYLL3L]LS0U]LY[LYZ
西村 孝司;HRHZOP5PZOPT\YH
小林 孝敏;HRH[VZOP2VIH`HZOP
西村 芳孝@VZOP[HRH5PZOPT\YH
近年h風力j太陽光発電àßä新đĶŔės分野ú車両用分野á適用ËĂā電力変換装置åhŇŔĪŕłŔčŜĹsĨ方
式áþÙÜ高効率化Â進ĉݺāg富士電機åh本分野îä適用Ĉ狙ºhŇŔĪŕłŔčŜĹsĨ方式ä一Úݸā 3 ŕł
ŔčŜĹsĨ装置îä適用Ĉ視野á入ĂÕ高º絶縁能力Ĉ持Ú大容量 IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎs
ŔĈ新Õá開発ÍÕg電流容量 600 v 3,600 A Ý 1,700 V 耐圧ݸāg高絶縁Ĉ実現ÏāÕ÷áh絶縁設計Ĉ最適化ÍÕĺĬ
ĚsġŜę技術Ĉ適用ÍÕ三ÚäĺĬĚsġÝh製品系列á 1 in 1 Àþé 2 in 1 Ĉ構成Íܺāg
In recent years, power conversion equipment used in the field of new energy and the field of traction advance high efficiency by a multilevel inverter system. Fuji Electric has developed a new high-power IGBT (insulated gate bipolar transistor) module having high isolation
voltages which could apply to three-level inverter as one of multi-level inverter systems. Newly developed high-power IGBT modules have
rating of 600 to 3,600 A/1,700 V. They have three packages and product lineup for 1-in-1 and 2-in-1 modules.
まえがき
ºĘœsŜđĶŔėsÞÍÜ期待ËĂh世界的á設置Â進
IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔ
都市Ĉ結ì電気鉄道h路面電車åh人ú貨物Ĉ大量á輸送
åh高耐圧 ･ 大容量化技術ä進展áþÙÜh産業用ä高耐
ÝÃāgËÿáh温室効果ĕĢø排出ÍàºÉÞÁÿ注目
圧 ･ 大容量čŜĹsĨîä適用Â拡大ÍÜÃÕg
ËĂ整備Â進ĉݺāg
ĉݺāgôÕh大都市Ĉ結ì高速電気鉄道àÿéá近郊
近年h急速à経済成長Â進ĉݺā新興国Ýåh電力č
富士電機åh産業用大容量分野úĘœsŜđĶŔės分
ŜľŒä整備ÂôÖ遅ĂÜÀĀh深刻à電力不足á陥ÙÜ
野îä適用Ĉ狙ÙÕ大容量 IGBT ŋġŎsŔĈ開発Íh製
ºāgôÕh鉄道čŜľŒä整備ä遅ĂáþĀh化石燃
品展開Ĉ行ÙÜÃÕg
⑴
料Ĉ使¼自動車àßä使用Â増¾h温室効果ĕĢ}CO2à
昨今ä風力 ･ 太陽光発電用ú車両用ä電力変換装置åh
ß~ä排出量ø年々増加ÍÜÀĀh地球温暖化ä加速Â懸
装置ä効率Ĉ高÷āÕ÷hŇŔĪŕłŔčŜĹsĨ方式á
念ËĂܺāg
þā高効率化}変換損失ä低減~Â検討ËĂܺāg
風力 ･ 太陽光発電åh発電時á温室効果ĕĢĈ排出Íà
表
今回åhŇŔĪŕłŔčŜĹsĨ方式ä一Úݸā 3 ŕ
製品系列
製品型式
パッケージ
型式
パッケージサイズ
（mm）
M151
130 × 140 × 38
定格電圧
（V）
1MBI1200U4C-170
定格電流
（A）
ベース材
絶縁基板
絶縁耐圧 V iso
（kV）
Cu
窒化けい素
（Si3N4）
4.0
アルミシリ
コンカーバ
イド
（AlSiC）
窒化アルミ
ニウム
（AlN）
6.0
Cu
窒化けい素
（Si3N4）
4.0
アルミシリ
コンカーバ
イド
（AlSiC）
窒化アルミ
ニウム
（AlN）
6.0
1,200
1MBI1600U4C-170
1,600
1,700
1MBI2400U4D-170
2,400
M152
190 × 140 × 38
1MBI3600U4D-170
3,600
1 in 1
1MBI1200U4C-170
1,200
M151
130 × 140 × 38
1MBI1600U4C-170
1,600
1,700
1MBI2400U4D-170
2,400
M152
190 × 140 × 38
1MBI3600U4D-170
3,600
2MBI600U4 G-170
2MBI800U4 G-170
600
M256
130 × 140 × 38
1,700
2MBI1200U4 G-170
800
1,200
2 in 1
2MBI600U4 G-170
2MBI800U4 G-170
2MBI1200U4 G-170
：新製品
370（ 14 ）
600
M256
130 × 140 × 38
1,700
800
1,200
富士時報 Vol.83 No.6 2010
3 レベルインバータ対応 大容量 IGBT の系列化──高絶縁パッケージ──
łŔčŜĹsĨ}425 Ńsġ解説参照~îä適用Ĉ視
開発áÚºÜ紹介Ïāg
野á入ĂÕ絶縁能力Â高ÅhÁÚ車両用分野Ýø適用可能
àĺŘsĞčĘŔ耐量Ĉ持Ú 1,700 V 耐圧ä大容量 IGBT
特 集
製品系列
ŋġŎsŔĈ新Õá開発ÍÕg本稿ÝåhÓä概要Þ技術
開発ÍÕ大容量 IGBT ŋġŎsŔä製品系列Ĉ 表 1 á
示Ïg1,700 V ä定格電圧Ĉ持×h1 in 1 Ý 1,200 v 3,600 Ah
M152 パッケージ
2 in 1 Ý 600 v 1,200 A ä範囲ä定格電流Ĉ持Ú 7 機種Á
ÿ構成ËĂܺāg
図
áhÓäĺĬĚsġ外観Ĉ示Ïg
電気的特性
1 in 1 1,200 A/1,700 V ŋġŎsŔĈ例ÞÍÜh電気的特
性áÚºÜ紹介Ïāg最大定格Àþé特性Ĉ表
M151 パッケージ
V-I 特性
.
M256 パッケージ
á示Ïg
図
áŋġŎsŔä飽和電圧−ĜŕĘĨ電流特性Ĉh図
á順電圧−順電流特性Ĉ示Ïg
図
大容量 IGBT モジュールのパッケージ外観
表
最大定格および特性（型式：1MBI1200U4C-170X）
（a）最大定格（指定なき場合は，T j ＝ T c ＝ 25 ℃）
項 目
記 号
条 件
定 格
単 位
コレクタ−エミッタ電圧
V CES
V GE ＝ 0 V
1,700
V
ゲート−エミッタ間電圧
V GES
─
I c（DC）
連 続
I c（Pulse）
1 ms
± 20
V
T c ＝ 80 ℃
1,200
A
T c ＝ 80 ℃
2,400
A
6,250
W
コレクタ電流
最大損失
Pc
─
T j max.
─
150
℃
保存温度
T stg
─
− 40 ∼＋125
℃
絶縁耐圧
V iso
AC：1 min
6,0
kV
最大接合温度
（b）電気的特性（指定なき場合は，T j ＝ T c ＝ 25 ℃）
項 目
記 号
試験条件
最 小
標 準
最 大
単 位
コレクタ−エミッタ間
漏れ電流
I CES
V GE ＝ 0 V，T j ＝ 125 ℃
V CE ＝ 1,700 V
─
─
1.0
mA
ゲート−エミッタ間
漏れ電流
I GES
V GE ＝±20 V
─
─
2.4
µA
ゲート−エミッタ間
しきい値電圧
V GE（th）
V CE ＝ 20 V，I c ＝ 1.2 A
5.5
6.5
7.5
V
飽和電圧（chip）
V CE（sat）
C ies
入力容量
V GE ＝ +15 V
I c ＝ 1,200 A
T j= 25 ℃
─
2.25
2.40
T j=125 ℃
─
2.65
─
─
112
─
─
1.80
─
─
0.85
─
─
1.30
─
─
0.35
─
V
V GE ＝ 0 V，V CE ＝ 10 V，f ＝ 1 MHz
t on
ターンオン時間
tr
t off
ターンオフ時間
V cc ＝ 900 V，I c ＝ 1,200 A
V GE ＝±15 V
T j ＝ 125 ℃
tr
順電圧（chip）
逆回復時間
VF
V GE ＝ 0 V
I F ＝ 1,200 A
nF
µs
T j= 25 ℃
─
1.80
2.15
T j=125 ℃
─
2.00
─
V
t rr
V cc ＝ 900 V，I F ＝ 1,200 A，T j ＝ 125 ℃
─
0.35
─
µs
記 号
条 件
最 小
標 準
最 大
単 位
IGBT
─
─
0.020
FWD
─
─
0.033
（c）熱的特性
項 目
熱抵抗
R th（j-c）
K/W
371（ 15 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
3 レベルインバータ対応 大容量 IGBT の系列化──高絶縁パッケージ──
IGBT À þ é FWD}Free Wheeling Diode~ Ī Ĭ ŀ åh
ġŎsŔ耐圧Ĉ超¾ā可能性¸āgĞsġ電圧åhěs
ı抵抗Ĉ大ÃÅÏāÉÞáþÙÜ抑制ÝÃāg一方ÝhĢ
čĬĪŜę損失}ĨsŜēŜhĨsŜēľ損失~Â増大Ï
続ËĂÕĪĬŀ間áÀºÜ接合温度Ĉ均等化Ïāþ¼á働
āÕ÷h適用装置ä使用条件áþÙÜå適用ÝÃàºÉÞ
Ãh電流ĹŒŜĢĈ自動的á調整ÏāgÓäÕ÷hĪĬŀ
ø予想ËĂāg
ĨsŜēľ時á発生ÏāĞsġ電圧åhěsı−Ĝŕ
ä並列接続数ä多º大容量 IGBT ŋġŎsŔá適Íܺāg
ĘĨ間á挿入Ïā電圧ĘŒŜŀ回路áþĀhěsıēľ
.
ダイオードの逆回復特性
抵抗Ĉ大ÃÅÏāÉÞàÅĞsġ電圧Ĉ抑¾āÉÞÂÝ
ÃāgÍÁÍhFWD ä逆回復時á発生ÏāĞsġ電圧åh
大容量 IGBT ŋġŎsŔåh回路čŜĩĘĨŜĢä大
IGBT äĨsŜēŜ di/dt Þ回路čŜĩĘĨŜĢáþÙÜ
ÃàċŀœĚsĠŐŜá使用ËĂāÉÞÂ多ÅhĨsŜ
決ôāÕ÷hěsıēŜ抵抗Ĉ大ÃÅÍÜĞsġ電圧Ĉ抑
ēľ時Àþé FWD ä逆回復時á発生ÏāĞsġ電圧Âŋ
制Ïā必要¸āg
本ŋġŎsŔáåhĨsŜēŜ di/dt Ĉ低減ÍÜěsı
コレクタ電流 I c（A）
2,000
抵抗áþāĨsŜēŜ di/dt ä制御性Ĉ高÷hÁÚĨsŜ
V GE ＝＋15 V
⑵
ēŜ損失Ĉ大幅á低減ÍÕ U4 Ġœsģä IGBT ĪĬŀÞh
設計Ĉ最適化ÍÜ逆回復時äĞsġ電圧Ĉ低減ÍÕĩč
ēsIJĪĬŀÞĈ搭載Íܺāg
T j ＝25 ℃
1,000
áhĞsġ電圧Þ回路čŜĩĘĨŜĢä依存性Ĉ示
図
T j ＝125 ℃
Ïg回路čŜĩĘĨŜĢÂ大ú場合ÝøhĞsġ電圧Â
抑制ËĂܺāÉÞÂ分Áāg
0
0
1.0
2.0
3.0
4.0
.
V CE（sat（V）
飽和電圧 ）
スイッチング特性
áhVcc＝900 VhRg＝ 標 準 抵 抗 値hTj＝125 ℃ á
図
図
ÀÇā定格電流}1,200 A~ÝäŋġŎsŔäĨsŜēŜh
飽和電圧−コレクタ電流特性
2,000
2,000
サージ電圧 V AKP（V）
回路インダクタンス
順電流 I F（A）
特 集
Þøá飽和電圧Àþé順電圧Â正ä温度係数Ĉ持Úg正ä
温度係数Ĉ持ÚĪĬŀåh接合温度Â高ÅàāÞh並列接
T j ＝25 ℃
1,000
T j ＝125 ℃
0
0
1.0
2.0
200 nH
60 nH
＝1,200
V，
V CC
R g（on）＝標準抵抗値，
V GE =−15 V，
T j =25 ℃
0
3.0
V F（V）
順電圧 図
150 nH
1,000
0
500
1,000
1,500
順電流 I F（A）
順電圧−順電流特性
図
逆回復サージ電圧特性
V cc =900 V，I c =1,200 A，R g = 標準抵抗値，V GE =±15 V，T j =125 ℃
0V
V GE：200 V/div
0V
V GE：20 V/div
V AK：500 V/div
V CE ：500 V/div
0V
0A
I C：500 A/div
V CE ：500 V/div
t：1.0 µs/div
（a）ターンオン波形
図
スイッチング波形（L 負荷時）
372（ 16 ）
I C：500 A/div
0V
0A
0V
0A
I F：500 A/div
t：0.5 µs/div
（b）ターンオフ波形
t：0.5 µs/div
（c）逆回復波形
富士時報 Vol.83 No.6 2010
3 レベルインバータ対応 大容量 IGBT の系列化──高絶縁パッケージ──
ĨsŜēľÀþé逆回復波形}L 負荷時~Ĉ示ÏgĢčĬ
Íܺāg
一般的á広Å適用ËĂā 2 ŕłŔčŜĹsĨ装置åh構
ĪŜę損失åhĨsŜēŜ時Ý 350 mJhĨsŜēľ時Ý
390 mJh逆回復時Ý 380 mJ ݸāg図
特 集
損失ä電流依存性Ĉh図
áĢčĬĪŜę
áĢčĬĪŜę損失äěsı抵
スイッチング損失（mJ）
抗依存性Ĉ示Ïg
パッケージ技術
.
絶縁耐量 V isoの向上
風力 ･ 太陽光発電ä発電量åh天候á大ÃÅ左右ËĂāg
発電ÍÕđĶŔėsĈŖĢàÅ送電線î送Ā込öÕ÷áåh
1,400
＝900
V， ＝1,200
A，
V CC
IC
V GE =±15 V，
T j =125 ℃
1,200
E on
1,000
800
E off
600
400
E rr
200
変換効率ä高ºčŜĹsĨ装置Â必要ݸāg新ÍÅ設計
0
0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
ゲート抵抗 R
g（Ω）
Ïā車両用ä電力変換装置øôÕh高効率化ä流ĂÂ加速
スイッチング損失（mJ）
図
スイッチング損失のゲート抵抗依存性
800
＝900
V，
V CC
R g＝標準抵抗値，
V GE =±15 V，
T j =125 ℃
600
絶縁性ゲル
E off
沿面モード
絶縁破壊
E on
表面 Cu パターン
E rr
400
0
貫通モード
絶縁破壊
絶縁基板
200
裏面 Cu パターン
0
500
1,000
1,500
2,000
電流 I c，
I F（A）
図
はんだ
スイッチング損失の電流依存性
図
絶縁基板の断面図
低
電界強度（％）
120
表面電極側
100
電界強度
高
電界集中
80
表面 Cu パターン
60
絶縁基板
40
裏面 Cu パターン
裏面電極側
20
0
はんだ
0
0.25
0.5
0.75
裏面距離 I / 表面距離 L
1.0
1.25
（c）I /L =0.33 の場合
（a）シミュレーション結果
電界集中
表面 Cu パターン
絶縁基板
絶縁性ゲル
裏面 Cu パターン
はんだ
表面距離 L
表面 Cu パターン
（d）I /L =0.67 の場合
絶縁基板
裏面距離 I
裏面 Cu パターン
電界集中
表面 Cu パターン
はんだ
絶縁基板
（b）絶縁基板の断面図
裏面 Cu パターン
はんだ
（e）I /L =1.0 の場合
図
絶縁基板厚さと表面距離を一定にした場合の電界強度シミュレーション結果
373（ 17 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
3 レベルインバータ対応 大容量 IGBT の系列化──高絶縁パッケージ──
成部品数Â少àÅh制御Â容易Ý低ĜĢıÖÂh変換効率
Ŕ特有ä車両àßäċŀœĚsĠŐŜĈ想定ÍÕĺŘsĞ
特 集
å 3 ŕłŔčŜĹsĨ装置Þ比較ÏāÞúú劣āgÉäÕ
čĘŔ試験}ǼTc＝80 ℃~áÀºÜh20,000 ĞčĘŔ以上
÷新規á設計Ïā電力変換装置Ýåh3 ŕłŔčŜĹsĨ
ä実力Ĉ達成Íܺāg
方式ä適用Â増加Íܺāg
3 ŕłŔčŜĹsĨ装置á適用ÏāŋġŎsŔä絶縁耐
あとがき
量 Visoáåh1.7 kV ŋġŎsŔÝ 5.4 kV 以上Â要求ËĂāg
現在h量産Íܺā産業用ä大容量 IGBT ŋġŎsŔä絶
本稿Ýåh3 ŕłŔčŜĹsĨ装置á対応可能à高º絶
縁耐量åh1.7 kV ŋġŎsŔÝ 4.0 kV ôÝ対応可能ݸāg
縁耐量Ĉ持×hÁÚ車両分野áø適用可能à大容量 IGBT
5.4 kV 以上á対応ÏāÕ÷áåh次äþ¼à技術Ĉ適用Í
ŋġŎsŔ製品áÚºÜ紹介ÍÕg本ŋġŎsŔåh年率
Ü高絶縁化Ĉ実現Ïā必要¸āg
約 27 % ä伸éĈ示Ï新đĶŔės分野Àþé車両分野ä
高絶縁化Ĉ達成ÏāÕ÷áh絶縁基板材料ä変更h絶
Ĵsģá対応ÝÃā製品Þ確信Íܺāg
注
縁基板ä厚ËÀþé沿面設計}絶縁基板端Áÿ表面 Cu ĺ
ĨsŜôÝä距離~àßä最適化Â必要ݸāg図
今後åhRoHS指令 á対応ÍÕ大容量 IGBT ŋġŎsŔ
á示
ä開発á着手ÍhËÿàāĴsģá応¾āÕ÷hĺŘsđ
Ïþ¼áh絶縁破壊áåh貫通ŋsIJÞ沿面ŋsIJä二Ú
ŕĘıŖĴĘĢä発展á貢献Ïā新製品ä開発Ĉ行Ùܺ
¸āg貫通ŋsIJåh絶縁基板ä厚ËĈ厚ÅÏāÉÞÝ
Å所存ݸāg
回避ÝÃāgÍÁÍhŋġŎsŔä熱抵抗値ÞıŕsIJē
ľä関係á¸Āh熱抵抗値ä増加Ĉ最低限á抑¾ā厚ËĈ
参考文献
選択ÍàÇĂæàÿàºg沿面ŋsIJåh絶縁基板表面Þ
⑴ 西 村 孝 司 ñ Á. IGBTĸ č ĺ Ř s ŋ ġ Ŏ s Ŕ. 富 士 時 報.
絶縁性ěŔÞä境界Ý発生Ïā界面破壊ݸāg沿面設計
ä最適化Â最ø重要ݸāg
図
2008, vol.81, no.6, p.390-394.
⑵ 西村孝司ñÁ. 産業用大容量IGBTŋġŎsŔ. 富士時報.
áh絶縁基板厚ËÞ表面距離Ĉ一定áÍÕ場合ä電
2005, vol.78, no.4, p.264-268.
界強度ĠňŎŕsĠŐŜ結果Ĉ示Ïg表面距離 L Þ裏面
距離 l ä比Ĉ最適化ÏāÉÞáþĀh絶縁基板表面Þ絶縁
性ěŔä境界Ý発生Ïā表面電極側ä電界強度Â抑制ËĂh
西村 孝司
裏面電極側á電界強度Â分散ÝÃāÉÞÂ分Áāg
ĺŘs半導体İĹčĢä開発á従事g現在h富士
Ëÿáh絶縁性ěŔäŀŖĤĢ条件Ĉ最適化Íh絶縁基
電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統
括部ŋġŎsŔ開発部Īsʼnœsĩsg
板Þä密着性Ĉ高÷h3.3 kV ŋġŎsŔÞ同等ä絶縁耐量
}6.0 kV~Ĉ実現ÍÕg
.
小林 孝敏
パワーサイクル耐量の向上
本ŋġŎsŔåh量産中ä大容量 IGBT ŋġŎsŔÞ
⑴
同 様 ä 大 容 量 化 ĺ Ĭ Ě s ġ 技 術 Ĉ 継 承 Í Ü º āgDCB
IGBT ŋġŎsŔä構造開発j設計á従事g現在h
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
体統括部ĺĬĚsġ ･ 実装技術部g
}Direct Copper Bonding~基板Ĉ分割化ÍÜ DCB 基板間
ä熱緩衝ä緩和Ĉ図ĀhDCB 基板間ä電流Ĉ均等化Ïā
主端子構造Ĉ持Ùܺāg
ÉĂá加¾hłsĢŀŕsıáċŔňĠœĜŜĔsĹč
ı}AlSiC~Ĉ採用ÏāÉÞáþĀh大容量 IGBT ŋġŎs
西村 芳孝
ĺŘs半導体äĺĬĚsġŜęÀþéċĤŜĿœ
設計技術開発á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ
株式会社半導体事業本部企画j開発統括部ĺĬĚs
注RoHS 指令k電気電子機器á含ôĂā特定有害物質ä使用制限
áÚºÜä EU}欧州連合~ä指令
374（ 18 ）
ġ ･ 実装技術部g日本材料学会会員hđŕĘıŖ
ĴĘĢ実装学会会員g
富士時報 Vol.83 No.6 2010
7HJRHNL;LJOUVSVN`MVY5L^:[Y\J[\YLPUHUKPU0.);4VK\SLZ
高宮 喜和@VZOPRHa\;HRHTP`H
大西 一永2Ha\UHNH6VUPZOP
小平 悦宏@VZOPOPYV2VKHPYH
富士電機ä産業用 IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔä中Ýøh2 in 1 ŋġŎsŔå中核製品ݸ
āgËôÌôà顧客要求á応¾āĔĢĨŇčģ化ø含÷市場拡大Ĉ図ÙܺāgčŜĹsĨĈ高性能化ÏāÕ÷ä要求åh
ĺŘsĪĬŀÖÇÝàÅ IGBT ŋġŎsŔäĺĬĚsġä改善áø及ĉݺāg最新äV ĠœsģĪĬŀĈ搭載ÍÕ
2 in 1/1 in 1 ĺĬĚsġĈ開発ÍÕgÉä開発áÀºÜh内部čŜĩĘĨŜĢĈ下Èh端子高Ëj平坦}îºÕĉ~度ä精
度Ĉ向上ÍhĪĬŀ配置Ĉ最適化ÍÜ放熱性Ĉ向上ÍÕgËÿáhĺĬĚsġ構造Ĉ一新ÍÜh熱ĞčĘŔ特性Ĉ改善ÍÕg
Among Fuji Electricz
s industrial-use IGBT (insulated gate bipolar transistor) modules, the core product is the 2-in-1 module. It is intended
to expand the share in the market for these modules, including customizing to meet various customer needs. Requests for higher performance
inverter extend to improvements not only in power chips, but also in the packages for IGBT modules. 2-in-1 and 1-in-1 modules that incorporate the latest{V-Series|chips have been developed. In the development of this product, heat dissipation performance was improved by
lowering the internal inductance, improving the accuracy of pin height and flatness, and optimizing the chip layout. Additionally, the package
structure has been completely redesigned to realize improved thermal cycle characteristics.
まえがき
続á必要à端子Ĉ樹脂筐体}Ãý¼Õº~ÞčŜĞsı成
産 業 用 IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ ŋ
端子Þ筐体Ĉ別々ä構造体á分離ÍÕ構造ÞÍÕg
形áþĀ一体化ÍܺÕgÉĂá対Íh新ĺĬĚsġÝå
注
ġŎsŔåhŋsĨ制御用čŜĹsĨú NC}Numerical
ôÕhRoHS 指令 á対応ÏāÕ÷áh絶縁回路基板Þ銅
Controlk 数 値 制 御 ~ 工 作 機 械hUPS}Uninterruptible
łsĢä接合á使用ÏāåĉÖáåhSnSb åĉÖĈ採用
Power Supply~àßËôÌôà電力変換装置á使用ËĂ
ܺāg近年åh太陽光 ･ 風力発電àßä環境 ･ 省đĶŔ
⑴
ės分野ÝøôÏôÏ需要Â高ôÙܺāg
čŜĹsĨä高性能化åh継続的á行ąĂܺāgĺ
ŘsĪĬŀá対ÍÜÖÇÝàÅhIGBT ŋġŎsŔäĺĬ
Ěsġá対Ïā高性能化îä改善要望å高ºg電力損失Ĉ
低減Ïā方法ÞÍÜhIGBT ŋġŎsŔä接続áÀÇā接
触抵抗Ĉ低減ÏāÉÞúhŋġŎsŔä内部čŜĩĘĨŜ
ĢĈ低減ÏāÉÞàßÂ挙ÈÿĂāgôÕhčŜĹsĨ出
力ä増加á伴º半導体素子ä負荷Â大ÃÅàĀh優ĂÕ放
熱性能ø必須条件ÞàÙÜÃܺāg
（a）新パッケージ
環境j省đĶŔės分野ÝåhčŜĹsĨ装置å主á屋
外á設置ËĂāg従来ä屋内設置型þĀø厳ͺ環境Ý使
用ËĂāÕ÷hŋġŎsŔá使用Ïā材料åh従来以上á
高º品質Â要求ËĂāg
今 回h 最 新 Ī Ĭ ŀV Ġ œ s ģ Ĉ 搭 載 Í Õ 産 業 用
IGBT ŋġŎsŔݸā 2 in 1 Àþé 1 in 1 ä製品開発á
伴ºh従来ä構造Ĉ一新ÍÕĺĬĚsġĈ開発ÍÕgÓä
概要Þ技術開発áÚºÜ紹介Ïāg
新パッケージの外観および製品系列
新ĺĬĚsġä外観Ĉ図
⒜á示Ïg図
⒝á示Ï従来
（b）従来パッケージ
図
パッケージの外観
ĺĬĚsġÞ比較ÍÜ分Áāþ¼áh取付Ç穴ú端子位置
ä寸法å変更ÑÐh互換性Ĉ持ÕÑܺāg
従来ĺĬĚsġÝåh外部電極ÀþéŋġŎsŔ内部接
注RoHS 指令k電気電子機器á含ôĂā特定有害物質ä使用制限
áÚºÜä EU}欧州連合~ä指令
375（ 19 ）
特 集
新構造 2 in 1/1 in 1 IGBT モジュールのパッケージ技
術
富士時報 Vol.83 No.6 2010
表
新構造 2 in 1/1 i n 1 IGBT モジュールのパッケージ技術
製品系列（計画）
特 集
パッケージ
構成
製品型式
パッケージ
型式
パッケージサイズ
（mm）
定格電圧（V）
定格電流（A）
2MBI100 VA-060-50
絶縁基板
100
150
600
2MBI150 VA-060-50
2MBI200 VA-060-50
200
M273
34 × 92
アルミナ
2MBI75 VA-120-50
75
2MBI100 VA-120-50
1,200
100
2MBI150 VA-120-50
150
2MBI300 VB-060-50
300
600
2MBI400 VB-060-50
400
M274
45 × 92
2MBI150 VB-120-50
150
1,200
2MBI200 VB-120-50
200
2MBI400 VD-060-50
400
窒化アルミニウム
600
2 in 1
2MBI600 VD-060-50
600
M275
62 × 108
2MBI300 VD-120-50
300
1,200
2MBI400 VD-120-50
400
2MBI150 VH-120-50
150
2MBI200 VH-120-50
200
M276
62 × 108
1,200
アルミナ
2MBI300 VH-120-50
300
2MBI450 VH-120-50
400
2MBI600 VE-060-50
600
600
2MBI800 VE-060-50
2MBI300 VE-120-50
800
M277
80 × 110
300
2MBI450 VE-120-50
1,200
450
2MBI600 VE-120-50
600
1MBI400 V-120-50
1MBI600 V-120-50
窒化アルミニウム
400
M153
1,200
600
1MBI900 V-120-50
900
62 × 108
1 in 1
アルミナ
1MBI400 VA-120-50
1MBI600 VA-120-50
400
M154
1,200
600
1MBI900 VA-120-50
900
ÍÕgSnSb åĉÖåh従来ä鉛åĉÖþĀ高融点àäÝh
行ÙÜ電流経路Ĉ均等化Íh電流不均衡Â起Ãàºþ¼á
製品動向ä一Úݸā高温動作Ĉ保証Ïā有効à材料ݸ
ÍÕg
Éä結果h新ĺĬĚsġä内部čŜĩĘĨŜĢåh従来
āg
開発中ä新構造 2 in 1/1 in 1 IGBT ŋġŎsŔä製品系
列Ĉh表
品ä約 50 % ôÝ低減ÏāÉÞÂÝÃÕg
á示Ïg2 in 1 Ý 5 ĺĬĚsġh定格電流 75 v
800 Ahàÿéá 1 in 1 Ý 2 ĺĬĚsġh400 v 900 A äŒ
.
čŜċĬŀĈ予定Íܺāg
端子の平坦（へいたん）度 ･ 高さの精度向上
製品ä外部電極åhãÎ締付ÇÝ平板á取Ā付ÇÿĂā
場合Â多Åh端子ä平坦度 ･ 高Ëä精度向上Â接触抵抗Ĉ
新パッケージの特徴
低減ÏāņčŜıÞàāg
従来ĺĬĚsġå筐体ä樹脂Þ端子Â一体化ÍÜÀĀh
.
内部インダクタンスの低減
従来ĺĬĚsġåhãÎ取付Ç部ݸā外部端子Áÿŋ
図
⒝á示Ïþ¼áh垂直方向Áÿ嵌合}Áĉʼ~Ïā
ľĨ ･ ijĬı構造Ĉ採用ÍÜ端子曲È加工Ĉ行ÙܺÕg
ġŎsŔ内部ä絶縁回路基板îä主電流経路Âh1 経路Ý
ÉäÕ÷h端子曲È加工å筐体ä樹脂破壊以下á制限ËĂh
¸ÙÕg新ĺĬĚsġÝåh主電流経路Ĉ 2 分割ÍÜ内部
端子単体Àþé端子間ä平坦度Â工程精度Ý左右ËĂܺ
čŜĩĘĨŜĢä低減Ĉ図ÙÕg
Õg
図
á電流経路Ĉ示Ïg新ĺĬĚsġåh主端子Áÿä
新ĺĬĚsġÝåh図
⒜á示Ïþ¼á端子曲È部分ä
電流Ĉ分割ÍÕ絶縁回路基板äÀäÀäî分流Ïā端子形
直下äõ樹脂Ĉ分離ÍÕ筐体ÞÍhijĬıĈ水平方向Áÿ
状ÞÍÕgôÕh絶縁回路基板îä接続ø中央ä位置Ý
挿入Ïā構造Ĉ採用ÍÕgÉäÕ÷h端子曲È加工Â樹脂
376（ 20 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
新構造 2 in 1/1 i n 1 IGBT モジュールのパッケージ技術
：電流経路
特 集
主端子
絶縁
回路基板
温度
高
（a）新パッケージ
低
許容発生損失：514 W
（a）新パッケージ
主端子
絶縁
回路基板
温度
高
（b）従来パッケージ
図
電流経路比較
許容発生損失：462 W
低
（b）従来パッケージ
図
FEM 解析結果
度Â高ÅàĀhĪĬŀåþĀ高温áàÙÜÃÕg特定部材
ä熱伝導率向上 ･ 熱源ÞàāĪĬŀ同士ä熱干渉回避àß
⑵
放熱性能Ĉ向上ËÑāÉÞÂ大Ãà課題ÞàÙܺāg
①ナット挿入前
②ナット挿入途中
新ĺĬĚsġÝåh最新技術äĪĬŀ ｢V Ġœsģ｣ Ĉ
（a）新パッケージ
採用ÍÕgĪĬŀä配置åhĪĬŀ間ä熱干渉Ĉ回避Ïā
þ¼最適化ÍÕg
ĪĬŀ温度Ĉ同一ÞÍÕ場合ä新ĺĬĚsġÀþé従来
ĺĬĚsġä許容発生損失ĈhFEM 解析Ý求÷Õ結果Ĉ
図
á示ÏgĪĬŀ配置Ĉ最適化ÍhĪĬŀĞčģĈ小Ë
ÅÍÜø許容発生損失Ĉ向上ÝÃāÉÞÂ確認ÝÃÕg
①端子曲げ加工前
②端子曲げ加工後
（b）従来パッケージ
.
温度サイクル試験耐量の確保
IGBT ŋġŎsŔåh放熱面Ĉ持ÚłsĢÞ絶縁回路基
図
端子比較
板ÂåĉÖÝ接合ËĂܺāgÉĂÿä熱膨張係数Â異à
āÕ÷h温度変化áþÙÜåĉÖá応力ÂÁÁāg温度Ğ
強度á関係àÅh端子単体ä製造段階Ý外部電極部分Â形
čĘŔ試験ÝåhåĉÖ接合部áĘŒĬĘÂ発生Íh最終
成ËĂāÕ÷端子ä平坦度ä精度Â向上ÍÕgôÕh組立
的á破壊á至āÉÞÂ確認ËĂܺāg
工程ÝhÀäÀä独立Íܺā端子Ĉ同一平面ġęÝ位置
決÷ÏāÉÞáþÙÜ端子ä高ËÂ安定ÍÕg
新ĺĬĚsġÝåh絶縁回路基板áċŔňijôÕå窒化
ċŔňĴďʼnĈ使用Íܺāg銅łsĢĈ含÷Õ熱膨張係
数åh次äÞÀĀݸāg
.
放熱性向上
IGBT ŋġŎsŔÂ動作ÏāÞh半導体ĪĬŀáþā電
™銅k16×10−6K−1
™ċŔňijk7×10−6K−1
力損失áþÙÜ発熱Íh製品ä正常動作 ･ 信頼性á悪影響
™窒化ċŔňĴďʼnk4×10−6K−1
Ĉ与¾āg近年ä製品ä小型化 ･ 大電流化ä結果h電流密
ċŔňijþĀø銅Þä熱膨張係数差Â大ú窒化ċŔň
377（ 21 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
新構造 2 in 1/1 i n 1 IGBT モジュールのパッケージ技術
外力
外力
特 集
絶縁基板
回路
ベース
初 期
外力
外力
SnAg
外力
外力
SnSb
放熱フィン
（a）新パッケージ
図
（b）従来パッケージ
モジュールの取付け状態
300
サイクル
後
あとがき
はんだクラック
本稿Ýåh最新ĪĬŀ ｢V Ġœsģ｣ Ĉ搭載ÍÕ新構造
図
2 in 1/1 in 1 IGBT ŋġŎsŔäĺĬĚsġ技術áÚºÜ紹
温度サイクル試験前後の超音波探傷観察
介ÍÕg本ŋġŎsŔäĺĬĚsġå新規開発品ݸĀh
ĴďʼnĈ用ºÜh温度ĞčĘŔ耐量ä評価Ĉ行ÙÕg新
昨今ä市場要求á対応ÝÃā製品ݸāg
ĺĬĚsġá採用Ïā SnSb åĉÖÞ比較ÏāÕ÷áh一
今後åh計画ÍܺāĺĬĚsġ系列ä拡大Ĉ実現Íh
般的à鉛ľœsåĉÖݸā SnAg åĉÖĈ用ºÜ評価
ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ産業ä発展á貢献Ïā所存ݸāg
ÍÕg図
áh温度ĞčĘŔ試験前後Ý超音波探傷観察Ĉ
参考文献
行ÙÕ結果Ĉ示Ïg
SnAg åĉÖĈ用ºÕ場合h300 ĞčĘŔ後á非常á大
ÃàĘŒĬĘĈ確認ÍÕgÉĂá対ÍhSnSb åĉÖÝåh
⑴ IMSResearch社. Jul-09Ver. STD-MDLäĔįĝœsİs
Ĩ.
ñÞĉßĘŒĬĘå確認ËĂÐh高º温度ĞčĘŔ耐量Â
⑵ 斉藤彬夫ñÁ. 伝熱工学. 産業図書. 2001, p.8-28.
確保ÝÃāÉÞĈ検証ÍÕg
⑶ S.P.Timoshenko et al. 改訂 材料力学要論. 前澤成一郎訳.
ĜŖij社. 1999, p.103-153.
.
ベース密着性向上（フィン取付け時の追従性向上）
IGBT ŋġŎsŔåh放熱ľČŜáãÎÝ取Ā付ÇÜ使
用Ïāg製品áþÙÜãÎ径Â異àāøääh一般的áåh
高宮 喜和
取付ÇıŔĘå 2.5 v 3.5 Nm 程度Þh大Ãà力Ý固定Ïāg
IGBT ŋġŎsŔä構造開発j設計á従事g現在h
łsĢ}厚Ë 3 mm ä銅材~ÖÇݸĂæh取付Ç時á変
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
形ÏāgłsĢÞ絶縁回路基板Â接合ËĂܺāÞh取付
体開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
Ç時á力Â加ąÙÜø変形量Â小˺g
⑶
図
áŋġŎsŔ取付Ç時ä模擬図Ĉ示Ïg従来ĺĬ
ĚsġÝåh一Úä大Ãà面積ä絶縁回路基板Ĉ採用ÍÜ
大西 一永
ºÕg新ĺĬĚsġÝåh絶縁回路基板Ĉ分割ÏāÉÞÝh
IGBT ŋġŎsŔä構造開発j設計á従事g現在h
放熱ľČŜá取Ā付Çā際ä形状追従性Ĉ向上ËÑܺāg
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
ÉĂáþĀh高º放熱効率Ĉ得āÉÞÂÝÃāþ¼áàÙ
体開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
ÕgôÕh曲ÈŋsŊŜıÂ最大Þàā製品中央部Ýh脆
性}ҺѺ~材料ݸā絶縁回路基板äĤŒňĬĘ材Ĉ
配置Íàº構造áÏāÉÞøÝÃÕgÉä結果h窒化ċŔ
小平 悦宏
ňĴďʼn絶縁回路基板Þ RoHS 用 SnSb åĉÖÞä組合Ñ
IGBT ŋġŎsŔä構造開発j設計á従事g現在h
áÀºÜh機械的強度ä向上Ĉ達成ÍÕg
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
体開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
378（ 22 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
704PU0.);4VK\SL:LYPLZ,X\PWWLK^P[O¸=:LYPLZ¹*OPWZ
関野 裕介@\Z\RL:LRPUV
村井 智哉;VTV`H4\YHP
丸山 力宏9PRPOPYV4HY\`HTH
ECONOPIMTMjPC-PACK ĠœsģÝåh複数ä回路Ĉ一ÚäĺĬĚsġá納÷āÉÞáþĀhIGBT}Insulated Gate
Bipolar Transistor~ŋġŎsŔ小型化Þº¼市場要求á応¾ÜÃÕg最新äV Ġœsģå電流容量ä拡大Þ顧客áÀ
Çā設計ä柔軟性Ĉ高÷āÉÞĈ狙ÙÜ開発Íh系列化ÍÕg高放熱性絶縁基板ä適用ú多様àĽŜŕčċďıäĺĬĚs
ġ開発áþĀh同一äĺĬĚsġÝ電流容量ä拡大Þ顧客ä PCB}Print Circuit Board~設計ä自由度Ĉ上ÈÕgôÕhĦ
Ŕĩľœsáþā PCB 実装Â可能àŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔä開発áþĀh多様àĴsģ対応Ĉ可能ÞÍÕg
ECONOPIMTM/PC-PACK series has been responded to market requests for smaller module size of IGBT (insulated gate bipolar transistor) by integrating multiple circuits into a single package. New{V-series|was developed as a series aiming to achieve power range expansion
and flexibility of customer design. By adopting insulated substrate which has high thermal conductivity and several types of pin layouts,
larger current ratings than with a conventional package and flexible PCB (printed circuit board) design for our customers were established.
Moreover, a new press-fit pin terminal has been developed for the solder-free assembling to the PCB, and enables to support various requirements.
œs実装Â可能àŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔĈ開発Íh
まえがき
ŋġŎsŔä幅広º選択Â可能áàÙÕäÝ紹介Ïāg
富 士 電 機 åh1988 年 á IGBT}Insulated Gate Bipolar
｢V シリーズ｣ チップ搭載の ECONOPIMTM・
Transistor~Ĉ製品化ÍÜ以来h世代交代Ĉ重ãh着実á
低損失化h小型化Ĉ成Í遂ÈāÉÞÝ市場ä要求á応¾Ü
PC-PACK 系列の端子配列と電流定格
ÃÕg
装置ä小型化Ĉ可能áÍÕ手段ä一ÚáhPIM}Power
従来ä ECONOPIMTMjPC-PACK 系列äĚsĢåh成
Integrated Module~ú 6 in 1 ŋġŎsŔá代表ËĂāŋ
形時á端子}ĽŜ~Ĉ挿入Í固定ÍܺāĚsĢ構造àä
ġŎsŔ化Â挙ÈÿĂāgPIM åhčŜĹsĨhĿŕs
Ýh端子配列ä自由度ÂàÁÙÕgÉĂá対Íh図 1 á示
ĖhĜŜĹsĨ回路Ĉ一ÚäĺĬĚsġá集積ÍÕĺŘs
Ïþ¼á新規開発ĺĬĚsġåhċĤŜĿœ技術ä向上Þ
ŋġŎsŔݸāg6 in 1 åh三相čŜĹsĨ回路Ĉ一Ú
新ĺĬĚsġ構造ä適用áþĀh各種端子åŋġŎsŔ組
á集約ÍÕŋġŎsŔݸāg
立時áĚsĢá端子Ĉ固定ÝÃāþ¼áàÙÕÕ÷h端子
注
TM
今回hPIM Ĩčŀä ECONOPIM
系列h6 in 1 Ĩčŀ
配列ä自由度Â向上ÍÕg
TM
ä PC-PACK 系列Ĉ紹介ÏāgÉĂÿåhĺĬĚsġä
表 1 áhECONOPIM
jPC-PACK ä従来ĠœsģÞ
開発áþā端子配列自由度ä向上Þ高放熱性絶縁基板ä適
V ĠœsģáÀÇā系列Ĉ示Ïg従来Ġœsģá対ÍÜh
用áþā電流容量拡大áþÙÜhŋġŎsŔ駆動回路設計
豊富à端子配列ä中Áÿ選択Â可能àÉÞá加¾h電流容
ä自由度Ĉ向上ËÑhËÿàā小型化Ĉ実現ÍÕ新ͺ系
量Â高º系列ĈÓă¾ÜºāgÉĂåh最新ä V Ġœs
列ݸāg
ģĪĬŀÞh従来品þĀø熱伝導率ä高º高放熱性絶縁基
ôÕ近年hđŕĘıŖĴĘĢ実装áÀºÜh環境îä配
板Ĉ用ºāÉÞáþĀ達成ÍÕg
慮ú生産性ä向上Ĉ狙ºÞÍÕĦŔĩľœs実装Ĩčŀä
図
áhECONOPIMTM 系列áÀÇā端子配列Þh各種
ĺĬĚsġîä要求Â強ôÙܺāgÓÉÝh富士電機åh
端子配列á対ÏāĺŘsľŖsĈ示Ïg図
ÉĂôÝäĦŔĩ実装Ĩčŀä系列á加¾ÜhĦŔĩľ
¼áh数種類ä端子配列ĈŒčŜċĬŀÍÕÉÞáþĀh
Áÿ分Áāþ
œs実装Â可能àŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔĈ開発Í
Õg
前述ä各種ŋġŎsŔáh最新ä第 6 世代V Ġœs
ģIGBT ĪĬŀĈ搭載ÍÕ新ͺ系列化Ĉ行ÙÕg本稿
Ýåh最新ä第 6 世代 V Ġœsģä各種ĦŔĩŇďŜı
Ĩčŀä ECONOPIMTMjPC-PACK ĠœsģhĦŔĩľ
（a）開発品
（b）従来品
注ECONOPIMTMkInfineon Technologies AG ä商標ôÕå登録
商標
図
パッケージ端子部の比較
379（ 23 ）
特 集
｢V シリーズ｣ チップ搭載の PIM・6 in 1 IGBT モジュー
ル系列
富士時報 Vol.83 No.6 2010
｢V シリーズ｣ チップ搭載の PIM・6 in 1 IGBT モジュール系列
「V シリーズ」ECONOPIMTM・PC-PACK 系列
表
モジュール
PIM
特 集
シリーズ
第 4 世代
S
シリーズ
第 5 世代
U
シリーズ
ピンタイプ
ソルダ
ソルダ
A
A
系 列
10 A
◇
15 A
◇
25 A
◇
B
6 in 1
第 6 世代
V
シリーズ
ソルダ
B
M
N
P
R
プレスフィット
A *1 B *1
W
X
Y
第 6 世代
V
シリーズ
第 4 世代
S
シリーズ
第 5 世代
U
シリーズ
ソルダ
ソルダ
ソルダ
プレス
フィット
A
A
W
Z
B
B
X
◇
◇
35 A
◇
50 A
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
1,200 V
75 A
◇
◇
◇
◇
◇
100 A
◇
○
○
○
○
◇
150 A
◎
◎
◎
◎
◇
◇
◇
◇
◇
150 A ＋ *2
3
150 A++ *
600 V
30 A
◇
50 A
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
○
○
◎
◎
◇
◇
◇
◇
75 A
◇
◇
◇
100 A
◇
◇
◇
◇
◇
150 A
◇
◇
◇
◇
◇
◇
◇
○
◇
◇
◇
○
○
◇
◇
◇
◇
○
○
◇：ラインアップ
○：最新の V シリーズチップによるラインアップ
◎：最新の V シリーズチップと高放熱性絶縁基板技術の適用による新たな電流容量のラインアップ
：今回の開発
＊1：開発中
＊2：Ic（continuous）
＝150 A，Icp（1 ms）
＝400 A，低熱抵抗タイプ
＊3：Ic（continuous）
＝150 A，Icp（1 ms）
＝400 A，高放熱性絶縁基板を適用した高放熱性タイプ
Ｂ
P N
P
M
（W）
N
R
W
U
T
S
NTC
N
W
P
（Y）
S
N
T
P
N U
V
T
S
U
PCB
V
PCB
PCB
PCB
NTC
B
R
NTC
B
P
N
（X）
V
R
R
N
P
P
S
N
T
P
R
（Z）
W
P
N
U
W
V
P
P
A
NTC
P
N
N
B
R
S
T
U
V
W
P
NTC
N
B
B
N
R
S
T
U
V
W
（a）挿入前
（b）挿入後
電力変換パワーフロー
AC（RST 端子）
DC（PN 端子）
AC（UVW 端子）
図
図
TM
ECONOPIM
プレスフィットピン挿入図
における端子配列とパワーフロー
áh環境á配慮ÍÕĦŔĩľœs実装á対応ÍÕŋġŎs
čŜĹsĨä設計á応ÎÜĺŘsľŖsĈ選択ÏāÉÞÂ
Ŕä需要Âh近年高ôÙÜÃܺāgÉäþ¼àĦŔĩľ
ÝÃāþ¼áàÙÕg
œs実装需要á対応ÍÕŋġŎsŔä一ÚÞÍÜhŀŕ
ĢľČĬıĽŜŋġŎsŔ¸āgŀŕĢľČĬıĽŜ
プレスフィットピンモジュールの特徴
ŋġŎsŔå図
ÉĂôÝ述ïÜÃÕ ECONOPIMTMjPC-PACK Ġœs
PCB î実装ÝÃāþ¼áÍÕŋġŎsŔݸāg
á示ÏÞÀĀhPCB îäŀŕĢľČĬ
ıĽŜä圧入Ĉ利用ÏāÉÞáþÙÜhĦŔĩľœsÝ
ģå端子Ĉ PCB}Printed Ciruit Board~á実装Ïāáåh
åĉÖ付ÇÏā必要¸ÙÕg組立工程Ĉ簡素化ÏāÕ÷
380（ 24 ）
今回新Õá開発ÍÕŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔä外
観Ĉh図
á示Ïg
富士時報 Vol.83 No.6 2010
｢V シリーズ｣ チップ搭載の PIM・6 in 1 IGBT モジュール系列
ġŎsŔ用推奨 PCB ä仕様Ĉ示Ïg
.
プレスフィットピンモジュール実装方法
.
PCB á圧入Ý実装Íh信頼性Ĉ確保ÏāÕ÷áåhŀŕ
ĢľČĬıĽŜä挿入法ú挿入速度hPCB áÀºÜ推奨
プレスフィットピンモジュールの接触抵抗
ĦŔĩľœs実装á求÷ÿĂā主要à特性ÞÍÜh次ä
2 点Â挙ÈÿĂāg
ä仕様Ý実装Ïā必要¸āg
⒜ PCB á実装ÍÕÞÃá接触抵抗Â安定ÍܺāÉ
推奨仕様以外Ýä実装ÝåŀŕĢľČĬıĽŜÞ PCB
Þ
間ä圧力Â強ÏÄāÞ PCB á損傷Ĉ与¾ā可能性¸Āh
⒝ 環境ĢıŕĢĈ受ÇÕ場合á対ÍÜøhPCB Þŋ
圧力Â弱ÏÄāÞĜŜĨĘıÂÝÃÐ信頼性ø確保ÝÃà
ġŎsŔä接続Â確保ËĂܺāÉÞ
ÅàāgôÕh端子Þ PCB Â直接接触ÏāÕ÷hĜŜĨ
図
áhŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔä信頼性試験
Ęı部ä PCB 保護ú安定ÍÕ接触抵抗Ĉ確保ÏāÕ÷ä
ä一環ݸā振動試験後ä接触抵抗Ĉ示Ïg振動試験前
推奨ä÷ÙÃ素材ú÷ÙÃ厚hńsŔ径¸āgPCB åh
後Ýä接触抵抗ä増加å最大 0.03 mΩݸĀhñÞĉß変
IEC 60249 øÍÅå IEC 60249-2-5}2 層Ĩčŀ~á準拠
ÍÜ検証ÍÕg
ドリルホール径 =2.35 mm
ŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔå専用äŀŕĢ装置}図
Sn めっき厚＜15 µm
~Þ推奨 PCB Ĉ用ºÜh端子挿抜ä圧力Þ速度Ĉ調節
ÍÜ実装Ïā必要¸āg図
Cu めっき厚＞25 µm
スルーホール径 =
2.2 mm（＋0.09/−0.06）
áhŀŕĢľČĬıĽŜŋ
Cu 箔厚＞35 µm
PCB
PCB
厚さ =1.6 ∼ 2.0 mm
（材質：FR-4）
SnCu めっき（先端部）
プレスフィットピン
C194＋Ni めっき（全体）
最 小
標 準
ー
2.35 ｍｍ
ー
2.14 ｍｍ
2.20 ｍｍ
2.29 ｍｍ
Cu めっき厚
25 µm
ー
Sn めっき厚
ー
ー
ドリルホール径
スルーホール径
図
最 大
ー
15 µm
70 µm
プレスフィットピンモジュールの外観
Cu 箔厚
ー
35 µm
105 µm
PCB 厚
図
1.6 ｍｍ
2.0 ｍｍ
ー
プレスフィットピンモジュール用推奨 PCB の仕様
0.6
n=210
試験条件
周波数変化：10 ∼ 500 Hz
スイープ時間：15 min
加速度：100 m/s2
方向：3 方向（X 軸，Y 軸，Z 軸）
保持時間：6 h（各方向 2 時間ずつ）
接触抵抗（mΩ）
0.5
0.4
初期
試験後
0.3
0.2
0.1
0
0
30
60
90
120
150
180
210
ピン番号
図
プレスフィットピンモジュール実装用プレス装置の例
図
振動試験後の接触抵抗評価
381（ 25 ）
特 集
ŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔäŀŕĢľČĬıĽŜĈ
富士時報 Vol.83 No.6 2010
電流容量
15
｢V シリーズ｣ チップ搭載の PIM・6 in 1 IGBT モジュール系列
25
35
特 集
＊1
ピン
ECONOPIM
50
TM
75
100
200
225
150
TM
ECONOPIM
PC-PACK2
2（PIM）
ECONOPIM
TM
3（PIM）
400
450
300
550
600
900
1,400
TM
2
ECONOPIM
PC-PACK3
3
PC-PACK2（6 in1 ）
PC-PACK3（6 in1）
Standard 34 mm（2 in1 ）
ソルダ
Standard 45 mm（2 in1）
Standard 62 mm（2 in1）
Dual XT（2 in1 ）
ねじ
Standard 80 mm（2 in1）
Standard 62 mm（1 in1）
Dual XT（2 in1）
＊2
ECONOPACK
TM
（6 in1 ）
＋
Standard 62 mm（2 in1 ）
スプ
リング
新型大容量 2 in 1（2 in1）
Dual XT（2 in1 ）
Spring Dual
ソルダ
フリー プレス
フィット
ピン
ECONOPIM
TM
2（PIM）
TM
ECONOPIM
3（PIM）
PC-PACK2（6 in1 ）
PC-PACK3（6 in1 ）
量 産
開発中
＊1：ECONOPIMTM：Infineon Technologies AGの商標または登録商標
＊2：ECONOPACKTM+：Infineon Technologies AGの商標または登録商標
図
「V シリーズ」の系列（1,200 V 系）
化ÂàºÉÞÂ分Áāg本振動試験ĈåÎ÷ÞÍÜhIEC
60352 規格á準拠ÍÕ信頼性試験Ĉ実施ÍhÏïÜ満足Ï
列化Ĉ予定Íܺāg
Éäþ¼á多彩àĽŜh端子配列ÀþéĺĬĚsġĈ系
列化ÏāÉÞÝhËôÌôàđŕĘıŖĴĘĢ機器îä適
ā結果Â得ÿĂܺāg
用Ĉ可能ÞÍÕg
｢V シリーズ｣ IGBT モジュールの全体系列
ôÕhŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔúĢŀœŜęĜŜ
ĨĘıŋġŎsŔàßäĦŔĩľœsŋġŎsŔá加¾Üh
.
｢V シリーズ｣ IGBT チップの特徴
小容量向ÇáËÿáŋġŎsŔ実装Â容易àĦŔĩľœs
ĨčŀŋġŎsŔä開発Ĉ検討中ݸāg
V Ġœsģ IGBT ĪĬŀä特徴Ĉ次á示Ïg
⒜ ľČsŔIJĢıĬŀ}FS~構造ÞıŕŜĪěsı
⑴h⑵
構造ä最適化áþā総損失ä低減
あとがき
⑴h⑵
⒝ Tj＝175 ℃Ýä動作保証 }Tj}max~＝175 ℃hTj}op~＝
150 ℃~
富士電機ä最新ä第 6 世代 ｢V Ġœsģ｣ IGBT ĪĬŀ
⑴h⑵h⑶
Ĉ搭載ÍÕ ECONOPIMTMjPC-PACK ŋġŎsŔäĦŔ
⒞ 損失ÞķčģäıŕsIJēľä改善
⑴h⑵
⒟ ěsı抵抗áþāĨsŜēŜ di/dt 制御性ä向上
ĩ実装ĨčŀÞŀŕĢľČĬıĽŜŋġŎsŔĈ中心áh
V Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔäĽŜĨčŀhĺĬĚsġ
.
｢V シリーズ｣ の系列
図
Ĩčŀä系列áÚºÜ紹介ÍÕg本製品åh最新ä半導体
á 1,200 V ĘŒĢä IGBT ŋġŎsŔä系列表Ĉ示
Ïg現在 V Ġœsģ IGBT ĪĬŀĈ適用ÍÕŋġŎsŔåh
技術ÞĺĬĚsġŜę技術Ĉ駆使ÍÜ開発ÍÕøäݸāg
À客Ëôä PCB 設計ä自由度h組立工数ä削減Àþé環
耐圧 1,200 V á対ÍÜh25 v 1,400 A Þº¼広範囲à電流
境保護àßäËôÌôà要望á対ÍÜ幅広º選択肢Ĉ提供
容量Àþé多彩àĺĬĚsġ系列Ý製品化ËĂܺāg
Ïāøäݸāg
ÉĂôÝá述ïÜÃÕþ¼áhV ĠœsģäŋġŎs
ŔÝå PCB îä実装ĈåĉÖ付ÇÝ行¼ĽŜ端子Ĩčŀh
今後h富士電機Ýå市場ä多様àĴsģá対応ÍܺÅ
Õ÷hŋġŎsŔ系列ĈËÿá拡大ÍܺÅ所存ݸāg
PCB îä圧入áþā実装Ĉ可能ÞÍÕŀŕĢľČĬıĽ
ŜĨčŀĈ系列化ÍÕgôÕhĦŔĩľœsŋġŎsŔä
参考文献
⑷
一ÚݸāĢŀœŜęĜŜĨĘıŋġŎsŔø系列化ÍÜ
ºāgÉäñÁáh600 v 900 A ä大容量 2 in 1 àßø系
382（ 26 ）
⑴ 仲 野 逸 人 ñ Á. 第6世 代IGBTŋ ġ Ŏ s Ŕ ｢VĠ œ s ģ
PIM｣. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.388-392.
富士時報 Vol.83 No.6 2010
｢V シリーズ｣ チップ搭載の PIM・6 in 1 IGBT モジュール系列
⑵ 高橋孝太ñÁ. IGBTŋġŎsŔ ｢VĠœsģ｣ ä系列化.
富士時報. 2009, vol.82, no.6, p.380-383.
Generation IGBT Modules. Proc. PCIM. Europe. 2007
Powermodule p.13-17.
⑷ 兼田博利ñÁ. U4ĠœsģIGBT ｢ĢŀœŜęĜŜĨĘı
ŋġŎsŔ｣. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.393-396.
関野 裕介
特 集
⑶ Igarashi,S. et al. Low EMI Techniques for New
村井 智哉
IGBT ŋġŎsŔä開発 ･ 設計á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部ŋġŎsŔ技術部g
丸山 力宏
IGBT ŋġŎsŔä開発 ･ 設計á従事g現在h富
IGBT ŋġŎsŔä構造開発 ･ 設計á従事g現在h
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
統括部ŋġŎsŔ技術部g
体開発ĤŜĨsĺĬĚsġ開発部g
383（ 27 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
特 集
マトリックスコンバータ用双方向スイッチング IGBT モ
ジュール
)PKPYLJ[PVUHS:^P[JOPUN0.);4VK\SLZMVY4H[YP_*VU]LY[LYZ
有田 康彦@HZ\OPRV(YP[H
吉渡 新一:OPUPJOP@VZOP^H[HYP
AC-AC 電力変換Ĉ行¼ŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ方式åhPWM}Pulse Width Modulation~変換方式á比ïÜh変換
効率Â約 30 % 高Åh小型化Â可能àÕ÷hôÏôÏ適用Â進öÞ考¾ÿĂāgÉä方式áåh双方向ĢčĬĪŜęİĹ
čĢÂ不可欠ݸĀh富士電機ÝåhIGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ĪĬŀĈ逆向Ãá並列接続ÍÕ双方向
IGBT ŋġŎsŔĈ生産Íܺāg最新世代äV ĠœsģIGBT ĪĬŀĈ適用ÍhþĀ大容量ݸā定格 1,200 V/800 Ah
M258 ĺĬĚsġäŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ用双方向ĢčĬĪŜę IGBT ŋġŎsŔä製品開発Ĉ行Ùܺāg
The matrix converter method of AC-AC power conversion realizes an approximate 30 % higher conversion efficiency than the PWM
(pulse width modulation) conversion method. Moreover, equipment can be miniaturized and applications of this method are likely to increase
in the future. For this method, bidirectional switching devices are essential, and Fuji Electric produces a bidirectional IGBT module that
contains parallel-connected reverse-oriented IGBT chips. At present, the latest generation{V-Series|IGBT chips are being used to develop a
bidirectional IGBT module for matrix converters, which has larger capacity than prior modules, i.e. rated voltage and current of 1,200 V and
800A, respectively, and housed in a M258 package.
まえがき
マトリックスコンバータ用 IGBT モジュールの
概要
近年h省電力Ĉ目的ÞÍÜ PWM}Pulse Width Modulation~
čŜĹsĨĈ適用ÍÕ電力変換回路Â普及Íܺāg
⑴
.
CO2削減àßä社会的要請áþĀhËÿá高º変換効率ä
電力変換方式Â必要ÞËĂܺāg
マトリックスコンバータの原理
áh従来ä PWM 変換方式ÞŇıœĬĘĢĜŜĹs
図
Ĩ方式ä回路比較Ĉ示Ïg
交流ŋsĨĈ駆動 ･ 制御ÏāÕ÷áåh交流出力ä周波
⒜á示Ïþ¼áh従来h高変換効率ä電力変換方式
図
数Ĉ任意á変化ËÑā必要¸āg一般的áåh電源Áÿ
ÞÍÜ一般的á適用ËĂÜÃÕ PWM 変換方式Ýåh電
ä交流Ĉ一度直流á変換ÍÕ後h任意ä周波数ä交流á逆
源Áÿä交流ĈĜŜĹsĨ部Ý整流ÍÜh直流áºÙÕĉ
変換Ïā PWM 方式àßäčŜĹsĨÂ用ºÿĂܺāg
変換ÏāgĜŜĹsĨ部Þ PWM čŜĹsĨ部ä間áåh
ÉĂá対ÍÜh交流Áÿ交流î直接変換ÏāÉÞÝh変換
電解ĜŜİŜĞĈ入ĂÜ平滑化ÏāgÓä直流ĈhPWM
効率ĈþĀ高÷āÉÞÂ可能àŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ方
式ä適用Â始ôÙܺāgŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ方式åh
čĬĪŜęİĹčĢÂ必要ݸāgPWM 方式á比ï電力
変換効率Â高ÅhôÕ装置ä小型化h軽量化Â可能ݸĀh
ACフィルタ
三相電源
順方向Þ逆方向äß×ÿä方向áø電流Ĉ流Ñā双方向Ģ
三相
モータ
M
＋
今後ôÏôÏ適用範囲Â拡大ÏāÞ考¾ÿĂāg
PWM コンバータ部
富士電機ÝåhIGBT}Insulated Gate Bipolar Transis-
PWM インバータ部
（a）PWM 変換方式
tor~ĪĬŀĈ逆向Ãá並列接続ÍÕ双方向ĢčĬĪŜę
IGBT ŋġŎsŔÞh双方向á耐圧Ĉ持Ú逆阻止 IGBT
三相電源
双方向ĢčĬĪŜę RB-IGBT ŋġŎsŔä両方Ĉ生産Í
ܺāg双方向ĢčĬĪŜę能力¸āÉĂÿäŋġŎs
ACフィルタ
-IGBTĪĬŀĈ並列接続ÍÕ
RB}Reverse Blocking~
双方向
＝
スイッチ
ŔåhŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ回路îä適用Â進÷ÿĂÜ
ºāg
本稿Ýåh主á中容量Áÿ大容量äŇıœĬĘĢĜŜ
マトリックスコンバータ部
三相
モータ
M
IGBT２個
＋FWD２個
or
ĹsĨá使用Ïā富士電機ä双方向ĢčĬĪŜę IGBT ŋ
RB−IGBT2 個
ġŎsŔä系列h特徴Àþé今後ä開発動向áÚºÜ紹介
（b）マトリックスコンバータ方式
ÏāgËÿáh現在富士電機Â開発Íܺāh最新世代
ä ｢V Ġœsģ｣ IGBT ĪĬŀĈ適用ÍÕ大容量 IGBT ŋ
ġŎsŔáÚºÜ紹介Ïāg
384（ 28 ）
図
従来のＰＷＭ変換方式とマトリックスコンバータ方式の回
路比較
富士時報 Vol.83 No.6 2010
マトリックスコンバータ用双方向スイッチング IGBT モジュール
ôÕhRB-IGBT ĪĬŀå 2 個Ý 1 個ä双方向ĢčĬĪ
čŜĹsĨ部ÝĢčĬĪŜęİĹčĢĈ高速ÝēŜēľÍ
Ŝę機能Ĉ構成ÝÃāÕ÷hIGBT ĪĬŀÞ FWD ĪĬŀ
Ý構成Ïā場合á比ïÜĪĬŀ数Ĉ少àÅÝÃāgRB-
生機能Ĉ持Ú PWM 変換方式ä回路Ĉ構成ÏāÕ÷áåh
IGBT ŋġŎsŔä M801 ĺĬĚsġ品Þ M802 ĺĬĚs
12 個 ä IGBT Ī Ĭ ŀ Þh12 個 ä FWD}Free Wheeling
ġ品åhÓĂÔĂ 1 ŋġŎsŔÝŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ
Diode~ĪĬŀÂ必要ݸÙÕg
Â構成ÝÃāg
図
⒝á示Ïþ¼áhŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ方式Ýåh
電源ä交流Ĉh格子}ŇıœĬĘĢ~状á配置ÍÕ双方向
マトリックスコンバータ用 IGBT モジュールの
⑵h⑶h⑷
ĢčĬĪŜęİĹčĢĈ高速ÝēŜēľÍÜh任意ä幅ä
特徴
双方向ĺŔĢÞÏāÉÞÝh必要à周波数ä交流á直接変
換Ïāg9 個ä双方向ĢčĬĪŜęİĹčĢ¸ĂæhŇ
.
ıœĬĘĢĜŜĹsĨÂ構成ÝÃāg
IGBT モジュール系列
表
áh Ň ı œ Ĭ Ę Ģ Ĝ Ŝ Ĺ s Ĩ 用 ä RB-IGBT ŋ
ŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ方式åh電圧平滑用ä電解ĜŜ
ġ Ŏ s Ŕ Þ IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ ä 製 品 系 列 Ĉ 示 Ïg Ň ı
İŜĞàßä部品Â不要áàāÕ÷áh装置全体ä小型化h
œ Ĭ Ę Ģ Ĝ Ŝ Ĺ s Ĩ 用 IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ Þ Í ÜhRB-
軽量化Â可能áàāgôÕhRB-IGBT ĪĬŀĈ適用ÏĂ
IGBT ĪĬŀĈ搭載ÍÕ 600 V 耐圧品àÿéá 1,200 V 耐
æhĢčĬĪŜęİĹčĢä数Ĉ少àÅÝÃāÕ÷h信頼
圧品h
U ĠœsģIGBT ĪĬŀĈ搭載ÍÕ 600 V 耐圧品h
性ä向上ÞēŜ損失ä低減}変換効率ä向上~Â可能áà
1,200 V 耐圧品àÿéá 1,700 V 耐圧品Ĉ系列化Íܺāg
āg
.
.
マトリックスコンバータ用 IGBT モジュールへの要求
パッケージ系列
比較的小容量äŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ用 RB-IGBT ŋ
ŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ方式á適用ËĂāĢčĬĪŜę
ġŎsŔÝåh9 個ä双方向ĢčĬĪŜę機能Ĉ内蔵Í
İĹčĢáå交流電圧Â印加ËĂāÕ÷h双方向ä耐圧Â
1 個ÝŇıœĬĘĢĜŜĹsĨĈ構成ÝÃāhM801 ĺĬ
必要áàāgôÕh双方向á電流Ĉ流ÏÕ÷á双方向Ģ
Ěsġ品Þ M802 ĺĬĚsġ品Ĉ系列化Íܺāg
ôÕhU Ġœsģä中容量äŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ用
čĬĪŜę機能Â必要Þàāg
図
áhŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ用 IGBT ŋġŎsŔä
等価回路Ĉ示ÏgIGBT ĪĬŀå順方向ä耐圧äõàäÝh
表
マトリックスコンバータ用モジュールの製品系列
逆方向ä耐圧Ĉ持ÕÑā目的Ý FWD ĪĬŀĈ IGBT ĪĬ
定 格
ŀÞ直列á接続ÍܺāgÉĂÿĈ 1 組ÞÍÜh2 組Ĉ逆
シリーズ
向Ãá並列接続ÍÜ双方向ĢčĬĪŜę機能Ĉ持ÕÑܺ
電 圧
（V）
āg
パッケージ
電 流
（A）
構 成
100
M802
600
富士電機äŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ用 IGBT ŋġŎsŔ
200
RB-IGBT
åh2 個ä IGBT ĪĬŀÞh2 個ä FWD ĪĬŀÝ 1 個ä
M801
18 in 1
50
M802
100
M801
1,200
双方向ĢčĬĪŜę機能Ĉ構成Íܺāg2 in 1 ĺĬĚs
ġÝ 1 個ä双方向ĢčĬĪŜęİĹčĢÞàāgM258
600
ĺĬĚsġ品ú M248 ĺĬĚsġ品Ýå 9 ŋġŎsŔÝh
400
2 in 1
M258（NewDual）
400
6 in 1
M644
*
(ECONOPACKTM+）
800
2 in 1
M248（HPM）
800
2 in 1
M258（DualXT）
200
1,200
M644 ĺĬĚsġ品Ýå 3 ŋġŎsŔÝhŇıœĬĘĢĜ
400
U シリーズ
（従来品）
ŜĹsĨĈ構成ÝÃāg
1,700
３端子
４端子
エミッタ①端子
形 式
V シリーズ
（開発中）
1,200
＊：ECONOPACKTM+：Infineon Technologies AG の商標または登録商標
ゲート①端子
M644
ゲート②端子
M248
M258
エミッタ②端子
１端子
図
２端子
マトリックスコンバータ用 IGBT モジュールの等価回路
図
マトリックスコンバータ用 IGBT モジュールの外観
385（ 29 ）
特 集
Üh任意ä幅Þ任意ä周期äĺŔĢÞÏāÉÞÝh必要à
周波数ä交流á再é変換ÍܺāgŋsĨÁÿä電力回
富士時報 Vol.83 No.6 2010
表
マトリックスコンバータ用双方向スイッチング IGBT モジュール
マトリックスコンバータ用「Ｖシリーズ」IGBT モジュール（定格 1,200 V/800 A）の特性一覧
特 性
記 号
条 件 *
単 位
最 小
標 準
最 大
コレクタ−エミッタ間電圧
V ces
─
─
─
1,200
V
ゲート−エミッタ間電圧
V ges
─
─
─
± 20
V
コレクタ電流
Ic
─
─
─
800
A
ケース温度
Tc
─
─
─
125
℃
V iso
─
─
─
2,500
V
ゲート−エミッタ間しきい値電圧
V ge（th）
V ge ＝ 20 V，I c ＝ 800 mA
6.00
6.50
7.00
V
T j ＝ 25 ℃
─
2.35
2.80
コレクタ−エミッタ間飽和電圧
（端子）
V ce（sat）
T j ＝ 125 ℃
─
2.85
─
絶縁耐圧
VF
ダイオード順電圧（端子）
V ge ＝ 15 V，
I c ＝ 800 A
V ge ＝ 0 V，
I f ＝ 800 A
T j ＝ 150 ℃
─
2.95
─
T j ＝ 25 ℃
─
2.25
2.70
T j ＝ 125 ℃
─
2.50
─
T j ＝ 150 ℃
─
2.45
─
IGBT
─
─
0.04
FWD
─
─
0.06
R th（j-c）
熱抵抗
V
V
K/W
＊：特に指定がないかぎり、T j ＝ 25 ℃の値
120
200
t ＝500 ms での Al2O3 絶縁基板
の値を 100％とする
T j =125 ℃
100
V シリーズ IGBT
約 36％
熱抵抗比率（％）
コレクタ電流密度（A/cm2）
特 集
項 目
約 0.5Ｖ低下
100
U シリーズ IGBT
80
Al2O3 絶縁基板
60
Si3N4 絶縁基板
40
20
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0
3.0
1
10
100
コレクターエミッタ間電圧（V）
図
「Ｕシリーズ」と「Ｖシリーズ」の IGBT チップの出力
1,000
10,000
時間（ms）
図
Al203 絶縁基板と Si3N4 絶縁基板の熱抵抗比率
（J-V）特性
IGBT ŋġŎsŔÝåh1 個ä双方向ĢčĬĪŜę機能Ĉ
内蔵ÍÕ M258 ĺĬĚsġ}NewDual ĺĬĚsġ~品Ĉ
.
「V シリーズ」IGBT モジュールの開発
現在h最新世代ä V Ġœsģ IGBT ĪĬŀĈ適用ÍÕh
þĀ大容量äŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ用 IGBT ŋġŎsŔ
系列化Íܺāg
Ë ÿ áh 比 較 的 大 容 量 ä Ň ı œ Ĭ Ę Ģ Ĝ Ŝ Ĺ s Ĩ
Ĉ開発Íܺāg 表
áh定格1,200 V/800 Ah
M258 ĺĬ
用 IGBT ŋ ġ Ŏ s Ŕ Ý åh3 個 ä 双 方 向 Ģ č Ĭ Ī Ŝ ę
Ěsġ}DualXT ĺĬĚsġ~äŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ
機 能 Ĉ 内 蔵 Íh 並 列 使 用 Â 容 易 à M644 ĺ Ĭ Ě s ġ
用 V Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔä特性一覧Ĉ示Ïg
注
}ECONOPACKTM+ ĺĬĚsġ~品Ĉ系列化Íh1 個ä双
V Ġœsģ IGBT ĪĬŀåhĪĬŀ表面äěsı構造Ĉ
方向ĢčĬĪŜę機能Ĉ内蔵ÍÕ M248}HPMkĸčĺ
最適化ÍhËÿáĪĬŀ厚Ĉ薄ÅÏāÉÞáþÙÜh単位
ŘsŋġŎsŔ~ĺĬĚsġ品Ĉ系列化Íܺāg
面積当ÕĀäēŜ電圧ĈhU Ġœsģ IGBT ĪĬŀá比ï
図
áhŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ用 IGBT ŋġŎsŔä
Ü約 23 % 低減ÍܺāgÉĂáþĀhU Ġœsģ IGBT
ĪĬŀÞ同一ĪĬŀ面積ä V Ġœsģ IGBT ĪĬŀĈ適
外観Ĉ示Ïg
用ÏāÞh同一ĺĬĚsġÝ約 30 % 大容量化ÍÕ IGBT
ŋġŎsŔÂ可能áàāg
TM
注ECONOPACK
＋kInfineon Technologies AG ä商標ôÕå
登録商標
386（ 30 ）
図
áhU Ġœsģä IGBT ĪĬŀÞhV Ġœsģä
IGBT ĪĬŀä出力}J-V~特性Ĉ示ÏgĜŕĘĨ電流密
富士時報 Vol.83 No.6 2010
マトリックスコンバータ用双方向スイッチング IGBT モジュール
度＝115 A/cm2hTj=125 ℃ÝhV Ġœsģä IGBT ĪĬŀ
ŔĈ含ö各種ĺŘs半導体İĹčĢĈ開発Íh製品化ÍÜ
ÃÕg今後ø電力変換回路ä変換効率向上àÿéá装置ä
àĀhU Ġœsģä IGBT ĪĬŀäēŜ電圧約 2.2 V á対
小型軽量化îäËÿàāĴsģá応¾āïÅh絶¾間àº
ÍÜh約 0.5 V}約 23 %~低下Íܺāg
ŋġŎsŔä大容量化áþĀh内蔵ĪĬŀäēŜ損失
製品開発Þ提案Ĉ行ºh電力変換分野äôÏôÏä発展á
貢献ÍܺÅ所存ݸāg
Â同等ݸÙÜø内部配線àßä内部損失å増加Íhŋ
ġŎsŔ全体ä発熱量å増大ÏāgËÿáh今後ä大容量
参考文献
化hĪĬŀä高密度集積化áþĀhŋġŎsŔä発熱量å
⑴ 伊藤淳一ñÁ. ŇıœĬĘĢĜŜĹsĨĈ利用ÍÕ高効率
増大ÍܺÅÞ考¾ÿĂāgV Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔ
電力変換. 富士時報. 2004, vol.77, no.2, p.142-145.
åhU Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔá使用ËĂܺāċŔ
⑵ Onozawa,Y. et al. Development of the next generation
ňij}Al2O3~絶縁基板þĀø熱伝導性Þ機械的強度á優
1,200 V trench - gate FS- IGBT featuring lower EMI noise
ĂÕ窒化Ǻ素}Si3N4~ä絶縁基板Ĉ採用ÏāÉÞáþ
and lower switching loss. 19th ISPSD. 2007, vol.19, p.13-16.
Āh発熱量増大á対応Íܺāg図
á Al2O3絶縁基板Þ
Si3N4 絶縁基板ä熱抵抗比率Ĉ示ÏgSi3N4 絶縁基板ä熱抵
抗åhAl2O3絶縁基板ä熱抵抗á比ïÜ約 36 % 低減ÍÜ
⑶ 仲野逸人ñÁ. 第6世代IGBTŋġŎsŔ ｢VĠœsģPIM｣.
富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.388-392.
⑷ 高橋孝太ñÁ. IGBTŋġŎsŔ ｢VĠœsģ｣ ä系列化.
富士時報. 2009, vol.82, no.6, p.380-383.
ºāg
今後の開発動向
有田 康彦
現在h富士電機Ýå
RB-IGBT
技術ä適用範囲ä拡大á
IGBT ŋġŎsŔä開発 ･ 設計á従事g現在h富
注力ÍܺāgRB-IGBT ĪĬŀĈ大容量ŇıœĬĘĢĜ
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
ŜĹsĨ用 IGBT ŋġŎsŔá適用ÏāÉÞáþÙÜh大
統括部ŋġŎsŔ技術部g
容量äŇıœĬĘĢĜŜĹsĨĈ少àºĢčĬĪŜęİĹ
čĢÝ構成ÏāÉÞÂ可能áàāgRB-IGBT ĪĬŀä適
用範囲拡大áþĀh顧客ÁÿäËÿàā高変換効率}低
吉渡 新一
ēŜ損失~化àÿéá小型化h軽量化ä要求á応¾āïÅh
IGBT ŋġŎsŔä開発 ･ 設計á従事g現在h富
技術開発Ĉ進÷ܺāg
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部ŋġŎsŔ技術部Īsʼnœsĩsg
あとがき
富士電機åhŇıœĬĘĢĜŜĹsĨ用 IGBT ŋġŎs
387（ 31 ）
特 集
äĜŕĘĨ−đňĬĨ間電圧}=ēŜ電圧~Â約 1.7 V Þ
富士時報 Vol.83 No.6 2010
新型大容量 2 in1 IGBT モジュール
特 集
5L^/PNO7V^LYPU0.);4VK\SL
山本 拓也;HR\`H@HTHTV[V
吉渡 新一:OPUPJOP@VZOP^H[HYP
拡大Ĉ続Çā風力j太陽光発電àßä新đĶŔės分野îä適用Ĉ狙ºh富士電機åh並列接続á適ÍÕ新型大容量
2 in 1 IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔĈ開発ÍÕg本製品åh最新ä第 6 世代V ĠœsģIGBT
Ĉ搭載Íܺāg半導体ĪĬŀä接合部温度 175 ℃áàÙÜø動作Ĉ保証ÏāÞÞøáh業界最高水準ä低ēŜ電圧Þ低
ĢčĬĪŜę損失Ĉ達成ÍÕg超音波端子接合ú高信頼性鉛ľœsåĉÖàßäĺĬĚsġ技術Ĉ適用Íh従来þĀ高º信
頼性Ĉ確保ÍÕg
Aiming for applications to new energy sectors, such as wind power and solar power generation, which are continuing to exhibit growth,
Fuji Electric has developed the new High Power 2-in-1 IGBT (insulate gate bipolar transistor) module suitable for parallel connections. This
product is equipped with a new 6th generation{V Series|IGBT. Operation is guaranteed for semiconductor chip junction temperatures of up
to 175 ºC, and the industryz
s leading level of low on-voltage and low switching loss are achieved. Package technology such as ultrasonic welding and high reliability lead-free solder are utilized to ensure higher reliability than ever before.
þé性能áÚºÜ紹介Ïāg
まえがき
IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔ
製品系列
åh低損失性h高破壊耐量h駆動回路設計ä容易Ëàßä
利点Áÿ広Å普及Íܺāg高耐圧 ･ 大容量分野áÀºÜ
øhÉĂôÝ広Å適用ËĂÜÃÕ GTO}Gate
Turn-off~
ĞčœĢĨÁÿ IGBT ŋġŎsŔî置Ã換¾ÿĂÜÃÜÀ
新型大容量 2 in 1 IGBT ŋġŎsŔäĺĬĚsġ外観Ĉ
図
áh製品系列Ĉ表 1 á示Ïg1,200 V Àþé 1,700 V ä
耐圧ĘŒĢÞ二ÚäĺĬĚsġÝ構成ËĂh600 v 1,400 A
Āh大容量čŜĹsĨú高圧čŜĹsĨ装置àßá広Å適
用ËĂܺāg
M272 パッケージ
近年h地球温暖化防止á向ÇÜh新đĶŔės}風力 ･
太陽光発電~ä市場Â急速á伸éܺāg特áÉä分野
M271 パッケージ
Ýåh電力変換装置ä大容量化Â進õh大容量 IGBT ŋ
ġŎsŔäĴsģå大ºá拡大ÍܺāgÉĂôÝ富士電
機ÝåhÉä分野îä適用Ĉ狙ºh大容量 IGBT ŋġŎs
⑴h⑵
ŔĈ製品展開ÍÜÃÕ g
Éä新đĶŔės分野向Çáh並列接続á適ÍÕ細長構
造ä新型大容量 2 in 1 IGBT ŋġŎsŔĈ開発ÍÕg本製
⑶
品å ｢V Ġœsģ｣ IGBT Ĉ搭載Íh業界最高水準ä低ē
Ŝ電圧Þ同時áh低ĢčĬĪŜę損失Ĉ達成ÍÕgËÿá
最新äĺĬĚsġ技術Ĉ適用ÏāÉÞÝh高ĺŘs密度Á
Ú高信頼性ø実現ÍÕg
本稿Ýåh新型大容量 2 in 1 IGBT ŋġŎsŔä概要À
表
図
新型大容量 2 in 1 IGBT モジュールのパッケージ外観
新型大容量 2 in 1 IGBT モジュールの製品系列
製品型式
パッケージ型式
パッケージサイズ（mm）
M271
172 × 89 × 38
2MBI1400VXB-120P-50
M272
250 × 89 × 38
2MBI650VXA-170E-50
M271
172 × 89 × 38
2MBI1000VXB-170E-50
M272
250 × 89 × 38
定格電圧（V）
2MBI600VXA-120E-50
定格電流（A）
600
2MBI900VXA-120P-50
1,200
900
1,400
650
1,700
388（ 32 ）
1,000
富士時報 Vol.83 No.6 2010
新型大容量 2 in 1 IGBT モジュール
äŋġŎsŔĈ系列化Íܺāg
.
IGBT チップ特性
電気的特性
ĢčĬĪŜę時á発生ÏāĞsġ電圧Â大ÃÅàāg
1,200 V 系列ä新型大容量 2 in 1 IGBT ŋġŎsŔÝåh
本製品åhV Ġœsģ IGBT Ĉ搭載ÏāÉÞÝĪĬŀ
最 大 接 合 温 度 Tj＝175 ℃h 動 作 温 度 Tj}op~＝150 ℃ Ĉ 保
証ÍܺāgÓä電気的特性áÚºÜ
2MBI1400 VXB-
大容量分野向Çá IGBT ĪĬŀ特性ä調整Ĉ行ºh図
á
示Ïþ¼áh小容量ú中容量分野向Çá比ïÜhĦľıà
ĢčĬĪŜę特性Ĉ実現Íܺāg具体的áåĠœĜŜä
120P-50}2 in 1 1,200 V/1,400 A~Ĉ例á紹介Ïāg
厚ËhĪĬŀ裏面ÁÿäńsŔ注入量ÀþéĪĬŀ面積ä
最適化Ĉ行¼ÉÞÝh低飽和電圧ÁÚ低ēľĞsġÞº¼
大容量 IGBT ŋġŎsŔá必要à性能Ĉ実現Íܺāg
0V
V GE：20 V/div
0V
V GE：20 V/div
I C：500 A/div
t ：400 ns/div
áhŋġŎsŔÝä V-I 特性Ĉ示ÏgIGBT Àþé
図
V CE：200 V/div
I C：500 A/div
0 V,
0A
V-I 特性
.
V CE：200 V/div
FWD}Free Wheeling Diode~åhÞøá正ä温度係数
0 V,
0A
（a）ターンオン
t ：400 ns/div
Ĉ持×h接合温度Â高ÅàāÞēŜ電圧Â増加Ïāg
（b）ターンオフ
Éä正ä温度特性åh並列接続á適ÍÕ特性ݸĀhŋ
ġŎsŔ間ä電流ĹŒŜĢĈ自己調整Ïāþ¼á動作Ïāg
V AK：500 V/div
：600 V
V CC
I C ，I F ：1,400 A
R
R goff＝1.0Ω
＝ gon
：±15 V
V GE
：150 ℃
Tj
0 V,
0A
I F：500 A/div
.
スイッチング特性
áhVcc＝600 VhRgon＝Rgoff＝1.0 ΩhTj＝150 ℃Ýä
図
定格電流}1,400 A~áÀÇāŋġŎsŔäĨsŜēŜh
t ：400 ns/div
ĨsŜēľÀþé逆回復波形Ĉ示Ïg定格電圧Ĉ超¾ā大
（c）逆回復
ÃàĞsġ電圧å発生ÍÜÀÿÐh良好à波形ݸāgô
図
Õh図
スイッチング波形
á同条件áÀÇāĢčĬĪŜę損失ä電流依存性
Ĉ示Ïg
3,000
パッケージ構造
コレクタ電流 I （A）
C
V GE ＝＋15 V
新đĶŔės分野àßá適用ËĂā電力変換装置ä多Å
2,000
T j =25 ℃
åh複数個äŋġŎsŔĈ並列接続ÏāÉÞÝh大容量化
T j =150 ℃
Ĉ達成ÍܺāgôÕhÉä分野Ýå電力ä安定供給äÕ
⑷
÷h高º信頼性Â必要ÞËĂāg新型大容量 2 in 1 IGBT
1,000
ŋġŎsŔåhĿĢĹsáþā並列接続Â容易áàāþ
¼á図
0
0
1
2
3
4
コレクタ−エミッタ間電圧 V CE（V）
á示Ïþ¼à細長ĺĬĚsġ構造Ĉ選択Íܺāg
高信頼性áÚºÜø後述äþ¼áËôÌôà改善Ĉ行ÙÜ
ºāgôÕ環境対応ÞÍÜh鉛ľœs化ø合ąÑÜ実施Í
（a）V−I 特性（IGBT 部）
3,000
スイッチング損失（mJ/pulse）
順電流 I f（A）
800
2,000
T j =25 ℃
T j =150 ℃
1,000
0
0
1
2
3
4
（b）V−I 特性（FWD 部）
V-I 特性
T j =125℃
600
＝600
V，
V CC
R
R goff ＝1.0Ω，
＝ gon
＝
V GE ±15 V
E off
400
E on
200
E rr
0
順電圧 V f（V）
図
T j =150℃
0
1,000
2,000
3,000
電流（A）
図
スイッチング損失の電流依存性
389（ 33 ）
特 集
大容量 IGBT ŋġŎsŔå大電流Ĉ瞬時á遮断ÏāÕ÷h
富士時報 Vol.83 No.6 2010
ܺāg図
新型大容量 2 in 1 IGBT モジュール
áh新型大容量 2 in 1 IGBT ŋġŎsŔä概
ĘŔ後Ý引張強度ä低下ÂôÙÕÅ見ÿĂàºg本製品á
採用ÍÕ超音波端子接合Ýåh銅端子Þ銅回路ĺĨsŜä
略断面図Ĉ示Ïg
.
超音波端子接合技術の適用
図
ÉĂáþÙÜh前述ÍÕ温度ĞčĘŔ耐量ä著ͺ改善Ĉ
áh超音波端子接合ä外観Àþé断面Ĉ示Ïg本製
達成Íܺāg
品åh超音波端子接合法áþā銅端子Þ銅回路ĺĨsŜä
⑸
直接接合Ĉ実施Íܺāg従来ä銅端子接合法ݸāåĉ
.
Ö接合構造áÀºÜåhåĉÖ材Þ銅材ä熱膨張係数差á
高信頼性鉛フリーはんだの適用
図
á示Ïþ¼áh銅łsĢÞ基板下銅ĺĨsŜä間á
þĀhåĉÖ層á最ø大Ãà応力Â集中ÏāgÉäÕ÷h
存在ÏāåĉÖ層áå
åĉÖ層áĘŒĬĘÂ発生ÍÜ銅端子Â取ĂÜÍô¼Þº
ĘŔáþāĢıŕĢÝåĉÖáĘŒĬĘÂ発生ÏāÉÞÂ
¼不具合Â起ÉāÉÞ¸āg図
.
節 Ý述ïÕþ¼áh温度Ğč
áh温度ĞčĘŔ試
¸āg本製品Ýåh耐ĘŒĬĘ性ä高º SnSb åĉÖĈ適
験}試験条件−40 v＋150 ℃繰返Í~前後ä銅端子引張強
用ÏāÉÞÝh高º温度ĞčĘŔ耐量Ĉ実現Íܺāg図
度試験ä比較結果Ĉ示Ïg従来äåĉÖ接合Ýåh300 Ğ
čĘŔ後áåh初期á比ï約 50 % ä引張強度ä低下Â確
áh温度ĞčĘŔ試験 300 ĞčĘŔ前後ä絶縁基板下ä
超音波探傷結果Ĉ示Ïg
認ËĂÕgÉĂá対ÍÜ超音波接合Ýåh初期Þ 300 Ğč
従来品ä SnAg åĉÖ 300 ĞčĘŔÝåĉÖĘŒĬ
ĘÂ発生Íܺāäá対ÍÜh本製品Â採用ÍÕ Sn-Sb
åĉÖåh300 ĞčĘŔ後áñÞĉßåĉÖĘŒĬĘä進
ワイヤボンディング
銅端子
チップ
展Â見ÿĂàºgÉäåĉÖ材ä改善áþĀh図
はんだ層
銅回路パターン
á示Ï
実機動作Ĉ模擬ÍÕ温度ĞčĘŔ}Ǽ Tc ĺŘsĞčĘŔ~
絶縁基板
はんだ層
基板下銅パターン
耐量ä向上Ĉ実現ÍÕg本製品åhǼ Tc＝80 ℃ä条件Ý
10,000 ĞčĘŔ以上ä実力¸Āh従来品á対ÍÜ 2 倍以
上äǼ Tc ĺŘsĞčĘŔ耐量Ĉ実現Íܺāg
銅ベース
図
初期
新型大容量 2 in 1 IGBT モジュールの概略断面図
300 サイクル後
（a）本製品（SnSb はんだ）
接合層
銅端子
初期
300 サイクル後
銅回路パターン
（a）外観
図
（b）断面
はんだクラック
超音波端子接合外観および断面
（b）従来品（SnAg はんだ）
図
絶縁基板下超音波探傷結果
140
120
107
100
50％低下
80
新型大容量 2 in 1
IGBT モジュール
106
サイクル数
銅端子引張強度（％）
特 集
直接接合Ĉ採用ÏāÉÞÝh接合面ä熱膨張係数差Âàºg
60
40
20
105
104
従来品
（太線部は実測値）
0
初期
300
サイクル後
超音波接合
図
銅端子引張強度試験結果
390（ 34 ）
初期
300
サイクル後
103
50
はんだ接合（従来）
60
70
80
ΔT c（℃）
図
実機動作を模擬したΔT c パワーサイクル耐量
90
富士時報 Vol.83 No.6 2010
新型大容量 2 in 1 IGBT モジュール
容量分野á適用ËĂā電力変換装置ä多Ååh瞬時á大電
.
モールドケースの耐環境性能改善
流Ĉ遮断Ïā性能Â要求ËĂāgÓäÕ÷áåh製品内部
äčŜĩĘĨŜĢĈ低減ÍÜĞsġ電圧Ĉ下ÈāÉÞÂ重
ÀºÜhŋsŔIJĚsĢä表面á付着ÍÕ粉塵}ëĉÎ
要ݸāg本製品Ýåh主端子äĜŕĘĨ端子ÞđňĬĨ
ĉ~ú水分áþÙÜ炭化ÍÜ炭化導通路}ıŒĬĘ~Ĉ形
端子ä通電部分Ĉ並行平板化ÏāÉÞÝh磁界ä相互作用
成Íh絶縁Â低下ÍÜ絶縁破壊á至āÉÞ¸āg風力 ･
Ĉ積極的á活用Íh内部čŜĩĘĨŜĢĈ従来ä 21 nH Á
太陽光発電装置åh電力čŜľŒÂ整備ËĂܺàº地域
ÿ 10 nH îÞ約 50 % ä低減Ĉ実現Íܺāg
áø設置ËĂāÉÞ¸Āh塵埃}Îĉ¸º~ú塩分Ĉ多
Å含õ湿度ø高º環境á設置ËĂāÉÞÂ多ºgIGBT ŋ
並列接続動作
ġŎsŔĈÉäþ¼à環境下Ý高º信頼性äøÞÝ使用Ý
Ãāþ¼áÏāáåh炭化導通路Ĉ形成ÍáźŋsŔIJ
素子Ĉ並列接続Ïā場合h並列接続ËĂÕ素子間ä電流
ĚsĢä開発Â必須ݸāg本製品åh高º比較ıŒĬĖ
Â均等ÝàºÞh信頼性ä低下Ĉ招Å可能性¸āgÓä
Ŝ ę 指 数CTI}Comparative Tracking Index~ ≧ 600
Õ÷素子間ä電流分担Ĉ等ÍÅÏāÉÞÂ重要ݸāg前
Ĉ持ÚŋsŔIJ樹脂Ĉ採用ÏāÉÞÝh高ºıŒĬĖŜę
章ôÝá述ïÕþ¼áh本製品å電力変換装置ä大容量化
性能Ĉ確保Íܺāg
Ĉ容易áÏāÕ÷h並列接続á適ÍÕ電気的特性Àþé
ĺĬĚsġ構造áÍܺāg図 0 áhM272 ĺĬĚsġĈ
.
内部インダクタンスの低減
2 素子並列接続ÍÕ場合ä概略配置Ĉ示Ïg図 1 åh2 素
章Ý紹介ÍÕþ¼á新型大容量 2 in 1 IGBT ŋġŎs
子並列接続ÍÕ実測例ݸāgÉä測定Ýåh素子間ä電
Ŕåh大容量分野á適ÍÕ電気的特性Ĉ実現Íܺāg大
流ċŜĹŒŜĢ率å 2 % 以下Þº¼良好à並列接続特性Ĉ
実現Íܺāg
出力端子
スナバ
スナバ
コンデンサ コンデンサ
M２７２パッケージ
あとがき
本稿Ýåh
V ĠœsģIGBT Ĉ搭載ÍhÁÚ信頼性
ゲートドライブ回路
冷却フィン
メイン
コンデンサ
Ĉ大幅á改善ÍÕ新型大容量 2 in 1 IGBT ŋġŎsŔáÚ
ºÜ紹介ÍÕg本ŋġŎsŔåhĴsģÂ多様化Íܺā
大容量分野á加¾h急速á市場Â伸éܺā新đĶŔės
並列に接続
分野á幅広Å対応ÝÃā製品群ݸāÉÞĈ確信Íܺāg
今後åhËÿàāĴsģá応¾ÿĂāþ¼á半導体技術
ÀþéĺĬĚsġ技術äŕłŔĈ高÷hĺŘsđŕĘıŖ
ĴĘĢä発展á貢献Ïā新製品ä開発Ĉ行ÙܺÅ所存Ý
¸āg
参考文献
並列に接続
⑴ 古 閑 丈 晴 ñ Á. 3.3 kV IGBTŋ ġ Ŏ s Ŕ. 富 士 時 報. 2009,
図
vol.82, no.6, p.371-374.
並列接続した場合の概略配置
⑵ 西 村 孝 司 ñ Á. IGBTĸ č ĺ Ř s ŋ ġ Ŏ s Ŕ. 富 士 時 報.
2008, vol.81, no.6, p.390-394.
Tj
I C ＝3,000 A，
＝125
℃
R gon＝1.2Ω，
R goff ＝1.8Ω，
V
CC ＝1,200 V，
0V
⑶ 高橋孝太ñÁ. IGBTŋġŎsŔ ｢VĠœsģ｣ ä系列化.
富士時報. 2009, vol,82, no.6, p.380-383.
V GE：20 V/div
⑷ Morozumi, A. et al. Reliability of Power Cycling for IGBT
電流アンバランス率：2％
I C1 =1,530 A
Power Semiconductor Module. Conf. Rec. IEEE Ind. Appl.
Cof. 36th. 2001. p.1912-1918.
⑸ 木戸和優ñÁ. IGBTŋġŎsŔ用超音波接合技術ä開発
V CE：500 V/div
}第一報~
. Conf. Rec.
I C2 =1,470 A
I C1 ，
I C2：500 A/div
0 V,
0A
t ：2 s/div
図
モジュール間の電流分担測定結果
391（ 35 ）
特 集
ŋsŔIJĚsĢä表面Â高電界下á置ÁĂܺā状態á
富士時報 Vol.83 No.6 2010
山本 拓也
特 集
392（ 36 ）
新型大容量 2 in 1 IGBT モジュール
吉渡 新一
IGBT ŋġŎsŔä開発 ･ 設計á従事g現在h富
IGBT ŋġŎsŔä開発 ･ 設計á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部ŋġŎsŔ技術部g
統括部ŋġŎsŔ技術部Īsʼnœsĩsg
富士時報 Vol.83 No.6 2010
高速ディスクリート IGBT ｢High Speed V シリーズ｣
特 集
¸/PNO:WLLK=:LYPLZ¹VM-HZ[+PZJYL[L0.);Z
渡島 豪人;HRL[V>H[HZOPTH
荒木 龍9`\(YHRP
ňĴ UPS}Uninterruptible Power Supply~ú太陽光発電用ĺŘsĜŜİČĠŐijàßä電力変換効率ä向上ú小型化á
貢献Ïāh定格 600 V/35 v 75 Ah1,200 V/15 v 40 A äİČĢĘœsı IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~
High
Speed V ĠœsģĈ開発h製品化ÍÕg低ēŜ電圧Þ高速ĢčĬĪŜę特性Ĉ両立ËÑÕ IGBT ĪĬŀÞ高速 FWD
}Free Wheeling Diode~ĪĬŀĈ小型İČĢĘœsıĺĬĚsġá搭載ÍܺāgUPS ľŔĿœĬġ回路îä適用ĠňŎ
ŕsĠŐŜáÜh従来品á対Í 600 V 品Ý約 15 %h1,200 V 品Ý約 30 % ä低損失化Ĉ達成Íܺāg
Fuji Electric has developed and commercialized the{High Speed V-Series|of discrete IGBTs (insulated gate bipolar transistors) rated
at 600 V/35-75 A and 1,200 V/15-40 A for improving power conversion efficiency and downsizing of mini UPSs (uninterruptible power supplies)
and photovoltaic power conditioners. IGBT chips combining low on-voltage with high-speed switching characteristics and high-speed FWD
chips are mounted in a small discrete package. In simulations of application to a UPS full-bridge circuit, lower loss by about 15 % with the
600 V product and about 30 % with the 1,200 V product was achieved in comparison with conventional series.
まえがき
ĞsĹ機器ä設置ä高密度化á対応ÏāÕ÷á小型 UPS
近年h地球温暖化ú環境破壊àßä環境問題Â多岐áą
10 kVA 前後äňĴ UPS Ĉ組õ合ąÑÜ並列冗長動作Þ
Ĉ分散配置ÍhËÿá電源ŒčŜä信頼性向上äÕ÷á
Ïā方式Â普及ÍÚÚ¸āg
ÕĀh地球環境保護意識ä高ôĀĈ背景á省đĶŔėsä
ôÕh省資源Þ CO 2 排出量Ĉ削減ÏāÕ÷h再生可能
動ÃÂ強ôÙܺāg一方ÝhİġĨŔ家電製品ä急速à
普及hËôÌôà電子製品äĶĬıŘsĘ対応áþĀĶĬ
đĶŔėsä導入Â進ĉݺāgÓä中Ýø政府ä導入支
ıŘsĘ上äİġĨŔ情報量å爆発的á増加ÍÜÀĀh私
援策àßáþĀh太陽光発電ĠĢįʼnÂ急速á普及Íܺ
Õ×Ĉ取Ā巻Å環境ø大ÃÅ変化Íܺāg
āgÉä太陽光発電ĠĢįʼnÝåh太陽電池Ý発電ÍÕ直
以前åhĶĬıŘsĘ上äİġĨŔ情報Ĉ常時利用Ý
流電力Ĉ家庭Ý使¾ā交流電力á変換Ïā必要¸Āh家
ÃāÉÞĈ可能ÞÍhİsĨĈ確実á保障ÏāÕ÷áh
庭用ä電力変換装置ÞÍÜåh3 v 5 kVA 程度äĺŘs
İsĨĤŜĨä電源部分áå 100 kVA 以上ä大型 UPS
ĜŜİČĠŐijÂ使用ËĂܺāg
}Uninterruptible Power Supply~Â導入ËĂāÉÞÂ一
ÉĂÿ装置ä普及Â進öáÚĂh地球温暖化対策ÞÍÜ
般的ݸÙÕgÉĂá対Íh最近ÝåhİsĨĤŜĨ内ä
装置ä高効率化h小型化Â不可避àøäÞàÙÜÃÜÀĀh
1,000
750
スイッチング周波数（kHz）
500
POL（DC−DC）電源
VRM
Class.D AMP
プレーナ型 MOSFET
トレンチ型 MOSFET
SJ−MOSFET
BUS コンバータ
250
標準電源
100
75
サーバ
インクジェット
プリンタ
50
PC 用アダプタ
LCD−TV
フロントエンド
溶接機
PC 電源
太陽光発電用
パワーコンディショナ
25
ハイブリッド車
電気自動車
UPS
10
7.5
5
高速ディスクリート IGBT
冷蔵庫
ルームエアコン
インバータ
エコキュート *
2.5
0.01
0.025
0.05 0.075 0.1
0.25
0.5 0.75 1
出力（kVA）
2.5
5
7.5 10
25
50
＊ エコキュート：関西電力株式会社の商標または登録商標
図１ 主なスイッチング半導体デバイスとその適用電源仕様
393（ 37 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
高速ディスクリート IGBT ｢High Speed V シリーズ｣
装置ä電力変換効率向上ú小型化á必要à低損出化Ĉ実現
観Ĉ示ÏgôÕh表
ÝÃāĢčĬĪŜęİĹčĢÂ強Å求÷ÿĂāg
列一覧Ĉ示Ïg
á High Speed V Ġœsģä製品系
特 集
ňĴ UPS úĺŘsĜŜİČĠŐijáåhİČĢĘœs
600 V 系 å 35 v 75 A IGBT Ī Ĭ ŀ Þ 15 v 35 A FWD
ı IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~Â使用ËĂ
}Free Wheeling Diode~ Ī Ĭ ŀh1200 V 系 å 15 v 40 A
ܺāg
IGBT Ī Ĭ ŀ Þ 12 v 30 A FWD Ī Ĭ ŀ Ĉ 小 型 Ř Ŝ ĺ Ĭ
今回h低ēŜ電圧特性Þ高速ĢčĬĪŜę特性äıŕs
ĚsġTO-247 ĺĬĚsġ}樹脂部~
k幅 15.5×高Ë 21.5
IJēľĈ改善ÍhňĴ UPS úĺŘsĜŜİČĠŐijä高
×厚Ë 5}mm~
内á搭載Íh各種出力ä UPS úĺŘs
性能化Þ使ºúÏËĈ実現ÏāÕ÷áh高速İČĢĘœs
ĜŜİČĠŐijá幅広Å対応ÝÃāþ¼á選択肢Ĉ広Èā
ı IGBT ｢High Speed V Ġœsģ｣ ä開発Ĉ行ÙÕäÝ
ÞÞøáh装置ä小型化ú実装ä簡便ËĈ考慮Íܺāg
紹介Ïāg
設計施策
製品の概要
.
図
áh主àĢčĬĪŜę半導体İĹčĢÞÓä適用電
源仕様Ĉ示Ïg図中áåh今回開発ÍÕh高速İČĢĘ
œsı IGBT ä主à用途Ĉ示ÏÞÞøáh図
適用用途の動向とデバイスの課題
図
áhňĴ UPS ä代表的à回路例Ĉ示Ïg
ňĴ UPS ä電力損失Ĉ低減ÏāÕ÷áhčŜĹsĨ部
á 3 ŕłŔ変換技術Ĉ採用ÍÕ高効率 UPS ä製品化適用
áå素子外
ディスクリート IGBT
適用部
+
出力
AC240 V
入力
AC240 V
+
入力整流回路 ＰＦＣ回路
バッテリ回路
図
高速ディスクリート IGBT「High Speed V シリーズ」の
外観
表
ＮＰＣインバータ
回路
図
ミニ UPS の代表回路例（3 レベル変換回路）
「High Speed V シリーズ」の主要最大定格と電気的特性
最大定格
型 式
タイプ
パッ
ケージ
V CES
（V）
電気的特性
IGBT
FWD
T j ＝ 100 ℃
Tj ＝
100 ℃
Tj ＝
25 ℃ typ
IGBT
Tj ＝
125 ℃ typ
Tj ＝
25 ℃ typ
FWD
Tj ＝
125 ℃ typ
VF
（V）
IC
（A）
I CP
（A）
IF
（A）
V CE（sat）
（V）
V CE（sat）
（V）
VF
（V）
FGW35N60HD
Ultra Fast FWD
TO-247
600
35
105
15
1.5
1.8
2.1
1.7
FGW50N60HD
Ultra Fast FWD
TO-247
600
50
150
25
1.5
1.8
2.1
1.7
FGW75N60HD
1.7
Ultra Fast FWD
TO-247
600
75
225
35
1.5
1.8
2.1
FGW35N60H
w/o FWD
TO-247
600
35
105
─
1.5
1.8
─
─
FGW50N60H
w/o FWD
TO-247
600
50
150
─
1.5
1.8
─
─
FGW75N60H
w/o FWD
TO-247
600
75
225
─
1.5
1.8
─
─
FGW15N120HD
Ultra Fast FWD
TO-247
1,200
15
45
12
1.7
2.1
2.3
1.85
FGW30N120HD
Ultra Fast FWD
TO-247
1,200
30
90
20
1.7
2.1
2.3
1.85
FGW40N120HD
Ultra Fast FWD
TO-247
1,200
40
120
30
1.8
2.2
2.3
1.85
FGW15N120H
w/o FWD
TO-247
1,200
12
36
─
1.7
2.1
─
─
FGW30N120H
w/o FWD
TO-247
1,200
20
60
─
1.7
2.1
─
─
FGW40N120H
w/o FWD
TO-247
1,200
30
90
─
1.8
2.2
─
─
394（ 38 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
高速ディスクリート IGBT ｢High Speed V シリーズ｣
High Speed V Ġœsģåh表面äıŕŜĪěsı構造
例ø増¾ÜÃܺāg
áåhĺŘsĜŜİČĠŐijä代表的à回路例Ĉ示
図
Þ裏面äľČsŔIJĢıĬŀ}FS~構造Ĉ組õ合ąÑÕh
太陽電池ŋġŎsŔÝ発電ÍÕ直流電力Ĉh家庭Ý使¾
ā交流電力á変換Ïā装置ݸāĺŘsĜŜİČĠŐijåh
łsĢáhVCE}sat~ ÞĨsŜēľ損失äıŕsIJēľĈ大
幅á改善Ïā設計Ĉ行ÙÕg
Óä DC-AC 変換効率Â高ºñß発電量ø多ÅàĀ家庭内
Ý使¾ā電力Â増¾āgĺŘsĜŜİČĠŐijáø高効率
図
Speed V Ġœsģä VCE}sat~-Eoff 特性Ĉ示Ïg
化á向Çh3 ŕłŔčŜĹsĨ}425 Ńsġ解説参照~
Ĉ適用Ïā例Â出ÜÃܺāg
今回ä 600 V IGBT ÂĨsěĬıÞÏāňĴ UPS úĺ
ŘsĜŜİČĠŐijàßä 20 kHz 前後ä高周波ĢčĬĪ
á 3.5 kW 級 UPS äčŜĹsĨáÀÇāİĹčĢ
図
áh代表ÞÍÜ 600 V/30 A IGBT ä従来品Þ High
Ŝę動作á対ÍÜhHigh Speed V Ġœsģåh高周波駆
損失分析結果Ĉ示Ïg全体損失ä¼×h約 60 % Ĉ IGBT
動性能Ĉ改善ÏāÕ÷áhĪĬŀ表面構造ä最適化Ýň
äēŜ電圧損失}Von~
h約 30 % ĈĢčĬĪŜę損失}Eonh
Œs容量Ĉ低減ÍhËÿáċŀœĚsĠŐŜÝ必要ÞËĂ
Eoff~Â占÷ܺāÉÞÂ分ÁāgôÕhFWD áÀºÜå
ā破壊耐量Ĉ確保ÍÚÚhVCE}sat~ ä低減Þ Eoff ä低減Ĉ
逆回復時ä trr 損失Â支配的ݸāg
併ÑÜ達成Íܺāg
ÉäÉÞÁÿhčŜĹsĨ部á搭載Ïā IGBT îä要求
åh低ēŜ電圧特性Þ同時áh大電流 ･ 高速ĢčĬĪŜę
.
動作Ýä低損失性能Ĉ両立Ïā}VCE}sat~-Eoff ıŕsIJē
ľ改善~ÉÞݸāgËÿáhFWD áÀºÜåhtrr Ĉ短
600 V 系列 FWD チップの特徴
600 V FWD áÚºÜåhĢčĬĪŜę損失ä低減á向
Ç次ä最適化Ĉ行ÙÕg
ÅÏāÉÞáþāĢčĬĪŜę損失ä低減Â優先課題Þà
⒜ ċķsIJ層äIJsĽŜę濃度
āg
⒝ ŒčľĨčʼnĖŒsä拡散ŀŖľĊčŔÀþé濃度
⒞ IJœľı層ä厚Ë
.
600 V 系列 IGBT チップの特徴
ÉĂÿä施策áþĀh従来品þĀ高速ÁÚĦľıœĔĹ
áh600 V IGBT ĪĬŀä断面構造Ĉh従来品äE
図
ĠœsģÞ今回äHigh Speed V ĠœsģáÚºÜ
œs性Ĉ両立ÍhVF ä増加Ĉ抑制ÍÕ FWD ĪĬŀä仕
様Ĉ確立ÍÕg
示Ïg
図
áh600 V/30 A ä FWD ä従来品Þ High Speed V
ĠœsģäĢčĬĪŜęä損失ä比較Ĉ示ÏgĢčĬĪŜ
ę損失Ĉ約 37 % 改善Íܺāg
ディスクリート IGBT
適用部
.
1,200 V 耐圧系列 IGBT チップの特徴
1,200 V 耐圧ä IGBT áÚºÜøh600 V 耐圧Þ同様á
ŋsĨIJŒčĿ用ŋġŎsŔä V Ġœsģ IGBT Ĉłs
ĢáhİČĢĘœsı用á最適設計Ĉ行ºhVCE}sat~ Þ
+
出力
AC200 V
太陽光
パネル
昇圧コンバータ回路
Eoff äıŕsIJēľ特性ä大幅改善Ĉ実現Íܺāg
インバータ回路
エミッタ
エミッタ
p
図
パワーコンディショナの代表回路例
p
n+
n+
ゲート
ゲート
n−ドリフト層
ディスクリート IGBT の損失（％）
n−ドリフト層
100
t rr（FWD）
90
V F（FWD）
80
E off（IGBT）
70
60
n＋バッファ層
p+ コレクタ層
コレクタ
E on（IGBT）
p+ 形基板
50
40
30
V on（IGBT）
20
10
コレクタ
（a）
「E シリーズ」
（従来品）
0
図
n+フィールド
ストップ層
3.5 kW 級 UPS 搭載時におけるデバイス損失の分析結果
図
（b）
「High Speed V シリーズ」
IGBT チップ断面図
395（ 39 ）
特 集
富士電機äŋsĨIJŒčĿ用 V Ġœsģ IGBT ä構造Ĉ
Ïg
富士時報 Vol.83 No.6 2010
図
高速ディスクリート IGBT ｢High Speed V シリーズ｣
áh 代 表 Þ Í Ü 1,200 V/25 A IGBT ä 従 来 品 Þ
High Speed V Ġœsģä VCE}sat~
-E
off
同時á逆回復動作áÀÇā振動úĞsġ電圧ä抑制ø図Ù
ܺāgËÿá逆回復耐量Ĉ向上ÏāÕ÷h活性部đĬġ
特性Ĉ示Ïg
.
1,200 V 耐圧 FWD チップの特徴
ܺāg
1,200 V 耐圧 FWD åhIJœľı層ä不純物濃度Àþé
図 0 áh1,200 V/25 A ä FWD ä従来品Þ High Speed
ŀŖľĊčŔä最適化áþĀhErr ä低減Ĉ図ÙÜÀĀh
V ĠœsģäĢčĬĪŜę損失比較Ĉ示ÏgĢčĬĪŜę
680
670
E rr（mJ）
V CC＝600 V，I F ＝15A，
V GE ＝＋15 V/0 V，
T j ＝125 ℃
R g（on）＝30Ω，
R g（off）＝10Ω，
E off（ J）
V CC ＝400 V，
I C ＝20 A，
V GE ＝＋15 V/0 V，
T j＝125 ℃
R g＝10Ω，
損失Ĉ約 26 % 改善Íܺāg
従来品
660
High Speed
V シリーズ
650
640
630
620
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
（V）
V CE（sat）
＝15
A，
IC
V GE ＝15 V，
T j ＝125 ℃
600 V/30 A IGBT の V CE（sat）-E off 特性
図
図
100
25
75
20
37% 改善
50
25
1.5
26% 改善
1.0
0.5
0
従来品
「High Speed V シリーズ」
デバイス：600 V/30 A，TO-247
条 件 ： I o =17.5 A，f o =50 Hz，f c =20 kHz，
PF=0.9，modulation=1.0
15% 改善
E （FWD）
rr
15
V （FWD）
F
E off（IGBT）
10
（IGBT）
E on
（IGBT）
V CE（sat）
5
0
従来品
「High Speed V シリーズ」
0
従来品
「High Speed V シリーズ」
600 V/30 A FWD のスイッチング損失の比較
図
図
2.0
1,200 V/25 A FWD のスイッチング損失の比較
発生損失（W）
E rr（ J）
V CC＝400 V，I F ＝8.5A，
V GE ＝＋15 V/0 V，
T j ＝125 ℃
R g（on）＝30Ω，
R g（off）＝10Ω，
図
600 V 系列の損失シミュレーション
4.0
25
従来品
3.0
20
2.0
発生損失（W）
E off（mJ）
V CC＝600 V，I C＝15 A，
V GE＝＋15 V/0 V，
T j＝125 ℃
R g＝10Ω，
特 集
領域îä電流集中Ĉ抑制ÍÕċķsIJ構造ä最適化Ĉ図Ù
High Speed
V シリーズ
1.0
デバイス：1,200 V/25 A，TO-247
条 件 ： I o =8.5 A，f o =50 Hz，f c =20 kHz，
PF=1，modulation=1.0
30% 改善
15
E （FWD）
rr
V （FWD）
F
10
E off（IGBT）
（IGBT）
E on
0.0
1.4
5
1.6
1.8
2.0
396（ 40 ）
2.2
（V）
V CE（sat）
＝15
A，
IC
V GE＝15 V，
T j＝125 ℃
1,200 V/25 A IGBT の V CE（sat）-E off 特性
（IGBT）
V CE（sat）
0
図
従来品
「High Speed V シリーズ」
1,200 V 系列の損失シミュレーション
富士時報 Vol.83 No.6 2010
高速ディスクリート IGBT ｢High Speed V シリーズ｣
対応Þ低損失化Ĉ推Í進÷Õ製品Ĉ市場á提供ÏāÉÞÝh
省đĶŔės ･ 地球環境保護á貢献ÍܺÅ所存ݸāg
図 1 Þ 図 2 áh 汎 用 電 源 á 実 装 Í Õ Þ Ã ä 発 生 損
参考文献
失 Ġ ň Ŏ ŕ s Ġ Ő Ŝ ä 結 果 Ĉ 示 Ïg 汎 用 電 源 å 3.5 kW
}200 V/17.5 A~出力hĢčĬĪŜę周波数 20 kHz ä UPS
ľŔĿœĬġ回路
}PWMkPulse Width Modulation~č
ŜĹsĨĈ模擬Íܺāg
図 1 ä 600 V ĘŒĢÝåhHigh Speed V ĠœsģĈ適
特 集
高速ディスクリート IGBT 適用効果
⑴ 森本哲弘ñÁ. 600 V低損失高速ĩčēsIJ ｢SuperLLD3Ġ
œsģ｣. 富士時報. vol.80, no.6, 2007, p.428-431.
⑵ Onozawa.Y, et al. Development of the next generation
1,200 V trench - gate FS- IGBT featuring lower EMI noise
and lower switching loss. 19th ISPSD. 2007, p.13-16.
用ÏāÉÞáþĀhısĨŔ損失Ĉ約 15 % 低減ÏāÉÞ
Â期待ÝÃāgôÕ図 2 ä 1,200 V ĘŒĢÝåh約 30 %
ä低損失化Â見込ôĂāgÉĂÿľŔĿœĬġ回路ä導通
渡島 豪人
損失 VCE}sat~
}IGBT~å全体ä約 30 v 60 % Ĉ占÷āÕ÷h
İČĢĘœsı半導体İĹčĢä開発j設計á従
VCE}sat~ Þ Eoff 間äıŕsIJēľ特性改善Â低損失化ä実
事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事
現á貢献Íܺāg実機áÀÇā適用効果ÞÍÜøhĠĢ
業本部半導体統括部İĹčĢ技術部g
įʼn全体ä電力効率向上á大ÃÅ貢献ÏāÉÞÂÝÃāg
あとがき
荒木 龍
本製品åhňĴ UPS ú太陽光発電ĠĢįʼnäĺŘsĜ
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
İČĢĘœsı IGBT ä開発j設計á従事g現在h
ŜİČĠŐijĈåÎ÷h小型 ･ 低騒音化Â進ö溶接機}č
体統括部İĹčĢ技術部g
ŜĹsĨ溶接機~úŕsğ加工機àßä工作機械ä電源à
ßáø広Å適用Â可能ݸāg今後hËÿàā高速大電流
397（ 41 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
800 V 保証 HVIC 技術
特 集
=.\HYHU[LLK/=0*;LJOUVSVN`
山路 将晴4HZHOHY\@HTHQP
赤羽 正志4HZHZOP(RHOHUL
上西 顕寛(RPOPYV1VUPZOP
IDC}Internet Data Center~ä電源ĠĢįʼnä省đĶŔės化á貢献ÏāÕ÷áh800 V 保証 HVIC}High Voltage IC~
技術Ĉ確立ÍÕg自己分離ŀŖĤĢĈłsĢáÍÕ独自äİĹčĢjŀŖĤĢ技術Ĉ開発ÍÕg電源ĠĢįʼnä省đĶŔ
ės化Ĉ図āÕ÷áåh電源ĠĢįʼnĈ構成ÏāĿœĬġ回路äĢčĬĪŜę効率ä向上Â必須ݸāgÓä実現äÕ÷áh
IC ä入出力伝達遅延Ĉ 100 ns 以下á抑¾āÉÞÂÝÃā要素回路技術ø開発ÍÕgËÿáhHVIC á不可欠à高º dV/dt
耐量ú負電圧Ğsġ耐性Ĉ確保Ïā技術ø確立ÍÕg
To help achieve energy savings in the power systems at IDC (internet data center), 800 V guaranteed HVIC (high voltage IC) technology
has been established. A proprietary device process based on self-isolation was developed. To realize energy savings in a power system, the
switching efficiency of the bridge circuit used in the power system must be improved. To achieve this improvement, component and circuit
technology capable of reducing the I/O propagation delay of ICs to less than 100 ns was developed. Additionally, technology for guaranteeing
the ability of a HVIC to withstand the essential high and negative voltage surges was also established.
まえがき
800 V 保証 HVIC の特徴
2006 年 Á ÿ 2011 年 ô Ý ä 6 年 間 á 米 国 Ý åhIDC
HVIC ÞåhĿœĬġ回路構成äĺŘsİĹčĢäěs
}Internet Data Center~ä総電力消費量Â約 2 倍ÞàĀh
ıĈ駆動Ïā高耐圧 IC äÉÞݸāg上ċsʼnÞ下ċs
原子力発電所 10 基ä新規建設Ĉ必要ÞÏāñßáàÙÜ
ʼnäĺŘsİĹčĢä中点電位Âh上ċsʼnäĺŘsİĹ
ºāg
čĢäĢčĬĪŜę時á数百 V ä高電位á上昇ÏāÕ÷h
日本国内Ýåh2025 年áåčŜĨsĶĬıĈ駆Ç巡ā
HVIC áå高耐圧Â求÷ÿĂāgôÕh従来äľĒıĔŀ
情報量Â 2008 年ä約 200 倍áàĀhIDC Ýä消費電力å
ŒúĺŔĢıŒŜĢĈ使用ÍÕ駆動方式á比ïhHVIC Ĉ
⑴
2008 年ä約 2.5 倍áø達ÏāÞºąĂܺāgôÕhICT
}Information and Communication Technology~機器ä総
用ºÕ駆動方式å電源ĠĢįʼnä小型化h高効率化á寄
与Ïāg図
áh開発ÍÕ HVIC ä回路ĿŖĬĘ図Ĉ示Ïg
電力消費量予測áþāÞh2006 年å日本全体ä電力消費
HVIC áåhĸčĞčIJÀþéŖsĞčIJ駆動回路Þŕł
量ä約 5 % Ĉ占÷ܺÕøäÂh2025 年áå約 20 % á達
ŔĠľı回路hčŜĽsĩŜĢ変換回路hUVLO}Under
⑵
ÏāÞ予測ËĂܺāg地球ä温暖化Ĉ防止ÏāÕ÷áåh
Voltage Lock Out~回路h入力制御回路àßĈ搭載Íܺ
IDC ä省đĶŔės}省đĶ~化Þ高効率化å重要à取
āg
組õä一Úݸāg
富士電機Ýå IDC ä省đĶ化á貢献ÏāÕ÷áhĞs
Ĺ ú UPS}Uninterruptible Power Supply~ à ß ä IDC
レベルシフト回路
VB
電源ĠĢįʼnä高効率化h省đĶ化h小型化h高信頼性化
UVLO
Ĉ実現Ïā 800 V 保証 HVIC}High Voltage IC~技術Ĉ
開発ÍÕg本技術ä開発áÀºÜå低ĜĢıä自己分離ŀ
レベルシフタ
（SET）
ŖĤĢĈłsĢáÍÕ独自äİĹčĢjŀŖĤĢ技術Ĉ確
R
HO
VS
レベルシフタ
（RESET）
HIN
立ÍÕgôÕh電源ĠĢįʼnä省đĶ化Ĉ図āÕ÷áå電
インピー
ダンス
変換回路
源ĠĢįʼnĈ構成ÏāĿœĬġ回路äĢčĬĪŜę効率向
LIN
上Â必須ݸĀhÓä実現äÕ÷á IC ä入出力伝達遅延
VCC
時間Ĉ 100 ns 以下á抑¾āÉÞĈ可能ÞÍÕ要素回路技
入力
制御
回路
術ø開発ÍÕgËÿáhHVIC áÞÙÜ不可欠à高º dV/
dt 耐量Ĉ確保Ïā技術ø確立ÍÕg本稿ÝåhÉĂÿİ
パルス
生成
回路
R
ĹčĢjŀŖĤĢ技術Àþé要素回路技術áÚºÜ紹介Ï
āg
OFF
図
398（ 42 ）
HVIC の回路ブロック図
タイミ UVLO
ング
調整
回路
R
LO
GND
富士時報 Vol.83 No.6 2010
800 V 保証 HVIC 技術
áhAC200 V 電源機器向Çá試作ÍÕ自己分離型
図
ÉÞÂàºÞºÙÕ利点¸āg
800 V 保証 HVIC äĪĬŀĈ示Ïg
HVIC ä特徴å次äÞÀĀݸāg
特 集
デバイス・プロセス技術
⒜ 保証耐圧 800 VhĸčĞčIJ回路部電源電圧 30 V
保証
ĺŘs IC Ĉ形成Ïā素子分離方法áåh自己分離型Þ
⑷
⒝ ĸčĞčIJĨsŜēŜjēľ伝達遅延時間 100 ns
以下
pn 接合分離型hÓÍÜ誘電体分離型¸āg誘電体分離
型ä HVIC åh支持基板ÞhĸčĞčIJİĹčĢúŕł
⒞ ŘčōŅŜİČŜęŕłŔĠľı HV 配線技術適用
⒟ 高負電圧Ğsġ耐性Àþé高 dV/dt 耐量}≧50 kV
ŔĠľı素子Â形成ËĂā活性層Þä間á埋÷込õ酸化膜
¸āÕ÷h自己分離型ú pn 接合分離型ä IC á比ïÜ
İĹčĢä接合容量Â小ËÅàĀh高速応答化á向ºÜº
/μs~保証
ôÕh開発ÍÕ HVIC å保証耐圧 800 V ݸāÕ÷h
āgËÿá負電圧ĞsġàßÝ生Îā寄生İĹčĢáþā
⑶
600 V 保証ä HVIC á比ïh電源ĠĢįʼn系統á雷Ğsġ
誤動作úŒĬĪċĬŀ破壊ø起ÉĀáź޺ÙÕ利点Â
àßÂ入ÙÕÞÃúh劣悪à電源環境Ý使用ÏāÉÞÝ
¸āgÍÁÍ現在h市場展開ËĂܺā誘電体分離型ä
ķčģÂ発生ÍÕ際áhĿœĬġ回路Ĉ構成Ïā IGBT
HVIC å 600 V 保証Â最大ݸĀh800 V 以上ä耐圧Ĉ保
}Insulated Gate Bipolar Transistor~ú MOSFET}Metal-
証ÏāÉÞå技術的á非常á困難ݸāg一方h自己分離
Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor~ à ß ä
型ä HVIC Ýåh素子分離面積å大ÃÅàāÂ高耐圧化
600 V ĘŒĢäĺŘsİĹčĢþĀø先á IC Â破壊Ïā
ÍúÏÅhËÿá基板ĜĢıÂ安価ÞºÙÕ利点¸āg
⑸
表 1 áh800 V 保証 HVIC ä要素İĹčĢä一覧Ĉ示Ïg
ĸčĞčIJİĹčĢÞÍÜh30 V 系ä中耐圧 MOSFET
HVJT
レベルシフタ
（SET）
Ĉ備¾ÜºāÕ÷hĺŘsİĹčĢäěsı駆動電圧Ĉ
30 V äŘčIJŕŜġôÝ対応ÏāÉÞÂ可能ݸāgô
ÕhESD}Electrostatic Discharge~保護用ĩčēsIJåh
ĺĬĚsġ組立Ü時ä ESD Ğsġú電源ŅsIJá印加Ë
ĂāĢčĬĪŜęķčģá対ÍhIC ä I/O 端子Ĉ保護Ï
āÕ÷á開発ÍÕ低ċĹŒŜĠĐ動作抵抗ä ESD 保護İ
ĹčĢݸāg
.
レベルシフタ
（RESET）
プロセスフロー
800 V 保 証 HVIC åh 富 士 電 機 ä 高 耐 圧 用 BiCMOS
}Bipolar CMOS~ŀŖĤĢä自己分離方式Ĉ採用Íܺāg
図
自己分離型 800 V 保証 HVIC の試作チップ 図
áhŀŖĤĢľŖsĈ示Ïg本ŀŖĤĢÝåhĸčĞ
čIJ駆動回路領域á深º拡散層Ĉ備¾Õ高耐圧ıœŀŔ
ďĐŔ構造Ĉ形成ÏāÕ÷h高温ÁÚ長時間ä拡散ĈďĐ
表
Ŕ形成工程áÀºÜ行ÙܺāgôÕhŀŖĤĢ工数á対
800 V 保証 HVIC の要素デバイスの一覧
分類
名 称
使用目的
7 V 保証薄膜ゲート低耐圧 n-MOSFET
パルス生成回路
など
7 V 保証薄膜ゲート低耐圧 p-MOSFET
30 V 保証薄膜ゲート中耐圧 n-MOSFET
30 V 保証厚膜ゲート中耐圧 p-MOSFET
能動
素子
30 V 保証厚膜ゲート中耐圧 n-MOSFET
800 V 保証レベルシフト用 HVNMOSFET
ウェル形成
ハイサイドおよび
ローサイド出力段
ドライバ，
UVLO，
ラッチ回路用
ロジック
オフセット形成
レベルシフト
デバイス
ポリシリコン
LOCOS 酸化
ゲート酸化
n+ ソースドレイン
30 V 保証 NPN バイポーラ
内部電源回路など
30 V 保証 PNP バイポーラ
p+ ソースドレイン
30 V 保証 ESD 保護用ダイオード
ESD 保護回路など
コンタクト
インピーダンス
変換
回路など
メタル電極
5 V/7 V 保証ツェナーダイオード
高抵抗用ポリシリコン抵抗
受動
素子
低温度係数ポリシリコン抵抗
MOS 容量
ポリシリコン容量
ノイズフィルタ
など
パッド
図
プロセスフロー
399（ 43 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
800 V 保証 HVIC 技術
動作j破壊耐量Ĉ実現ÏāÉÞá¸Āh現行ä富士電機ä
ÍÜøhİĹčĢ間ä工程共有化Ĉ進÷ܺāg
高耐圧ŀŖĤĢĈłsĢáĸčĞčIJıœŀŔďĐŔİĹ
ハイサイドトリプルウェルデバイス
čĢĈ開発ÍÕg
800 V 保証自己分離型İĹčĢä設計ĜŜĤŀıåh自
己分離ŀŖĤĢĈ用ºÜhpn 接合分離型並õä高寄生誤
áhp 形基板}Psub~上á形成ÍÕĸčĞčIJŖ
図
ġĬĘİĹčĢÀþéŖsĞčIJŖġĬĘİĹčĢä断面
構造Ĉ示ÏgĸčĞčIJŖġĬĘ部ÞŖsĞčIJŖġĬ
Ę部Þä間áåhęŒŜIJ電位Þ 800 V 電位ÞĈ接合終
端Ïā構造ä HVJT}High Voltage Junction Termination
厚膜ゲート
厚膜ゲート中耐圧
中耐圧
n-MOSFET
p-MOSFET
VS
GND
D G S
P3
N1
P1
Pof
Nof
D
HVJT
VB
structure~領域Ĉ備¾ÜºāgôÕhĸčĞčIJıœŀ
ŔďĐŔ領域å図
GND
P2
Nof Nof
ä n 形拡散層}N2 拡散層~ä電位Â
800 V á上昇ÍÕ際áhPsub Þ N2 拡散層ä接合Áÿ伸é
G S
Pof
P3
Nof
N1
P1
N2
縦方向パンチスルー
耐圧 V p
Psub
（a）ハイサイド回路部
ā空乏層ÂhĸčĞčIJ電源電圧 30 V á逆ĹčċĢËĂ
Õ N2 拡散層Þ p 形拡散層}P2 拡散層~ä接合Áÿ伸é
ā空乏層Þ接ÍàºhÚôĀĺŜĪĢŔsÍàºþ¼á設
計Ïā必要¸āg
á示Ïþ¼áhP2 拡散層h
N2 拡散層ÞPsub Áÿà
図
āĸčĞčIJıœŀŔďĐŔ構造ä縦方向ĺŜĪĢŔs耐
薄膜ゲート
低耐圧
p-MOSFET
薄膜ゲート
低耐圧
n-MOSFET
圧 Vp Þ N2 拡散層ä電荷量 Qn}N2 拡散層不純物濃度Á
ÿ P2 拡散層不純物濃度Ĉ引ºÕ値~ä関係Ĉ解析式Ĉ導
VCC
GND
ºÜ明ÿÁáÍÕg本設計ÝåhN2 拡散層Þ P2 拡散層
GND
DG S
DG S
Pof
P1
n+ p+ n+
p+
+
P2 n
ä不純物濃度Àþé拡散深ËĈ調整ÍÜ Qn 値Ĉ最適化Íh
p+
N2
Psub
（b）ローサイド回路部
1,200 V 以上ä耐圧Ĉ確保ÝÃāþ¼áÍÕg
Pof
P1
.
レベルシフタ用 800 V 保証 HVNMOSFET
図
図
ハイサイドおよびローサイドロジック部の断面構造
áh 図
ä ŕ ł Ŕ Ġ ľ Ĩ Þ Í Ü 使 用 Ï ā HVN
MOSFET}High Voltage n-MOSFET~ä断面構造Ĉ示Ïg
SET 入力側Þ RESET 入力側å同一äİĹčĢ構造ÞÍh
ĸčĞčIJ駆動回路部îä高電位ŕłŔĠľı配線å金Ř
2,000
čōŅŜİČŜę方式Ý行Ùܺāg800 V 保証 HVIC ä
実現á向Ç HVNMOSFET á対ÍÜh①ēŜ耐圧jēľ
V p（V）
1,500
耐圧ä 800 V 保証化h②低寄生容量化h③高寄生動作破壊
耐量化h④高信頼性化Ĉ図ÙÕg各内容Ĉ次á示Ïg
1,000
⑴ ēŜ耐圧jēľ耐圧ä 800 V 保証化
図
500
á示ÏIJœľı領域ݸā N1 拡散層ä濃度ÞIJœ
ľı領域長 Ld ä最適化áþĀhēŜ時}V g＝5 V~
jēľ
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
時}V g＝0 V~Þøá 830 V 以上ä耐圧Ĉ達成Íܺā}図
Q n（a.u）
（a）パンチスルー耐圧と N2 拡散層の電荷量 Q n の関係
ハイサイド
駆動回路部へ
3
A）
ワイヤ
I（VB-Gnd）
（
特 集
.
2
メタルフィールドプレート
1
0
C ds
0
500
1,000
p+ n+
1,500
P3
（V）
V （VB-Gnd）
P1
（b）開発品のパンチスルー耐圧特性
図
ドレイン
ソース ゲート
n+
Ld
N1
C dsub
Psub
縦方向パンチスルー耐圧 V p とハイサイドトリプルウェル
N2 拡散層電荷量 Q n の関係および開発品の耐圧特性
400（ 44 ）
図
レベルシフタで使用する HVNMOSFET の要部断面構造
富士時報 Vol.83 No.6 2010
800 V 保証 HVIC 技術
A/ m ）
5
HVIC
V g =6 V
ハイサイド
回路
V g =5 V
SET
RESET
VB
HS HO
Driver
特 集
10
I ds /W（
15
Tr1
V g =4 V
0
GND
V g =2 V
ローサイド
回路
HIN
0
VS
V g =3 V
500
1,000
マイ
コン
V ds（V）
LIN
（a）HVNMOSFET（単位 W 当たり）の電圧−電流特性（オン時）
入力
制御
回路
負荷
LO
LS
Driver
Tr2
3
2
図
HVIC の適用例
I ds（
A）
GND
1
LIN
0
0
500
1,000
1,500
HIN
V ds（V）
SET
（b）HVNMOSFET の電圧−電流特性（オフ時）
RESET
図
HVNMOSFET の電流−電圧特性
ＨＶ
Ｉ
Ｃ
内部信号
ondrn
offdrn
~
g
LO
⑵ 低寄生容量化
HVNMOSFET ä寄生容量ä¼×hCdsub åh耐圧構造
HO
á必要à面積Ý決ôāgCds åhĦsĢ側äŊĨŔľČs
≦800 V
ŔIJŀŕsıĺĨsŜá依存Ïāg今回hĦsĢ側ľČs
VS
ŔIJŀŕsı長Ĉ調整ÏāÉÞÝ Cds ä低減Ĉ図Āhĸč
0V
ハイサイド
回路基準
電位
ĞčIJ伝達遅延時間ä短縮á寄与ÍÕg
⑶ 高寄生動作破壊耐量化
HVIC ä基準電位端子 VS á入ā ESD Ğsġú dV/dt
図
HVIC の動作タイミングチャート
ķčģåhHVNMOSFET äIJŕčŜáø印加ËĂāÕ÷
HVNMOSFET 単体äċĹŒŜĠĐ耐量向上úh変位電流
å MOSFET ä ě s ı 端 子 á 接 続 Ï āg 図
áhHVIC
áþā寄生動作Ĉ抑制Ïā必要¸āgHVNMOSFET ä
ä動作ĨčňŜęĪŌsıĈ示ÏgĸčĞčIJ制御信号
ĦsĢ層ÞłsĢ層äĽĬĘċĬŀ構造á工夫Ĉ施Íh規
HIN åh立上Āj立下ĀđĬġĈøÞá入力制御回路á
格Ĉ十分á満足Ïā ESD 耐量Þh高温 150 ℃Ý 50 kV/μs
Ü SET 信号Þ RESET 信号á変換ËĂÜhĸčĞčIJ回
以上ä dV/dt 耐量Ĉ確保ÍÕg
路ĿŖĬĘá入力ËĂāg一方hŖsĞčIJ制御信号 LIN
åh入力制御回路Ĉ経ÜÓäôôŖsĞčIJ回路ĿŖĬĘ
⑷ 高信頼性化
HVNMOSFET äĦsĢ−IJŕčŜ間äľČsŔIJŀ
á入力ËĂāg
ŕsı構造Ĉ最適化ÏāÉÞÝhŋsŔIJ樹脂ä可動čē
ĸčĞčIJ回路åĸsľĿœĬġ回路ä出力ķsIJĈ
Ŝú吸湿áþā耐圧特性îä影響Ĉ抑制Íh高温ĹčċĢ
VS 基準電位ÞÏāgÓä結果hTr1 Þ Tr2 Â交互áēŜ
試験ú高温高湿ĹčċĢ試験àßä長期信頼性ĈĘœċÍ
−ēľ動作ÏāÉÞáþĀh0 v 800 V}max~ä間Ý VS
ܺāg
基準電位Â変動ÏāÕ÷h急速à VS 電位ä立上Āj立下
Āá対Ïā dV/dt 耐性Þh立下Ā時á発生ÏāċŜĩs
ĠŎsı耐性}負電圧Ğsġ耐性~Â求÷ÿĂāgôÕh
要素回路技術
高効率à電力制御Ĉ行¼Õ÷遅延時間短縮Â市場Áÿ求÷
.
ÿĂܺāg
HVIC の動作
HVIC ä 適 用 例 Ĉ 図
á 示 ÏgHVIC ä 入 力 端 子 HIN
Þ LIN å低電圧Ý動作ÏāŇčĜŜàßÞ接続Íh出力
端子 HO Þ LO åĸsľĿœĬġ構成ËĂÕ IGBT ôÕ
.
負電圧サージ耐性レイアウト設計技術
上述ÍÕþ¼áhĺŘsİĹčĢä上ċsʼnÂēľÍ
401（ 45 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
800 V 保証 HVIC 技術
表
ラッチ誤動作保護機能の機能表
0 V→−100 V
GND
入力
特 集
ラッチ出力
HVJT
VB 電位
VS 電位
p+ 層
濃度
高（n 形）
SET（offdrn）
RESET（ondrn）
L
L
Hold
H
L
H
密度
高
0
低
高（p 形）
（a）ドーピング濃度
（b）ホール電流密度
（100 ns 経過時）
密度
高
密度
高
低
低
VS
0
−20
負電圧耐性
−40
5
−60
ホール電流
0
0
1
L
Hold
≦800 V
（d）ホール電流密度
（1 s 経過時）
10
H
H
dV /dt ≦50 kV/ s
SET
負電圧サージ耐性（V）
p+ 層に流れ込むホール電流（mA）
（c）ホール電流密度
（500 ns 経過時）
L
H
RESET
寄生容量の影響により，レベルシフト
出力信号が H→L→H に動作する。
ondrn
offdrn
（正常値）
HO
−80
2
↑HO 出力論理反転誤動作
負電圧パルス幅（ s）
（a）インピーダンス変換機能なしの動作波形
（e）p+ 層に流れるホール電流と負電圧耐性の関係
≦800 V
図
負電圧サージ発生時の過渡シミュレーション例
dV /dt ≦50 kV/ s
VS
レベルシフト回路
ブロック
ラッチ回路 ドライバ回路
ブロック
ブロック
SET
VB
LSRs
インピー
ダンス
変換回路
RESET
UVLO
LSRr
offdrn
ondrn
ラッチ
誤動作
保護
機能
ラッチ
ドラ
イバ
SET
図
offdrn
HO 出力状態（=H）を反転させる信
号側（offdrn）の動作が速くなる。
HO
誤動作なし
（b）インピーダンス変換機能ありの動作波形
HVNMOSFET
（RESET）
Coss
RESET
GND
寄生容量の影響により，レベルシフト
出力信号が H→L→H に動作する。
HO
VS
HVNMOSFET
（SET）
ondrn
図
dV /dt 発生時のハイサイド駆動回路の動作タイムチャート
Coss
ハイサイド回路の内部ブロック図
.
ハイサイド駆動回路の特徴
図 1 áĸčĞčIJ回路ä内部ĿŖĬĘ図Ĉ示Ïgĸč
ĞčIJ回路åhŕłŔĠľı回路ĿŖĬĘhŒĬĪ回路
Õ瞬間áh負荷ä誘導起電力áþÙÜhHVIC ä VS 基準
ĿŖĬĘhIJŒčĹ回路ĿŖĬĘä三ÚäĿŖĬĘÝ構
電位å数百 ns ä期間基準値Áÿ数十ŅŔı低下ÏāgVS
成ÍܺāgŕłŔĠľı回路ä基本構成åh抵抗素子
基準電位Â負電圧状態áÀÇāhĸčĞčIJ回路内á流Ă
LSRshLSRr Þ HVNMOSFET}SET~
hHVNMOSFET
込öńsŔ電流密度Ĉ図 0 á示Ïg三次元過渡ĠňŎŕs
}RESET~ä組õ合ąÑáþāĦsĢ接地増幅回路ݸāg
ĠŐŜÝ算出ÏāÉÞÝh負電圧ĺŔĢ幅Þ負電圧Ğsġ
基準電圧ŕłŔÂĩčijňĬĘá 0 v 800 V}max~ä間
耐性ä関係Ĉ定量化ÍhÓĂĈŕčċďı設計á反映ÍÜ
Ý変動ÏāÉÞáþā誤動作Ĉ防止ÏāÕ÷hčŜĽsĩ
ºāg
ŜĢ変換回路á工夫Ĉ施Íܺāg
ŒĬĪ回路áå 表
402（ 46 ）
äþ¼á SET 側Àþé RESET 側
富士時報 Vol.83 No.6 2010
800 V 保証 HVIC 技術
VB＝15 V，T a＝25 ℃
特 集
VS（GND 基準）
dV/dt =50 kV/ s
OFF 信号
ON 信号
66.5 ns
67.0 ns
HO 信号
HO（VS 基準）
論理反転なし
HO 信号
（a）立上り波形
（b）立下り波形
t ：400 ns/div
図
図
立上り・立下り遅延時間の測定結果
⒜å立上Ā遅延特性Ĉ示Íh図 4 ⒝å立下Ā遅延特性Ĉ
dV /dt ＝50 kV/µs 発生時の測定波形
示ÏgVB＝9 v 30 V ä電圧範囲Ý 100 ns 以下Ĉ達成ÍÜ
表
VB＝9 ∼ 30 V の電圧範囲における dV /dt 耐量測定結果
ºāg
周囲温度（℃）
− 40
25
125
150
○
○
○
○
dV /dt 耐量
DC ∼ 50
（kV/μs）
あとがき
本 稿 Ý åh 新 規 開 発 Í Õ IDC 用 電 源 向 Ç 800 V 保 証
HVIC 技術áÚºÜhİĹčĢjŀŖĤĢ技術h要素回路
○：論理反転動作は発生しない
技術Ĉ紹介ÍÕg
Éä技術åh800 V 保証ú高Ğsġ耐性j高 dV/dt 耐量
ä信号状態Â同Î論理状態äÞÃhŒĬĪ出力Ĉ保持Ïā
àßä面Ý IC ÞÍÜä高信頼性化Ĉ実現ÍܺāÖÇÝ
Õ÷äŒĬĪ誤動作保護機能Ĉ備¾ÜºāgôÕhdV/dt
àÅh100 ns 以下ä伝達遅延時間ä達成áþĀ電源ĠĢį
発生àßÝ瞬間的á論理ŕłŔÂ変化ÍÕ場合ä誤出力保
ʼnä高効率化h小型化h低ĜĢı化áø寄与Ïāg今後
護用áŖsĺĢľČŔĨĈ設ÇܺāgIJŒčĹ回路å
åÉä技術Ĉ汎用čŜĹsĨú IPM} Intelligent Power
Push-Pull 駆動方式Ĉ適用Íh性能àßä市場要求Ĉ満足
Module~àßä産業分野hđċĜŜú照明àßä民生分
ÏāIJŒčĿ能力ú寸法Ĉ持Ú MOSFET Ý構成Íܺāg
野hàÿéá高輝度放電ŒŜŀàßä自動車分野áø水平
展開Íh地球温暖化防止á貢献Ïā所存ݸāg
.
dV /dt 耐量
図 2 áhdV/dt 発生時äĸčĞčIJ駆動回路ä動作Ĩ
čʼnĪŌsıĈ示Ïg図 2 ⒜ åhčŜĽsĩŜĢ変換機
能Âàº場合äŕłŔĠľı回路出力ä状態Ĉ示Íܺāg
HIN 入力ÂŖsŕłŔ状態ݸÙÜøhdV/dt Â発生Ï
āÉÞáþĀhHVNMOSFET ä寄生容量Þ dV/dt áþ
参考文献
⑴ ęœsŜIT čĴĠċĪĿä推進. 2008年10月. 経済産業省
商務情報政策局.
⑵ {情報通信機器ä革新的省đĶ技術îä期待|
. ęœsŜIT
ĠŜņġďʼn2007. 経済産業省.
ā VS 基準電位ä変化áþā電流Â発生ÏāgÉä電流á
⑶ T.Yamazaki, et al, New High Voltage integrated circuits
þĀhSET 側Àþé RESET 側ä HVNMOSFET IJŕč
using self - shielding technique. Proceedings of the 11th
Ŝîä充放電現象Â発生ÏāÕ÷hŕłŔĠľı出力Â
ISPSD. 1999, p.333-336.
H/L/H Þ変化ÏāgÓä結果ÞÍÜhHO 出力ä論理
⑷ 澄 田 仁 志 ñ Á. PDPĢ Ė Ō Ŝ IJ Œ č ĹIC技 術. 富 士 時 報.
反転誤動作Â発生ÍúϺ状態ÞàāgÓÉÝhĸčĞč
2003, vol.76, no.3, p.169-171.
IJ回路áå図 2 ⒝ ä動作ÞàāčŜĽsĩŜĢ変換機能
⑸ M.Yamaji, et al, A Novel
Interconnection for HVIC on Thick SOI. Proceedings of the
Ĉ備¾h反転誤動作Ĉ防止Íܺāg
図 3 áhdV/dt＝50 kV/μs ä 実 測 波 形 Ĉh 表
600V - LDMOS with HV -
á dV/
22th ISPSD. 2010, p.101-104.
dt 耐量ä温度特性結果Ĉ示ÏgčŜĽsĩŜĢ変換機能á
þĀh50 kV/μs ä dV/dt Â発生ÍÜø HO 出力ä論理反
転誤動作Â発生ÍܺàºÉÞÂ分ÁāgôÕh−40 ℃
山路 将晴
Áÿ＋150 ℃ä温度範囲Ý論理反転誤動作Â起ÉÿàºÉ
ĺŘs IC äİĹčĢ ･ ŀŖĤĢä研究開発á従事g
Þø確認ÝÃÕg
現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本
部半導体開発ĤŜĨsİĹčĢ開発部Īsʼnœs
ĩsg電気学会会員h応用物理学会会員g
.
遅延時間特性
図 4 áhĸčĞčIJ回路ä遅延時間波形Ĉ示Ïg図 4
403（ 47 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
800 V 保証 HVIC 技術
特 集
赤羽 正志
上西 顕寛
半導体集積回路技術ä研究開発á従事g現在h富
ĺŘs IC äİĹčĢ ･ ŀŖĤĢä研究開発á従事g
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本
開発ĤŜĨsİĹčĢ開発部g電気学会会員g
部半導体開発ĤŜĨsİĹčĢ開発部gIEEE 会員h
応用物理学会会員g
404（ 48 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 2 世代臨界モード PFC 制御 IC「FA5590 シリーズ」
特 集
¸-( :LYPLZ¹VMUK.LULYH[PVU*YP[PJHS4VKL7-**VU[YVS0*Z
菅原 敬人;HRH[V:\NH^HYH
大和 誠4HRV[V6^H
手塚 伸一:OPUPJOP;La\RH
電源ä消費電力ä削減á貢献ÏāÕ÷h第 2 世代ä臨界ŋsIJ PFC}Power Factor Correction~制御 ICFA5590 Ġ
œsģĈ開発ÍÕgēŜ幅固定制御方式Ĉ採用ÍÜ待機電力Ĉ削減ÏāÞÞøáh軽負荷時ä最大発振周波数Ĉ制限Ïā
機能áþĀ効率Ĉ改善ÍܺāgôÕhčŜĩĘĨä電流ÂĥŖáàāĨčňŜęĈ検出Ïā方式Ĉ変更ÍÜčŜĩĘĨä
補助巻線Ĉ不要áÍܺāgÓäÕ÷h電源ä部品点数Â少àÅàĀĜĢıĈ削減ÝÃāg同時á保護機能ä充実h精度向
上áþĀh安全性ä向上áø貢献ÝÃā製品ÞàÙܺāg
To help reduce power consumption in power supplies, the{FA5590 Series|of 2nd generation critical mode PFC (power factor correction)
control IC has been developed. Standby power is reduced by using a fixed ON-time control system, and efficiency is improved by using function to limit the maximum oscillation frequency during light-load operation. Additionally, the method for detecting when the inductor current
becomes zero has been changed to eliminate the need for an auxiliary winding of the inductor. Consequently, the power supply has fewer
parts and cost can be reduced. Also, an enhanced protection function and improved accuracy enable these products to contribute to improved
safety.
注 1
注 2
まえがき
ėsÂ重要ÞàÙÜÃܺāgEPS hEuP àßä電子機
近年h電子機器ä小型化h軽量化á伴ºhĢčĬĪŜę
格Â厳ÍÅàÙܺāg
器ä消費đĶŔėsĈ制限Ïā規格Â作ÿĂh年々Óä規
電源Â広Å普及ÍܺāgĢčĬĪŜę電源ÝåhĜŜİ
ÉĂÿä規格Ýåh待機電力ä制限úh軽負荷Ĉ含÷Õ
ŜĞčŜŀĬı型ä整流 ･ 平滑回路Ĉ採用ÍܺāÕ÷h
広º負荷領域Ýä最低効率ú平均効率á制限¸āgPFC
変換á際Í大量ä電源高調波電流Â発生Íܺāg電源高
回路áÀºÜøh待機電力ä削減úh軽負荷Ýä効率ä向
調波電流ä増加åh機器ä動作障害úh力率ä低下áþā
上Â可能à制御 IC Â求÷ÿĂܺāg
無効電力ä増加àßä問題Ĉ発生ËÑāÕ÷h高調波電流
富士電機Ýåh第 1 世代ä臨界ŋsIJ PFC 制御 IC Þ
⑵
Ĉ一定以下á抑¾ā法的規制Â行ąĂܺāg
Í Üh｢FA5500 Ġ œ s ģ ｣ Ĉ 製 品 化 Í Õg Ë ÿ áh 前
Éä高調波電流Àþé力率ä問題Ĉ解決ÏāÕ÷áåh
述 ä 市 場 要 求 á 応 ¾ ā Õ ÷h 待 機 電 力 Ĉ 削 減 Íh 軽 負
力率改善}PFCkPower Factor Correction~回路Â必要
荷時ä効率Ĉ改善Ïā第 2 世代ä臨界ŋsIJ PFC 制御
Þàāg特á高º力率Ĉ出ÏÉÞÂÝÃāċĘįČĿľČ
IC ｢FA5590 Ġœsģ｣ ä開発Ĉ行ÙÕäÝ報告Ïāg
ŔĨ方式ä PFC 回路Â広Å使ąĂāþ¼áàÙÜÃܺ
⑴
āg
第 2 世代の臨界 PFC 制御 IC
ċĘįČĿľČŔĨ方式ä PFC 回路Ĉ制御Ïā IC á
åh大電力}250 W 以上~ä電源Ý用ºÿĂā連続ŋs
今 回 開 発 Í Õ 第 2 世 代 ä 臨 界 ŋ s IJ PFC 制 御 IC
IJ PFC 制御 IC Þh小電力Ý用ºÿĂā臨界ŋsIJ PFC
｢FA5590 Ġœsģ｣ ä外観Ĉ図
制 御 IC Þ Â ¸ āg 連 続 ŋ s IJ PFC 制 御 åh č Ŝ ĩ Ę
代ä臨界ŋsIJ PFC 制御 ICFA5500 ĠœsģÞä比
Ĩ ä 電 流 Â ĥ Ŗ á à ā 前 á MOSFET}Metal-Oxide-
較Ĉ表
á示ÏgôÕh第 1 世
á示Ïg
Semiconductor Field-Effect Transistor~ĈĨsŜēŜË
ÑāÕ÷hĽsĘ電流Ĉ低ÅÝÃāg小ËàčŜĩĘĨÝ
.
特徴
大Ãà電力Ĉ取āÉÞÂÝÃāÂhĨsŜēŜäķčģÞ
前述ÍÕþ¼áhPFC 回路ä待機電力ä削減Þ軽負荷
損失Â大úg一方h臨界ŋsIJ PFC 制御åhčŜĩĘ
時ä効率向上äñÁáh電源äĜĢıĩďŜú安全性ä向
Ĩä電流ÂĥŖáàāÉÞĈ検出ÍÜ MOSFET ĈĨsŜ
上àßÂ求÷ÿĂܺāg
ēŜËÑāÕ÷hĨsŜēŜäķčģÞ損失Ĉ小ËÅÝÃ
āÂhĽsĘ電流Â高ÅàāgÉäÕ÷hčŜĩĘĨĈ大
ÃÅÏā必要¸Āh大電力ä電源ÝåĜĢıċĬŀÞà
āg
富士電機Ýåh連続ŋsIJ PFC 制御 IC Þ臨界ŋsIJ
PFC 制御 IC ä両方Ĉ製品化Íܺāg
ôÕh地球環境Ĉ守āÕ÷áh電気製品全般ä省đĶŔ
注 1EPSk国際đĶŔėsĢĨsŀŖęŒʼnä外部電源装置}EP
S~基準g国際đĶŔėsĢĨsŀŖęŒʼnåhOA 機
器ä省đĶŔėsäÕ÷ä国際的à環境ŒłœŜę制
度g経済産業省Þ米国環境保護庁ä相互承認ä下Ý運
営Íܺāg
注 2EuPk環境配慮設計á関Ïā EU}欧州連合~ä指令
405（ 49 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 2 世代臨界モード PFC 制御 IC「FA5590 シリーズ」
I in
I L1
特 集
AC
Vo
D1
L1
C1
+
Q1
V ds
Rs
IS
OUT
7
5
−
ZCDcomp
+
Delay
−10 mV −
図
第 2 世代臨界モード PFC 制御 IC「FA5590 シリーズ」
RTZC
4
の外観
R
RAMP
OSC
Q
UVLO
OVP
SP
S
V ramp
TIMER Restart
+ PWMcomp
−
RT
3
表
OCPcomp
−0.6 V +
Restart
V comp
ERRAMP
臨界モード PFC 制御 IC の比較
FB
1
−
+
2.5 V
COMP
2
項 目
安定性
「FA5590 シリーズ」「FA5500 シリーズ」
（第 2 世代）
（第 1 世代）
電圧制御
ピーク電流制御
入力電圧検出
不 要
要
スタンバイ
消費電流
30 µA
1 mA
低コス
ト
ゼロ電流検出
補助巻線
不 要
要
高効率
最大発振周波数
制限機能
あ り
な し
負荷
応答
エラーアンプ
最大出力電流
± 40 µA
± 10 µA
− 0.6 V ± 3.3%
1.5 V ± 20%
低待機
制御方式
過電流検出電圧
図
概略動作回路
OUT
（Q1 gate）
Q1
V ds
I L1
安全性
ダイナミック
過電圧保護機能
あ り
な し
ソフトスタート
機能
あ り
な し
V comp
V ramp
PWMcomp
出力
（reset）
ÉĂÿä要求á応¾āÕ÷hFA5590 Ġœsģå次ä特
ZCDcomp
出力
（set）
徴¸āg
⑴ 制御方式Þ電流検出方式ä変更
t1
t2
t 3t 1
従来ä FA5500 ĠœsģäĽsĘ電流制御方式ÁÿēŜ
幅固定制御方式á変更ÏāÉÞáþĀh入力電圧ä検出抵
図
スイッチング動作における各部波形
抗Ĉ不要ÞÍh部品点数Þ待機時ä消費電力Ĉ削減ÍÕg
ËÿáhčŜĩĘĨäĥŖ電流ä検出Ĉ IS 端子Ý行¼É
Éä力率制御 IC Ýåh発振器áþÿÐh自励発振Ĉ利
ÞáþĀh補助巻線ÞĹčĺĢĩčēsIJÂ不要áàĀh
用Íܺāg図
電源ĠĢįʼnä低ĜĢı化Ĉ可能ÞÍÕg
動作áÀÇā各部波形Ĉ示Ïg
⑵ 最大発振周波数ä制限
図
á概略動作回路Ĉh図
áĢčĬĪŜę
ä時刻 t1áÀºÜhMOSFET}Q1~ÂēŜÏāÞh
軽負荷時äĢčĬĪŜęä最大発振周波数Ĉ制限ÏāÉ
čŜĩĘĨ}L1~ä電流åĥŖÁÿ上昇Ïāg同時á IC
ÞáþĀhMOSFET äĢčĬĪŜę損失Ĉ低減Íh平均
内部äŒŜŀ発振器ä出力 Vramp  RT 端子ä抵抗Ý決ô
効率Ĉ改善ÍÕg
ā傾ÃÝ上昇Ïāg
⑶ 保護機能ä充実
従来ä FA5500 ĠœsģäĢĨįČĬĘ過電圧保護á加
時刻 t2áÀºÜhŒŜŀ発振器ä出力 VrampÞđŒs
ċ Ŝ ŀ ä 出 力 VcompĈ PWM Ĝ Ŝ ĺ ŕ s Ĩ Â 比 較 Íh
¾hĩčijňĬĘ過電圧保護機能Ĉ追加ÏāÉÞáþĀh
Vramp>VcompÝ Q1 åēľÍhŒŜŀ発振器ä出力å低下Ï
起動時äčŜĩĘĨä音鳴ĀĈàÅÍÕgôÕh過電流検
āgQ1 ÂēľÏāÞhL1 ä電圧å反転ÍhD1 Ĉ通ÍÜ
出ä高精度化Ĉ行ºh電源ä安全性Ĉ向上ËÑÕg
出力側î電流Ĉ供給ÍàÂÿhL1 ä電流å減少Ïāg
時刻 t3áÀºÜhL1 ä電流Ĉ IS 端子Ý検出Íh電流Â
.
動作説明
⑴ 待機電力ä削減}ēŜ幅固定制御~
406（ 50 ）
ĥŖáàāĨčňŜęĈĜŜĺŕsĨÝ検出ÏāgRTZC
端子ä抵抗Ý決ôā遅延時間ä後á Q1 ÂēŜÍh次äĢ
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 2 世代臨界モード PFC 制御 IC「FA5590 シリーズ」
čĬĪŜęĞčĘŔ t1á移行ÏāgÉä動作ä繰返Íá
Ü効率Ĉ改善Íܺāg
þĀhIC å臨界動作Ïāg
図
áh最大発振周波数動作ä波形Ĉ示ÏgĢčĬĪŜ
ę周波数Â最大発振周波数 Fmax以下ä場合hIC åčŜĩ
一定ä場合hVcompå一定ÞàĀhēŜ幅å一定áàāg
ĘĨ電流ÂĥŖáàāĨčňŜęĈ検出ÍhRTZC 端子Ý
ÉäÞÃhčŜĩĘĨäĽsĘ電流å⑴式Ý与¾ÿĂāg
決ôā遅延時間 tZCDä後á MOSFET ĈĨsŜēŜËÑāg
I max =
V in
t
L on
ĢčĬĪŜę周波数Â FmaxÝ制限ËĂā軽負荷時ä場
xxxxxxxxxxxxxxxx⑴
ImaxkL1 äĽsĘ電流
合hčŜĩĘĨ電流ÂĥŖáàāĨčňŜęĈ検出ÍÜøh
tZCDä後áĨsŜēŜÑÐh t=1/Fmaxä周期ÝĨsŜēŜ
Vink入力電圧
Ïāg効率Þ力率åıŕsIJēľä関係¸āgÓÉÝh
LkL1 äčŜĩĘĨŜĢ値
電源設計者åhFmaxĈ RT 端子ä抵抗Ý調整ÍÜh電源ä
tonkēŜ幅
要求仕様á合ąÑÜ力率 - 効率ä設定Ĉ行¾āþ¼áÍ
⑴式áÀºÜhLhtonå一定äÕ÷hL1 äĽsĘ電流
ܺāg
å Viná比例ÏāgÓä波形å入力電圧Þ同Î AC 波形Þ
àāgÉä動作áþĀ力率改善Â可能Þàāg
Éä制御方式åh一般áēŜ幅固定制御Þ呼æĂܺāg
図
áh100 W 定格ä電源Ý比較ÍÕ FA5500 Ġœsģ
Þ FA5590 Ġœsģä軽負荷時ä効率Ĉ示ÏgFA5590 Ġ
œsģåhFA5500 ĠœsģÞ比較ÍÜh20 % 負荷Ý効率
従来äĽsĘ電流制御Ýåh入力電圧Ĉ検出Ïā必要¸
 3 ņčŜı上昇ÍܺāgôÕh20 %Áÿ100 % ôÝä
āÕ÷h待機時á入力電圧検出抵抗áþÙÜh⑵式á示Ï
平均効率Ýå 1 ņčŜı上昇Íܺāg
電力Â消費ËĂܺÕg一方hēŜ幅固定制御Ýåh入力
EPShEuP ä効率á関Ïā規格áåh最低効率Ĉ規定
電圧Ĉ検出Ïā必要ÂàºäÝhÉä電力Â削減ÝÃāg
ÏāøäÞh平均効率Ĉ規定Ïāøä¸āgß×ÿä規
P loss =
2
V xxxxxxxxxxxxxxxx⑵
R vin in
Plossk入力電圧検出抵抗Ýä損失
格á対ÍÜø FA5590 ĠœsģĈ使用ÏāÞh軽負荷時ä
効率改善áþĀ効率ċĬŀä効果Â得ÿĂܺāg
⑶ 電源ĠĢįʼnä部品点数削減á貢献
Vink入力電圧
Rvink入力電圧検出抵抗値
従来ä FA5500 Ġœsģä評価用ŅsIJä場合h⑵式á
96
入力電圧 230 V
基ÛºÜ計算ÏāÞh損失å入力電圧 230 V Ý 77 mW Þ
94
àāgEPS ú EuP àßä待機電力ä規格áåh2011 年度
FA5590 シリーズ
効率（％）
以降h電子機器ä待機時ä消費電力Ĉ 500 mW 以下áÍ
àÇĂæàÿàºÞº¼規定¸āg規定ä上限ݸā
500 mW ä 15 % á相当Ïā 77 mW Â削減ÝÃ大Ãà効果
92
90
FA5500 シリーズ
Â期待ÝÃāg
88
⑵ 軽負荷時ä効率改善
臨界動作ä PFC 回路åh軽負荷時áĢčĬĪŜę周波
86
0
10
20
数Â増加ÍhMOSFET äĢčĬĪŜę損失Â増¾h効率
30
40
50
60
出力電力（W）
Â低下ÏāÞº¼問題¸āg第 2 世代ä FA5590 Ġœs
ģåh最大発振周波数Ĉ制限Ïā機能áþÙÜ軽負荷時á
図
「FA5500 シリーズ」と「FA5590 シリーズ」の軽負荷
時の効率比較
ÀÇā周波数ä上昇Ĉ抑制ÍhMOSFET ä損失Ĉ低減Í
バイパスダイオード
削減
インダクタ
Input
Filter
インダクタ電流
V ac
90
∼ 264 V
MOSFET の V ds
入力電圧
検出抵抗
＋
＋
昇圧
ダイオード
削減
FB
VCC
OUT
GND
COMP
RT
IS
RTZC
＋
削減
t zcd
t =1/ F max
図
図
最大発振周波数動作の波形
「FA5590 シリーズ」を使用することにより「FA5500
シリーズ」から削減できる電源部品
407（ 51 ）
特 集
上述äĢčĬĪŜę動作áÀºÜhPFC 回路ä負荷Â
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 2 世代臨界モード PFC 制御 IC「FA5590 シリーズ」
ä短納期化áø貢献Ïāg
第 2 世代ä FA5590 ĠœsģåhFA5500 Ġœsģá比
⒞ PFC 回路åh非絶縁ä昇圧回路ݸāÕ÷h入力
ïÜh周辺部品Ĉ大幅á削減Íh電源äĜĢıĩďŜĈ実
電圧投入時áh出力ä電解ĜŜİŜĞîäĪŌsġ電
áhFA5590 ĠœsģĈ
使用ÏāÉÞáþĀhFA5500 ĠœsģÁÿ削減ÝÃā電
流Â流ĂāgÉä電流å通常動作時ä電流þĀ十倍以
源部品Ĉ示Íh次á概略Ĉ説明Ïāg
上大ú電流}ŒĬĠŎ電流~ݸāg
⒜ 第 2 世代ä FA5590 ĠœsģåhēŜ幅固定制御方
従来ä FA5500 ĠœsģåhIS 端子ÂŀŒĢ検出
式Ĉ用ºāäÝhFA5500 ĠœsģÝ必要ݸÙÕ入
äÕ÷hMOSFET ÂēľÍܺāÞÃá L1 ä電流
力電圧検出抵抗Â不要áàÙܺāgÓĂá伴ºh高
Ĉ検出ÝÃÐhÉäĪŌsġ電流発生時áĢčĬĪŜ
º入力電圧Â印加ÏāĺĨsŜĈ引Ã回ËàÅÜþº
ęÍÜÍôºh昇圧ĩčēsIJÂ破壊ÍÜÍô¼gÉ
Õ÷h電源基板ä設計Â容易Þàāg
ĂĈ避ÇāÕ÷hFA5500 ĠœsģĈ使用ÍÕ電源Ý
åh入力Þ出力ĈĹčĺĢÏāĩčēsIJÂ挿入ËĂ
⒝ 従来ä FA5500 ĠœsģÝåhčŜĩĘĨä電流Â
ĥŖáàāĨčňŜęĈčŜĩĘĨä補助巻線ä電圧
ܺāg
Ý検出ÍܺÕgFA5590 ĠœsģÝåhIS 端子Ĉ従
前述äÞÀĀhFA5590 Ġœsģå IS 端子ÂŇč
来äŀŒĢ検出ÁÿŇčijĢ検出î変更ÏāÉÞÝh
ijĢ検出ݸāÕ÷hÉäĪŌsġ電流Â流Ăܺā
L1 ä電流ÂĥŖáàāĨčňŜęĈ IS 端子Ý検出Í
間hMOSFET ĈĨsŜēŜËÑàºÉÞÂ可能ݸ
ܺāgÉĂáþĀčŜĩĘĨä補助巻線Â不要áà
āgÉĂáþĀh昇圧ĩčēsIJä破壊Ĉ防ÆÉÞÂ
āg補助巻線ÂàºäÝh部品äĜĢı削減ÖÇÝå
ÝÃh従来必要ÖÙÕ入力Þ出力ĈĹčĺĢÏāĩč
àÅh補助巻線Ĉ巻Å工程Â削減ÝÃh電源製造工程
ēsIJĈ削減ÝÃāg
ダイナミック
過電圧保護
音鳴り
発生
100
FB 電圧（V/ V FB ）
オン幅（%）
70
スタティック
過電圧保護
1
（2.5 V）
1.05
1.09
図
L
F101
6.3 A
1.05
音鳴り
なし
ダイナミック
過電圧保護あり
時間
1
J101
N
図
R101
510 k
R102
510 k
3
R103
510 k
L101
ダイナミック
過電圧保護なし
PFC 回路起動
過電圧保護動作
85 ∼
264 Vac
スタティック
過電圧保護動作
1.09
FB 電圧（V/ V FB ）
C101
0.47 µ
特 集
現ÝÃā IC ÞàÙܺāg図
C105 TH101
2200 p 5D22
C102
1000 p L102
PFC 回路起動時動作
D101
600 V25 A
L201 175µH
R215
D201 620 k
C104
0.47 µ
ZT101
R216
620 k
FMH21N50ES
Q201
C201
1µ
C103
1000 p
390 V
200 W
1
YG952S6RP
C106
2200 p
R217
620 k
R209
47 k
C202
220 µ ＋
R218
680 k
J201
R219
16 k
D203
VR201
4
ERA91-02
D204
R201
0.068
GND
R207
150
R208
22
R210
68 k
C206
0.15 µ
C210
1000 p
IC201
C205
0.1 µ
FB
VCC
C209
0.1 µ
COMP OUT
RT
C212
0.01 µ
R211
51 k
R214
100 k
C211
56 µ
＋
GND
D205
RTZC
C207
0.01 µ
R212
20 k
IS
FA5590
C208
2200 p
R213
47
GND
VCC
2
1
J202
図
応用回路例
408（ 52 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 2 世代臨界モード PFC 制御 IC「FA5590 シリーズ」
É Ă ÿ ä É Þ á þ ĀhFA5590 Ġ œ s ģ å FA5500 Ġ
œsģÞ比較ÍÜh電源ä部品ú製造工程Ĉ削減Íh電源
Ĩ電流å出力電圧ä上昇á伴ÙÜ徐々á減少ÏāgčŜĩ
ĘĨä電流ä急変ÂàºÕ÷h音鳴ĀåÍàºg
äñÁáhMOSFET ä過電流保護検出ä精度向上h⑵Ý
⑷ 安全性ä向上}ĩčijňĬĘ過電圧保護~
従来ä FA5500 Ġœsģáåh起動時ú負荷急変時àß
述ïÕ最大発振周波数Ĉ制限Ïā機能áþĀh異常時á
á出力Â一定電圧以上á上昇ÏāÞhĢčĬĪŜęĈ停止
MOSFET ä高速ĢčĬĪŜęĈ防止Ïā機能h⑶Ý述ï
ÍÜ出力電解ĜŜİŜĞÂ耐圧破壊Ĉ防ÆĢĨįČĬĘ過
ÕŒĬĠŎ電流発生時á MOSFET ĈĢčĬĪŜęËÑà
電圧保護機能Ĉ搭載Íܺāg
º機能àßä電源部品ä破壊Ĉ防Æ機能áþĀh電源ä安
ÍÁÍhĢčĬĪŜęĈ急á停止ÏāÞhčŜĩĘĨ
全性ä向上Ĉ行Ùܺāg
電流Â急変ÍÜh音鳴ĀÂ発生ÏāgÓÉÝhFA5590 Ġ
œsģÝåh図
á示Ïþ¼áh従来äĢĨįČĬĘ過電
応用回路例
圧保護機能á加¾hFB 端子電圧Â 2.5 V Ĉ超¾āÞhē
Ŝ幅Ĉ過電圧á比例ÍÜ狭ÅÏāĩčijňĬĘ過電圧保護
機能ä二Úä過電圧保護機能Ĉ搭載Íܺāg
図
áh 応 用 回 路 例} 入 力 85 v 264 Vh 出 力 390 Vh
200 W~Ĉ示Ïg図 0 á同回路Ý測定ÍÕ力率特性比較Ĉh
通常hFB 端子åhđŒsċŜŀä基準電圧Þñò同Î
2.5 V Ý動作Íܺāg起動時ôÕå負荷急変時á出力電
図 1 á第 2 世代ä FA5590 Ġœsģä高調波電流特性Ĉ
示Ïg
圧Â上昇ÍhFB 端子ä電圧Â 2.5 V Ĉ超¾āÞh最初á
力率特性åhŘsŔIJŘčIJà入力電圧 100 V Þ 230 V
ĩčijňĬĘ過電圧保護機能áþĀēŜ幅Â狭ÅàĀh出
ä定格負荷Ýh一般的à電子機器á求÷ÿĂā力率 0.95
力電圧ä上昇Ĉ防ÆgÓĂÝø出力電圧Â上昇ÏāÞhĢ
以上Ĉ維持ÝÃܺāg
ĨįČĬĘ過電圧保護áþĀĢčĬĪŜęĈ停止Ïāg出
力電圧Â一定電圧以下á戻āÞhĢčĬĪŜęĈ再開Ïāg
高調波電流特性åh電子機器á必要à IEC 61000-3-2
ĘŒĢ D ä規格Ĉ満足Íܺāg
áhĩčijňĬĘ過電圧保護ä有無áþā PFC 回
図
路起動時ä動作ä違ºĈ示ÏgĩčijňĬĘ過電圧保護機
あとがき
能¸āÞhēŜ幅Ĉ過電圧á比例ÍÜ狭ÅÍhčŜĩĘ
電源ä待機電力ä削減h軽負荷時ä効率改善hĜĢı
削減h安全性ä向上Ĉ実現ÝÃā第 2 世代ä臨界ŋsIJ
1.0
PFC 制御 IC ｢FA5590 Ġœsģ｣ áÚºÜ紹介ÍÕg今
0.9
行¼ÞÞøáh年々厳ÍÅàā規格 ･ 市場要求á応¾ā開
後øhËôÌôà市場要求á合ąÑÕ機能Ĉ持Ú系列化Ĉ
力率
FA5500
（入力電圧 100 V）
発Ĉ行ÙܺÅ所存ݸāg
FA5590
（入力電圧 100 V）
0.8
参考文献
FA5500（入力電圧 230 V）
⑴ 鹿 島 雅 人 ñ Á. 電 流 連 続 ŋ s IJPFC回 路 用 電 源IC
FA5590（入力電圧 230 V）
0.7
0
50
100
150
200
｢FA5550/5551Ġœsģ｣. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.441444.
出力電力（W）
⑵ 鹿島雅人, 城山博伸. CMOS力率制御用電源IC. 富士時報.
図
2001, vol.74, no.10, p.551-553.
応用回路での力率特性比較
高調波電流（A）
10
AC100 V 入力，200 W 出力
1
IEC 61000-3-2
クラス D の規格
0.1
0.01
菅原 敬人
0.001
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h富
1 3 5
15
25
35
39
次数
図
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部İČĢĘœsıjIC 技術部g
応用回路での「FA5590 シリーズ」の高調波電流特性
409（ 53 ）
特 集
ôÕhFA5590 ĠœsģÝåh上述ä過電圧保護機能
äĜĢıĩďŜĈ実現ÝÃā IC ÞàÙܺāg
富士時報 Vol.83 No.6 2010
特 集
410（ 54 ）
第 2 世代臨界モード PFC 制御 IC「FA5590 シリーズ」
大和 誠
手塚 伸一
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h富
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部İČĢĘœsıjIC 技術部主査g
統括部İČĢĘœsıjIC 技術部g
富士時報 Vol.83 No.6 2010
電源 IC 回路の最新シミュレーション技術
特 集
3H[LZ[:PT\SH[PVU;LJOUVSVNPLZMVY7V^LY:\WWS`0*ZHUK7V^LY:`Z[LTZ
小宮山 典宏5VYPOPYV2VTP`HTH
藪崎 純1\U@HI\aHRP
電源 IC ú電源ĠĢįʼnä複雑à機能Ĉ実現ÏāÕ÷h電源 IC ä基本動作Ĉ高速á検討ÝÃā IP Ĝċ}Intellectual
Property Core~Ĉ開発ÍÕgôÕh電源ĠĢįʼnäĠňŎŕsĠŐŜĈ高速化ÏāÕ÷áh高速回路検証環境úđŜł
ŖsŀjľĒŖsčŜę解析ä運用ľŖsĈ構築ÍÕgÉĂÿä技術áþĀh回路設計ä初期段階áÀÇā電源ĠĢįʼnä
検討ÞĠňŎŕsĠŐŜä高速化Ĉ実現ÝÃÕg高機能Ý複雑à電源 IC ú電源ĠĢįʼnä設計ú設計œsIJĨčʼnä短縮
ÂÝÃāþ¼áàĀh設計品質ä高º製品開発Â可能ÞàÙÕg
In order to realize complex functions for power supply ICs and power systems, an IPC (intellectual property core) for studying the basic
operations of a power supply IC at high-speed has been developed. Additionally, in order to accelerate the simulation of power systems, a highspeed circuit verification environment and an operation flow for envelope following analysis have been established. These technologies enable
power systems to be studied and simulations to be performed faster in the early stages of circuit design. Requests for complex power supply
ICs and power systems with advanced functionality and for shorter design lead times can be satisfied; and high design quality products can be
developed.
まえがき
近年h地球ä温暖化Ĉ防止ÏāÕ÷á電子機器ä省đĶ
出力
電圧
ダイオード
絶縁
トランス
Ŕės化Â重要ÞàÙܺāg電子機器内ä電源ĠĢįʼn
Ĉ制御Ïā電源 IC áåh負荷状態á応ÎÕ最適à制御方
電源
キャパシタンス
式úh誤動作Àþé異常動作Ĉ防止Ïā保護機能Â求÷ÿ
Ăܺāg
電源 IC
Éäþ¼à複雑à機能á対応ÏāÕ÷h電源 IC 単体Ö
ÇÝàÅ電源ĠĢįʼnä制御方式ú回路動作ä詳細à検討
パワー
MOSFET
ĠĢįʼnä検証項目Â増加Ïā一方Ýh設計äœsIJĨč
シミュレーショ
ンではモデル
（デバイスモデ
ル＊ など）が必要
ʼnĈ短ÅÍÕºÞäÀ客Ëôä要求á応¾āÕ÷h十分à
＊：半導体の物理的特性を再現するモデル
}概念設計~Â回路設計ä初期段階Áÿ必要ݸāg電源
フォト
カプラ
シャント
レギュレータ
検証ÂÝÃāþ¼á回路ĠňŎŕsĠŐŜĈ高速化Ïā必
要¸āg
図
電源システムの構成例
富士電機ÝåhÉĂÿä課題Ĉ解決ÏāÕ÷ä回路Ġ
ňŎŕsĠŐŜ技術Ĉ開発ÍÜÀĀh本稿Ý紹介Ïāg
源ĠĢįʼnä検証|áÀºÜh回路規模ä増大á対ÍÜh
⒜äĠňŎŕsĠŐŜä処理速度Â追従ÝÃܺà
図
従来回路設計の課題と新回路設計フローの構築
ÁÙÕgÉĂÿä課題Ĉ解決ÏāÕ÷h図
⒝á示Ï新回
路設計Ĉ構築ÍÕg
電 源 Ġ Ģ į ʼn åh 図 á 示 Ï þ ¼ áh 電 源 Ġ Ģ į ʼn
全 体 Ĉ 制 御 Ï ā 電 源 IC ä ñ Á á ĩ č ē s IJ ú ĺ Ř s
回路シミュレーションによる概念設計技術
MOSFET}Metal - Oxide - Semiconductor Field - Effect
Transistor~
h絶縁ıŒŜĢàßä外付Ç素子Ý構成ËĂ
図
中äĿŕĬIJŅsIJáþā概念設計Þ同様äÉÞĈ
āg電源 IC åhēŃċŜŀúĜŜĺŕsĨàßä個別回
回路ĠňŎŕsĠŐŜÝ行¼áåh電源 IC äŋİŔÂ必
路ĿŖĬĘÝ構成ËĂh電源ĠĢįʼnä用途á応ÎÜ数種
要ݸāgİĹčĢŋİŔÝ構成ËĂÕ電源 IC äŋİŔ
類ä制御方式Ĉ使用Íܺāg
電源 IC ú電源ĠĢįʼnä設計ľŖsĈ図
概念設計|áÀºÜh図
Ĉ用ºā場合hÉä計算áå 1 回当ÕĀ数十時間以上Ĉ要
á示Ïg
{②
⒜äĿŕĬIJŅsIJÝå簡単à
ÏÕ÷h回路äÀÀôÁà動作Ĉ繰Ā返Í検討Ïā設計初
期段階Ý適用Ïāáå現実的Þ庾àºg
動作ä回路á限ÿĂāÕ÷h電源 ICä動作Ĉ高精度á再
Éä課題Ĉ解決ÏāÕ÷h電源 IC ä基本動作Ĉ高速Ý
現ÏāÉÞÂ難ÍÁÙÕgÓäÕ÷h下流設計ľŖsÝh
検討ÝÃā IP Ĝċ}Intellectual Property Core~Ĉ開発
②Þ③ä再検討Â必要áàā場合ø¸ÙÕgôÕh
{⑤電
ÍhİĹčĢŋİŔä代ąĀá用ºÕg基本動作Þåh例
411（ 55 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
電源 IC 回路の最新シミュレーション技術
特 集
①製品仕様決定，
電源 IC の仕様へ展開
（a）従来回路設計
（b）新回路設計
図
③個別回路設計・
検証
②概念設計
①
②
ブレッドボードの使用
①
②
回路
シミュレーション
の使用
④個別回路で構成
した電源 IC の
検証
③
⑤電源システムの
検証
⑤
従来回路
シミュレーション
の使用
④
③
④
⑤
電源システム
シミュレーション
高速化技術の使用
②，
③の再検討
電源 IC・電源システムの回路設計フローとそれぞれに要する期間の概念図
定常状態
電流
コンパレータ
回路
図
ワンショット
出力回路
内部回路用
電圧源回路
最大周波数
制限回路
低電圧
誤動作
防止回路
20
（b）IP コア
シミュレーション時間
：35 分
15
出力電圧（V）
ゼロ電流
検出回路
低電圧
誤動作
防止回路
ドライバ
回路
RSFF 回路
一定電圧で安定できる
ことを確認
10
（a）デバイスモデル
シミュレーション時間
：15 時間 20 分
5
IP コアの個別回路ブロックの構成例
0
110
120
130
140
時間（ms）
VCC
図
module inverter（in, out, vcc, gnd）;
電源システムの出力電圧の波形比較
electrical in, out, vcc, gnd;
inout in, out, vcc, gnd;
parameter real vth=2.5;
①äÍú値電圧äþ¼à回路特性値ĈĺŒŊsĨÞÍÜ
①
analog begin
in
out
設定ÝÃāäÝh回路特性値Ĉ容易á変更ÝÃāg
＠cross（V（in）
−vth，
−1）state=1;
Éäþ¼á IP ĜċĈ用ºāÉÞÝh設計初期段階Ý電
＠cross（V（in）
−vth，
＋1）state=0;
源ĠĢįʼnäĠňŎŕsĠŐŜÂÝÃāþ¼áàÙÕgô
vout=state ? V（vcc）: V（gnd）;
V（out）
＜+vout;
ÕhļŁčļċŋİŔáþĀh高速àĠňŎŕsıÞ回路
②
end
GND
特性値ä容易à変更ÂÝÃāÕ÷h電源ĠĢįʼnä効率的
endmodule
à設計Â可能ÞàÙÕg
①：しきい値電圧パラメータ
②：数式により回路動作を表現
（a）デバイスモデル
IP ĜċĈ用ºÕ図
（b）ビヘイビアモデル
（プログラム）
äĠňŎŕsĠŐŜ結果ä一例Ĉ
á示ÏgIP Ĝċä回路動作ä妥当性Ĉ検証ÏāÕ÷h
図
İĹčĢŋİŔÝäĠňŎŕsĠŐŜ結果ø併記ÍÕg
図
インバータ回路のデバイスモデルとビヘイビアモデルの例
図
⒝ä定常状態Â図
⒜Þ同Îþ¼á 19 V Ý安定Í
ܺāÉÞÁÿhIP ĜċÂİĹčĢŋİŔä回路動作Ĉ
¾æĺŔĢ幅変調制御方式ä場合h出力電圧Ĉ定常状態Ý
安定制御ËÑāÕ÷áĺŔĢ幅Ĉ制御ÏāøäݸāgIP
Ĝċå図
再現ÍܺāÉÞÂ分Áāg
Ëÿá IP Ĝċåh数式àßäļŁčļċŋİŔĈ用º
Ü基本動作á必要à最小限ä個別回路ĿŖĬĘÝ構成ËĂ
á示Ï個別回路ĿŖĬĘÝ構成Ïāg
⑴
ÉĂÿä開発áåhċijŖę動作記述言語 VerilogAà
ܺāäÝhİĹčĢŋİŔþĀø約 20 倍以上高速áĠ
ßä数式ú等価回路áþāļŁčļċŋİŔĈ使用Íܺ
ňŎŕsĠŐŜĈÏāÉÞÂÝÃāg本実施例ä場合h約
āg簡単à例ÞÍÜh図
26 倍高速ݸāg
áčŜĹsĨ回路äİĹčĢ
ŋİŔÞļŁčļċŋİŔĈ示ÏgļŁčļċŋİŔå図
章ä概念設計技術Ĉ用ºĂæh高機能Ý複雑à制御方
⒝ä②äþ¼á数式Ý表現ËĂāäÝh複雑à計算ĈÏ
式ä電源 IC ú電源ĠĢįʼnä概念設計Â高精度ÝÝÃā
āİĹčĢŋİŔþĀø高速ÝĠňŎŕsıÝÃāgôÕh
þ¼áàĀh下流設計ľŖsáÀÇā再検討ä回数Ĉ低減
412（ 56 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
電源 IC 回路の最新シミュレーション技術
äĠňŎŕsĠŐŜ結果Ĉ図
ÝÃāg
á示ÏgEnvlp 解析åh図
⒜äþ¼á周期的á変化Ïā波形Ĉ省略ÏāÉÞÝ時
⒝äþ¼á過渡解析Þ同等ä精度Ý
計算ÝÃāg
.
高速回路検証環境の構築
Envlp 解析åh回路äĘŖĬĘ周波数Â不定à場合h波
ä{⑤電源ĠĢįʼnä検証|ÝåhİĹčĢ特性Ĉ
形Ĉ省略ÍÜ計算ÝÃàº原理的à弱点¸ĀhÉäþ¼
考慮ÍÕ詳細à動作検証Ĉ行¼Õ÷hİĹčĢŋİŔÝ構
à場合áå適Ëàºg電源ĠĢįʼnå制御方式áþÙÜĘ
築ËĂÕ電源 IC ŋİŔĈ用ºāgÉĂåh多数äİĹč
ŖĬĘ周波数Â不定áàāÉÞø¸āÕ÷hĠňŎŕsĨ
図
ĢŋİŔÝ構成ËĂܺāÕ÷ 1 回当ÕĀ数日áąÕā計
ú回路ä設定Ĉ分析ÍÕİsĨłsĢ}図
算時間Ĉ要ÏÉÞø¸Āh高速化Â必要ݸāgÓÉÝh
図
á示Ï高速回路検証環境Ĉ新Õá構築ÍÜh適用ÍÕg
図
Éä環境åh上記目的äÕ÷á導入ÍÕ最新ä高速回路
ĠňŎŕsĨÞ高速専用端末Ĉ組õ合ąÑÜ構成ËĂh独
ä④~Ĉ基áh
á示Ï適用ľŖsĈ構築ÍÕgôÐhĠňŎŕsĠŐ
ŜĈ実行Ïā前áh①Ý Envlp 解析ä適用可否Ĉ判断Ïāg
適用ÝÃā場合å②ä各項目Ĉ設定Íh適用ÝÃàº場合
å③äþ¼á過渡解析Ĉ行¼g
力率改善}PFCkPower Factor Correction~電源 IC á
自á開発ÍÕŀŖęŒʼnÂ用ºÿĂāgÉäŀŖęŒʼnåh
設計端末Áÿ{①ĠňŎŕsĠŐŜġŐĿä投入|ÂËĂ
ÚºÜhEnvlp 解析Þ過渡解析Ĉ行ÙÕ結果Ĉ図
āÞh端末使用状況管理İsĨłsĢáċĘĤĢÍÜ{②
Éä場合hĘŖĬĘ周波数Â一定àäÝhEnvlp 解析å図
未使用ä専用端末ä検索|Ĉ行ºh検索ÍÜ得ÿĂÕ専用
á示Ïg
⒜äþ¼á波形Ĉ省略ÍÜ過渡解析þĀø約 3.3 倍高速
端末Ýh
{③高速回路ĠňŎŕsĨÝĠňŎŕsĠŐŜ実
áĠňŎŕsĠŐŜĈÏāÉÞÂÝÃāgôÕh図
行|Ĉ行¼g従来h手動Ý 2 v 3 分間ÁÁÙܺÕÉĂÿ
þ¼á過渡解析Þ同等ä精度Ý計算ÝÃāg
ä処理ĈhÉäŀŖęŒʼnå自動Ý瞬時á実行ÏāäÝh
ĠňŎŕsĠŐŜĈ能率的á実行ÝÃāgôÕh専用端末
⒝ä
Éäþ¼áhEnvlp 解析åĘŖĬĘ周波数Â一定ä場合h
回路規模áþÿÐĠňŎŕsĠŐŜĈ高速化ÝÃāgËÿ
Â空ÅÞ瞬時áĠňŎŕsĠŐŜÂ実行ËĂāäÝh限ÿ
áh富士電機独自ä図
ĂÕ専用端末äœĦsĢĈ有効活用ÝÃāg
ʼná対ÍÜø適用ÝÃāg
äľŖsáþĀ複雑à電源ĠĢį
Éä検証環境áþĀh電源ĠĢįʼnäĠňŎŕsĠŐŜ
章 ä高速化技術áþĀh回路規模ä増大á対ÍÜĠ
Ĉ従来Þ同等ä精度Ý約 2 倍h回路áþÙÜå 4 倍以上高
ňŎŕsĠŐŜä処理速度Â追従ÝÃāþ¼áàĀh十分
速化ÍÕg
.
省略可
エンベロープ・フォローイング解析の適用
.
1.25
Envlp解析
節ä高速回路検証環境áÀºÜøh回路規模áþÙ
Üå高速化ä効果Â 1.5 v 2.0 倍áÞßôÙÜÍô¼gÓ
スイッチング電圧（V）
0.75
ä場合á効果的à解析手法áþā高速化Ĉ検討ÍÕg
đŜłŖsŀjľĒŖsčŜę解析}包絡線追跡法h
⑵h⑶
Envlp 解析Þ略~åh高速à解析手法ä一Úݸāg単純
à降圧形 DC-DC ĜŜĹsĨÝä Envlp 解析Þ過渡解析
0.25
0
1.25
過渡解析
0.75
高速回路検証環境
0.25
ジョブ 1
ジョブ 1
高速回転
シミュレータ
実行
プログラム
設計端末 1
0
0
高速専用端末 1
65
70
75
80
85
90
時間（ s）
ジョブ 2
高速専用端末 2
（a）スイッチング電圧（時間軸拡大）
ジョブ 2
高速専用端末 N
設計端末 M
電源出力電圧（V）
設計端末 2
①シミュ
レー
ション
ジョブの
投入
4
③高速回路シミュレータで
シミュレーション実行
②未使用の
専用端末の検索
端末使用
状況管理
データ
ベース
3
2
Envlp 解析
同等の挙動を示す
過渡解析
1
0
0
100
200
300
400
500
時間（ s）
ジョブ：実行するシミュレーションの単位
図
高速回路検証環境の概要
（b）電源出力電圧
図
降圧形 DC-DC コンバータの波形比較
413（ 57 ）
特 集
電源システムシミュレーション高速化技術
間Ĉ短縮ÍÚÚh図
富士時報 Vol.83 No.6 2010
電源 IC 回路の最新シミュレーション技術
源ĠĢįʼnä概念設計Þ回路検証ä期間Ĉ短縮ÍÕgËÿ
à検証ÂÝÃāþ¼áàÙÕg
áh限ÿĂÕ期間Ý十分à検証ĈÝÃāþ¼áàĀh下流
設計ľŖsÝä再検討ä回数Ĉ低減ÍÕgÓä結果h従来
特 集
適用の効果
ä設計手法á比ïÜ設計œsIJĨčʼnĈ約 25 % 短縮ÝÃh
h 章Ý述ïÕ技術Ĉ製品開発î適用ÏāÉÞÝh電
設計品質ä高º電源 IC ä開発ÂÝÃāþ¼áàÙÕg
あとがき
開始
本稿Ýåh電源 IC ä回路ĠňŎŕsĠŐŜ技術ÞÍÜh
①
Envlp 解析を
適用できる
②
Yes
④
Envlp 解析
設定方法
データベース
回路ĠňŎŕsĠŐŜáþā概念設計技術Þ電源ĠĢįʼn
No
ĠňŎŕsĠŐŜ高速化技術Ĉ述ïÕg新Õá開発ÍÕh
IP Ĝċh高速回路検証環境hEnvlp解析ä適用ľŖsä
③
シミュレータの設定
過渡解析を選択
差別化技術áþĀh回路設計初期段階Ýä電源ĠĢįʼnä
検討ÞĠňŎŕsĠŐŜä高速化Ĉ実現ÝÃÕg特áh回
発振回路の調整
路ĠňŎŕsĠŐŜáþā概念設計îhIP ĜċÞ電源Ġ
ĢįʼnĠňŎŕsĠŐŜ高速化技術Ĉ適用ÏāÉÞÝhĠ
電源システム回路内
のクロック周波数の
調整
ňŎŕsĠŐŜ速度å約 40 倍以上高速Þàāg
今後åh電気的特性h熱特性h電磁界特性àßä相互作
用Ĉ考慮ÍÕhþĀ高度à解析技術Ĉ検討ÏāÉÞÝh半
シミュレーション実行
導体設計äËÿàā効率化Ĉ目指ÍܺÅ所存ݸāg
シミュレーション
結果の解析
参考文献
⑴ 桜井至. Verilog-AMS 入門. CQ出版社.
⑵ 黒江康明ñÁ. ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢĠĢįʼnäĠňŎ
終了
ŕsĠŐŜ技術. 電気学会技術報告. 2000, 2月.
図
⑶ 加藤利次ñÁ. 自律系ĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ回路ä包
Envlp 解析の適用フロー
スイッチング電圧（V）
絡追跡解析法. IEEJ Trans. EIS. 2007, vol.127, no.11, p.18261831.
20
15
小宮山 典宏
10
IC ä CAEhCAD 技術ä開発á従事g現在h富士
5
電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統
括部ĪĬŀ技術部g
0
24.5
24.6
24.7
24.8
時間（ms）
Envlp 解析
過渡解析
藪崎 純
電源出力電圧（V）
（a）スイッチング電圧（時間軸拡大）
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h富
500
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
Envlp 解析
統括部İČĢĘœsıjIC 技術部g
シミュレーション時間
：4 時間 47 分
過渡解析
シミュレーション時間
：15 時間 47 分
0.0
0
20
40
時間（ms）
（b）電源出力電圧
図
PFC 電源 IC の波形比較
414（ 58 ）
60
80
富士時報 Vol.83 No.6 2010
リニア制御用 IPS ｢F5064H｣
特 集
¸-/¹07:MVY3PULHY*VU[YVS
岩水 守生4VYPV0^HTPa\
岩田 英樹/PKLRP0^H[H
岩本 基光4V[VTP[Z\0^HTV[V
œĴċ制御用áĸčĞčIJ IPS}Intelligent Power Switch~ÞēŃċŜŀÞĈ一ÚäĺĬĚsġáÍÕF5064HĈ開
発ÍÕg本製品åh電流検出á必要à高精度ēŃċŜŀĈ内蔵ÏāÉÞÝh自動車電装品ݸā ECU}Electronic Control
Unit~ä小型化á貢献Ïāg出力段ä MOSFET}Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor~Ĉ低ēŜ抵抗化
ÏāÕ÷á擬平面接合 QPJ}Quasi Plane Junction~技術Ĉ適用ÍÕgôÕh第 3 世代 1.5 μm 自己分離ŀŖĤĢ技術Ĉ適用
ÍÕ IC 回路ä微細化áþĀhĪĬŀĞčģĈ縮小Íh小型 SSOP-20 ĺĬĚsġá搭載ÝÃāþ¼áÍÕg
A high-side IPS (Intelligent Power Switch) and an operational amplifier have been combined into a single package to develop the{F5064H|
used for linear controls. This product has been constructed with an internal high-precision operational amplifier which is needed for current
detection, and contributes to the miniaturization of ECUs (Electronic Control Units) in automobiles. The output stage MOSFET (Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor) uses QPJ (Quasi Plane Junction) technology to achieve low on-resistance. Also, the smaller size of the IC
circuit that utilizes 3rd generation 1.5 µm self-isolation process technology results in a smaller chip size that can be housed in a small SSOP-20
package.
まえがき
「F5064H」の概要
自動車電装分野Ýåh
{環境|
{安全|
{快適|ĈĖs
F5064H ä外観Ĉ図
ŘsIJÞÏā自動車電子制御ĠĢįʼnä進化á拍車ÂÁ
Á Ù Ü º āg Ó ä 中 Ýh ē s ı Ň Ī Ĭ Ę ı Œ Ŝ Ģ ň Ĭ
ĠŐŜáåh快適性Þ燃費向上Â求÷ÿĂh6 速以上ä多
Ĵċ制御回路Ĉ図
h表
áh回路ĿŖĬĘ図Ĉ図
áhœ
á示Ïg最大定格h電気的特性Ĉ 表
á示Íh論理表Ĉ 表
á示ÏgF5064H åĦľı
ľČsIJĹĬĘĨčŀݸĀh主à特徴å次ä五Úݸāg
段 化 ú CVT}Continuously Variable Transmission~ 化
⒜ 負荷電流Ĉ高精度á検出ÏāēŃċŜŀ内蔵
ÞhĦŕķčIJĹŔĿá流Ăā電流á応ÎÜœĴċá油
⒝ 過電流h過熱検出機能áþā負荷短絡保護機能内蔵
圧Â変更ÝÃāœĴċ制御Â増加Ïā傾向á¸āgÉä
⒞ 負荷状態j異常状態出力用ĢįsĨĢ端子内蔵
œĴċ制御åh負荷ݸāœĴċĦŕķčIJá流Ăā電
⒟ čŜĩĘĨŜĢ負荷ÝäĨsŜēľ時ä逆起電圧á
流Ĉh高精度á検出Ïā必要¸Āh回路部品Ĉ搭載Ï
対Ïā電圧ĘŒŜŀ回路内蔵áþĀhčŜĩĘĨŜĢ
ā ECU}Electronic Control Unit~ä肥大化áøÚàÂÙ
負荷ä高速動作Â可能
Ü º āg 富 士 電 機 åh 縦 型 ä 出 力 段
MOSFET}Metal -
Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor~ Þ Ó Ă
VB
Ĉ制御Í保護Ïā回路ÞĈ一ÚäĺĬĚsġáÍÕ IPS
}Intelligent Power Switch~Ĉ開発ÍÜÃÕg今回開発Í
ハイサイド IPS 部
Õ IPSF5064H
}図 ~åhœĴċ制御á必要à高精度
電流検出用ēŃċŜŀĈ内蔵ÏāÉÞÝh実装点数ä低減
IN
過電圧
検出
áþā ECU ä小型化Þh実装工数ä削減á貢献ÝÃā製
論理
回路
品ݸāg
ST
内部電源
レベルシフト
ドライバ
短絡
検出
OUT
負荷開放
検出
過熱
検出
過電流
検出
GNDh
オペアンプ部
VDD5
FB
オペ
アンプ
S＋
S−
GNDs
図
「F5064H」の外観
図
「F5064H」の回路ブロック図
415（ 59 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
リニア制御用 IPS ｢F5064H｣
表
VDD5（5 V）
「F5064H」の絶対最大定格（T a＝25 ℃）
VB（13 V）
定 格
項 目
特 集
F5064H
記 号
条 件
IN
単 位
最 小
最 大
V GNDs − 0.3
7
V
オペアンプ部
制御・
保護回路
ST
OUT
FWD
FB
リニア
ソレノイド
S＋
+
−
S−
シャント
抵抗
電源電圧
V DD5
DC
S＋電圧
VS ＋
DC
V GNDs − 0.3
16
V
S−電圧
VS −
DC
V GNDs − 0.3
16
V
FB 電圧
V FB
DC
V GNDs − 0.3
7
V
Tj
−
− 40
150
℃
接合部温度
ハイサイド IPS 部
GND
V B1
DC
V GNDh − 0.3
33
V
電源電圧
図
V B2
250 ms
─
50
V
出力電流
ID
─
─
3
A
DC
V GNDh − 0.3
VB
V
入力電圧
V IN
V B ＝ OPEN V GNDh − 0.3
7
V
ステータス電圧
V ST
DC
V GNDh − 0.3
7
V
ステータス電流
I ST
─
─
5
mA
接合部温度
Tj
─
− 40
150
℃
T STG
─
− 55
150
℃
「F5064H」によるリニア制御回路
⒠ 駆動回路内蔵äÕ÷ŇčĘŖĜŜĽŎsĨáþā直
接駆動Â可能
図
á示Ï電流検出用ēŃċŜŀ部ÞĸčĞčIJ IPS
部Þå別々äĪĬŀÝ形成Íh一ÚäĺĬĚsġá搭載Í
保存温度
ܺāg
載ÍܺāgÓä動作例ÞÍÜhF5064H Â過電流検出状
「F5064H」の特徴
態Áÿ電流発振ŋsIJá至āôÝä動作波形Ĉ図
.
á示
ÏgF5064H Ýå出力発振ŋsIJ下ÝäĽsĘ電流Ĉ 14 A
電流検出用オペアンプ
電流検出用ēŃċŜŀäēľĤĬı電圧h温度IJœľ
程度áĘŒŜŀÍÜÀĀh過大à電流Â流Ăā異常状態á
á示Ïg
ÀºÜøhİĹčĢÂ発生ÏāķčģĈ低Å抑¾Üºāg
F5064H å次ä工夫áþÙÜ広º温度範囲Ý高º電流検出
ôÕh本ĽsĘ電流ä低減áþĀhECU 配線ä微細化À
精度Ĉ実現Íܺāg
þéŘčōĸsĶĢä細線j軽量化á貢献ÝÃāg
ı特性ĈåÎ÷ÞÏā電気的特性áÚºÜ 表
⒜ 入力段á p 形 MOSFET Ĉ採用ÍhěsıĞčģä
ウェーハプロセス
最適化Ĉ実施
⒝ ĹčċĢ回路á定 gm ĹčċĢ回路Ĉ用ºÜhěč
Ŝ - 位相周波数特性ä温度依存性Ĉ低減
.
通常h抵抗úĩčēsIJàßÝ構成ÍÕ ESD 吸収回路
⒞ ĺĬĚsġ応力Ĉ考慮ÍÕĪĬŀŕčċďıáÏā
ÉÞÝh電気的特性äæÿÚÃĈ低減
オペアンプ部
áþĀh被保護İĹčĢä耐圧以下á ESD 電圧ĈĘŒŜ
ŀÏāÉÞÝh高º ESD 耐量Ĉ得āÉÞÂÝÃāg
.
ÍÁÍh横型ä拡散ĭĐijsĩčēsIJúņœĠœĜŜ
ESD（Electrostatic Discharge）耐量
ēŃċŜŀ部ä入力端子åhĜŜıŖsŔŏĴĬıä
ĭĐijsĩčēsIJÝåh構造上動作抵抗Â大úg高º
ĜĶĘĨá接続ËĂāÕ÷h高º ESD 耐量Â必要ݸāg
ESD 耐量Ĉ得āáåhĪĬŀĞčģä増大ÞºÙÕİŊ
本製品Ýåh .
œĬı¸āg図
節 Ý後述Ïā低º動作抵抗Ý高ºĞs
áēŃċŜŀ部á使用Íܺā p 形
ġđĶŔėsĈ吸収ÝÃā VZD}Vertical Zener Diode~
MOSFET Þ ESD 吸収用ä縦型ĺŘsĭĐijsĩčēs
á þ Āh30 kV 以 上}150 pF/2,000 Ω ~ ä ESD 耐 量 Ĉ 確
IJ}VZD~ä断面構造図Ĉ示Ïg本ŀŖĤĢÝå表面Á
保Íܺāg
ÿ深º n 領域}n−VZD~Ĉ n ďĐŔä拡散Þ同時á行ºh
高濃度ä p 基板近ÅôÝ拡散ÍܺāgÉĂáþĀh動
.
端子オープン時の出力オフ機能
冗長設計ÞÍÜhēŃċŜŀä入力端子部áŀŔĩďŜ
作抵抗Ĉ下ÈÜhċĹŒŜĠĐ開始電圧áÀºÜ pn 接合
ä空乏層Ĉ p 基板側á広ÈhœsĪĢŔs状態Ý耐圧Ĉ
⑴
抵抗Ĉ内蔵ÏāÉÞáþĀh端子ÂēsŀŜÞàÙÕ場合
確保Íܺāg
áh確実á出力ĈēľËÑā機能Ĉ内蔵ÍÕg
.
.
過電流保護機能
ハイサイド IPS 部
富士電機Ýå従来Áÿ縦型ä MOSFET Ĉ出力段ÞÏā
出力段 MOSFET á過大à電流Â流ĂÕ場合áhĠĢį
IPS Ĉ供給ÍÜÃÕg今回h従来 IPS äĪĬŀĞčģä
ʼnh負荷h素子自身Ĉ保護ÏāÕ÷ä過電流保護機能Ĉ搭
約 40 % Ĉ占÷ā出力段 MOSFET áhēŜ抵抗ä低減Â
416（ 60 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
リニア制御用 IPS ｢F5064H｣
「F5064H」の電気的特性（T c＝25 ℃）
表
（1）オペアンプ部
記 号
条 件
単 位
最 小
標準値
最 大
DC ゲイン
Avo
80
─
─
dB
GB 積
GBP
500
─
─
kHz
位相余裕
θm
─
45
─
deg
オフセット電圧
V os
−4
─
4
mV
オフセットドリフト
TC
− 40 ∼＋150 ℃
─
─
10
µV/℃
出力電圧範囲（高）
V oh
負荷 100 k Ω
4.8
─
V DD5
V
出力電圧範囲（低）
V ol
負荷 100 k Ω
V GNDs
─
0.174
V
立上りスルーレート
SR ＋
0.4
─
1.5
V/µs
立下りスルーレート
SR −
0.2
─
1.0
V/µs
IDO
─
─
500
µA
消費電流
（2）ハイサイド IPS 部
定 格
項 目
記 号
動作電源電圧
静止電源電流
条 件
単 位
最 小
最 大
5
28
V
VB
T j ＝− 40 ∼ +150 ℃
IB
V B ＝ 13 V，R L ＝ 10 Ω，V IN ＝ 0 V
─
3
mA
V IN(H)
V B ＝ 13 V
3.5
─
V
入力しきい値電圧
入力電流
V IN(L)
V B ＝ 13 V
─
1.5
V
I IN(H)
V B ＝ 13 V，V IN ＝ 5 V
10
50
µA
R DS(on)1
V B ＝ 5 ∼ 6 V，I L ＝ 1.25 A
T j ＝− 40 ∼＋150 ℃
─
0.5
Ω
R DS(on)2
V B ＝ 6 ∼ 28 V，I L ＝ 1.25 A
─
0.12
Ω
オン抵抗
出力リーク
I OL
V B ＝ 13 V
─
0.5
mA
過電流検出
I OC
V B ＝ 13 V
3
6
A
過熱検出
T trip
V B ＝ 13 V
150
200
℃
過電圧検出
V OV
─
28
33
V
ターンオン時間
t on
V B ＝ 13 V，R L ＝ 10 Ω
─
120
µs
ターンオフ時間
t off
V B ＝ 13 V，R L ＝ 10 Ω
─
40
µs
負荷クランプ電圧
V clamp
V B ＝ 13 V，I L ＝ 1.25 A
V IN ＝ 5 V，L ＝ 10 mH
−（50 − VB）
−（60 − VB）
V
負荷開放検出
R LOPEN
V B ＝ 13 V，V IN ＝ 0 V
6
36
kΩ
表
「F5064H」の論理表
IN
ST
OUT
備考
L
H
Open
L
H
L
L
H
L
─
負荷開放検出
L
H
H
自己復帰
過電流検出
L
H
L
L
L
L
出力発振モード
自己復帰
L
H
L
H
L
L
L
H
L
L
L
L
正常動作
過熱検出
過電圧検出
V IN（5 V/div）
条件：V CC＝13 V，
V IN＝5 V，
n チャネル MOSFET 負荷使用
V ST（5 V/div）
500 s/div
自己復帰
I OUT（5 A/div）
自己復帰
可能à擬平面接合}QPJkQuasi Plane Junction~Þº¼
⑵
ďĐsĸŀŖĤĢ技術Ĉ適用ÍܺāgËÿáh回路部á
図
「F5064H」が過電流検出から出力発振モードに至るまで
の動作波形
⑶
å 1.5 μm ŔsŔä自己分離技術Ĉ適用ÍhĪĬŀĞčģ
ä低減Ĉ行ÙÕäÝ紹介Ïāg
図
á F5064H Þ従来 IPS äh出力段ĺŘs MOSFET
á使用Íܺā縦型İĹčĢ VDMOSFET}Vertical Diffused MOSFET~ä断面構造Ĉ示Ïg富士電機Ýåhē
417（ 61 ）
特 集
定 格
項 目
富士時報 Vol.83 No.6 2010
リニア制御用 IPS ｢F5064H｣
低耐圧 p 形 MOSFET
縦型パワーツェナーダイオード
ドレイン ソース
アノード
特 集
p+
p+
n+
低耐圧 n チャネル MOSＦＥＴ
ドレイン
ソース
ドレイン
ソース
（バックゲート）
（バックゲート）
n ツェナー
n ウェル
n ウェル
リーチスルー *
低耐圧 p チャネル MOSＦＥＴ
n+
n-VZD
n+
p+
p+
p ウェル
p ツェナー
p ツェナー
p+ エピタキシャル層
n+ 基板
VDMOSドレイン（= 電源接続）
グランド
＊ リーチスルー：実線と破線が重なること
中耐圧 n チャネル MOSＦＥＴ
ドレイン
中耐圧 p チャネル MOSＦＥＴ
ソース
（バックゲート）
低耐圧 p 形 MOSFET および VZD の断面構造
n+
n+
ドレイン
p+
ソース
ゲート
n オフセット
ソース
n+ p+ n+
n+ p+ n+
n+ p+ n+
p チャネル
p チャネル
p チャネル
ソース
（バックゲート）
p+
p ウェル
ゲート
ソース
n+
n−エピタキシャル層
p 基板
図
p+
p+
n+
p ウェル
n−エピタキシャル層
p ツェナー
n+ 基板
VDMOSドレイン（= 電源接続）
n−エピタキシャル層
図
n+基板
主な回路用デバイスの断面構造
ドレイン
0.5
（a）本設計ＶＤＭＯＳＦＥＴ
p+
n+
p チャネル
n+
6.1
n+
⑪
ソース
4.4
n+
⑳
ゲート
ソース
p+
n−エピタキシャル層
①
n+基板
⑩
0.8
0.35
0.15
ドレイン
（b）従来設計ＶＤＭＯＳＦＥＴ
7.85
図
出力段用 VDMOSFET の断面構造
Ŝ 抵 抗 Ĉ 改 善 Ï ā Õ ÷ áh100 V 以 上 ä 高 耐 圧 ĺ Ř s
端子番号
端子名
端子番号
① ②
OUT
⑧
S+
③ ⑯∼⑳
VB
⑨
S−
④
IN
⑬
FB
⑤
ST
⑭
VDD5
⑥
GNDh
⑮
NC
⑦ ⑩∼⑫
GNDs
MOSFET 向ÇáhQPJ 技術Ĉ確立Íܺāg今回hÉä
端子名
（単位：mm）
QPJ 技術Ĉ耐圧 60 V ä VDMOSFET áø適用ÝÃāþ¼
á改良Ĉ加¾āÉÞÝhF5064H ä低ēŜ抵抗化Ĉ実現Í
図
「F5064H」SSOP-20 パッケージ
Õg
QPJ ä特徴åh従来þĀø p ĪŌĶŔĈ低濃度Ý浅Å
間隔Ĉ狭÷Ü配置ÏāÉÞÝ平面á近º接合面ÞàĀh表
面Ýä電界強度Ĉ緩和Í耐圧Ĉ確保Ïā点ݸāgÉĂá
パッケージ
þĀhēŜ抵抗Þ耐圧ÞäıŕsIJēľÂ改善ÝÃh従来
Þ同等ä耐圧Ĉ確保ÍÕôôhRonjA}単位面積当ÕĀ
äēŜ抵抗~Ĉ 25 % 低減Íh低ēŜ抵抗化Ĉ実現ÍÕg
図
á回路部ä要素İĹčĢä一例Ĉ示Ïg要素İĹč
ĺĬĚsġáåh図
á示Ï SSOP-20 ĺĬĚsġĈ採
用ÍÕgċďĨsœsIJäåĉÖ÷ÙÃáåh鉛ľœsä
SnAg ÷ÙÃĈ用ºÜºāg
Ģáåh1.5 μm ŔsŔĈ適用ÏāÞÞøáh60 V 系中耐
圧 n ĪŌĶŔ MOSFET áåĩĿŔ RESURF}REduced
あとがき
SURface Field~構造Ĉ採用Íܺāg本İĹčĢåh従
来Þ比ï約 50 % ä小型化Ĉ実現ÍÕg
本稿ÝåhœĴċ制御á必要à高精度電流検出用ēŃ
ċŜŀĈ IPS á内蔵ÏāÉÞÝh高ºœĴċ制御精度Þ
418（ 62 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
リニア制御用 IPS ｢F5064H｣
ECU ä小型化á貢献ÝÃāœĴċ制御用 IPS Ĉ紹介ÍÕg
岩水 守生
半導体İĹčĢä開発á従事g現在h富士電機Ġ
ܺÅ所存ݸāg
Ģįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
İČĢĘœsıjIC 技術部g
参考文献
⑴ 熊谷直樹ñÁ. 自動車用自己分離型統合ĺŘs IC技術. 富
士時報. 2003, vol.76, no.10, p.622-625.
⑵ 徳西弘之ñÁ. ĺŘs MOSFET ｢SuperFAP-GĠœsģ｣
ÞÓä適用効果. 富士時報. 2002, vol.75, no.10, p.593-597.
⑶ 岩田英樹ñÁ. čŜįœġĐŜıĺŘs MOSFET. 富士時
岩田 英樹
半導体İĹčĢä開発á従事g現在h富士電機Ġ
Ģįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
İČĢĘœsıjIC 技術部g
報. 2008, vol.81, no.6, p.410-414.
岩本 基光
CMOS IC ä開発á従事g現在h富士電機ĠĢįʼn
ģ株式会社半導体事業本部半導体開発ĤŜĨsİ
ĹčĢ開発部g
419（ 63 ）
特 集
今後富士電機ÝåhËôÌôà用途á対応ÝÃā IPS ä
系列拡大ÞhËÿàā低ēŜ抵抗化îä技術確立Ĉ推進Í
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 6 世代小型圧力センサ
特 集
[O.LULYH[PVU:THSS7YLZZ\YL:LUZVY
西川 睦雄4\[Z\V5PZOPRH^H
松下 浩二2V\QP4H[Z\ZOP[H
斉藤 和典2Ha\UVYP:HP[V\
自動車ä環境á与¾ā影響Â少àÅàāþ¼áhđŜġŜŇĶġŊŜıĈ高精度化j高効率化ÏāÕ÷áåh圧力ĤŜ
ĞÂ重要àĖsİĹčĢä一ÚÞàāg富士電機åhİġĨŔıœňŜę型ä第 6 世代小型圧力ĤŜĞĈ開発ÍÕg異方
性đĬĪŜę技術Ý高精度äĩčōľŒʼn加工Ĉ行ºhĤŜĞ部ä面積Ĉ削減ÍÕgËÿáhİğčŜŔsŔĈ見直ÍÜ
回路部Àþé保護素子Ĉ縮小化ÍÕgÉĂáþĀh第 5 世代ݸā従来ä量産品Þ同等ä機能h性能}検出精度~
hEMC
}Electro Magnetic Compatibility~保護性能Ĉ維持ÍàÂÿhĪĬŀ面積Ĉ 70 % á縮小ÍÕg
A pressure sensor is a critical device for improving the precision and efficiency of engine management in order to reduce the environmental impact of cars. Fuji Electric has developed a 6th generation small-size digital trimming-type pressure sensor. High precision diaphragm
processing is implemented using an anisotropic etching technique and the area of the sensor unit is reduced. Additionally, the design rules
were revised, and as a result, the sizes of the circuitry and protective devices were reduced. Accordingly, the chip area was reduced by 70 %
while maintaining the equivalent functions, precision and EMC protection as conventional 5th generation products.
まえがき
吸気管圧力検出用
（10 ∼ 120 kPa）
自動車産業ä{環境|îä取組õåh欧州h米国h日本h
ターボ圧検出用
（10 ∼ 400 kPa）
ċġċàß全世界的à規制強化ÞÞøá精力的á行ąĂÜ
排ガス再循環
システム用（EGR）
（300 ∼ 600 kPa）
ºāgÉĂÿä規制á対応ÏāÕ÷hĸčĿœĬIJ車ú電
気自動車àßä電気車両化á向ÇÕ開発Â進÷ÿĂܺ
āg一方h従来方式ݸāĕĦœŜđŜġŜ車úİČsĥ
ŔđŜġŜ車áÀºÜøh空気Þ燃料Þä混合比ĈþĀ緻
エア
フィルタ
ボックス
密}×õÚ~á制御ÍÜ燃費ä向上Ĉ図ÙÜ高効率化Ïā
ÉÞúh排ĕĢĈþĀĘœsŜáÏāÕ÷ä技術開発Â一
段Þ加速Íܺāg
圧力ĤŜĞåhđŜġŜä高効率化úĘœsŜ化ÞºÙ
ÕđŜġŜŇĶġŊŜıĈÚÁËßāĖsİĹčĢä一Ú
ÞÍÜ用ºÿĂhÓä重要性å年々高ôÙÜÃܺāg
富 士 電 機 åh1984 年 á 自 動 車 用 圧 力 Ĥ Ŝ Ğ ä 量 産 Ĉ
開始ÍÕgÓĂ以来h厳ͺ環境性能îä信頼性h検出
エアフィルタボックス
目詰まり検出用
（10 ∼ 120 kPa）
精度äĴsģä変化á対ÍÜh独自ä高º信頼性ä回路
技 術 À þ é 高 度 à MEMS}Micro Eelectro Mechanical
目詰まり検出用
高地圧力補正用
（DPF）
（60 ∼ 120 kPa）
（100 ∼ 300 kPa）
カーエアコン冷媒圧制御用
トランスミッション用油圧
0 ∼ 3.0 MPa gauge
0 ∼ 5.0 MPa gauge
ブレーキ圧・パワーステアリング用油圧
2 ∼ 10 MPa gauge
Systems~技術Ĉ提案ÏāÉÞÝ国内外ä自動車Àþé
二輪車á採用ËĂܺāg2007 年Áÿåh第 5 世代Þà
ā CMOS}Complementary Metal Oxide Semiconductor~
ŀŖĤĢáþāİġĨŔıœňŜę型圧力ĤŜĞĈ量産Í
ܺāg
本稿Ýåh既á量産展開Íܺā第 5 世代İġĨŔı
œňŜę型圧力ĤŜĞá対ÍÜh機能h性能}検出精度~
h
タイヤ空気圧検出用
（TPMS）
（１５０∼ 1,000ｋPa）
EMC}Electro Magnetic Compatibility~保護性能Ĉ維持
ÍàÂÿø小型化Ĉ図ÙÕİġĨŔıœňŜę型ä第 6 世
代小型圧力ĤŜĞĈ紹介Ïāg
図
420（ 64 ）
燃料タンク圧
漏れ検出用
（FTPS）
（−6 ∼＋6 kPa gauge）
（60 ∼ 107 kPa）
自動車用圧力センサのアプリケーション
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 6 世代小型圧力センサ
āg
⑴
ÓäñÁhđċĜŜ冷媒圧制御用ÞÍÜhôÕıŒŜĢ
圧力センサの自動車用アプリケーション
図 1 áh自動車ä圧力ĤŜĞäċŀœĚsĠŐŜĈ示
ÏgđŜġŜä燃費向上äÕ÷áh燃料噴射ĠĢįʼnå電
å高ôÙÜÃܺāg自動車á用ºÿĂā圧力ĤŜĞåh
Éäþ¼á用途Þ需要Â急速á拡大Íܺāg
子制御化Â進ĉݺāgÉä電子燃料噴射ĠĢįʼn用áåh
吸 気 圧 Ĉ 測 定 Ï ā MAP}Manifold Absolute Pressure
圧力センサの技術変遷
sensor~Àþé温度検出機能付Ãä TMAP}Temperature
Manifold Absolute Pressure sensor~Ĉ用ºÜºāgÉä
電子燃料噴射ĠĢįʼnåh現在Ýå二輪車áø普及Í始÷
図
áh富士電機ä圧力ĤŜĞä技術変遷Ĉ示Ïg1984
年á自動車用äđŜġŜ制御Ĉ主体ÞÍÕ第 1 世代ä圧力
ÜÀĀh小型化ä要求Â強ÅàÙÜÃܺāgôÕh自動
ĤŜĞĈhĹčņsŒáþā増幅回路技術ÀþéĞsġ耐
車Â高地Ĉ走行ÍÜø燃費Â悪化Íàºþ¼áÏāÕ÷ä
性Ĉ生ÁÍÜ製品化Ĉ開始ÍÕg
⑵
高度補正用ä大気圧ĤŜĞúh吸気系đċľČŔĨŅĬĘ
Óä後h第 2h第 3 世代ÝåŘŜĪĬŀ化h薄膜ıœň
Ģä目詰ôĀĈ検出ÏāÕ÷ä圧力ĤŜĞh排ĕĢĈ再利
Ŝę化}ĪĬŀ上ä薄膜抵抗ĈŕsğÝıœňŜęÏā方
用ÏāĨsŅĠĢįʼnÝ使ąĂāĨsŅ用圧力ĤŜĞú
式~Ĉ採用ÍÕg
⑶h⑷
EGR}Exhaust Gas Recirculation~用ĤŜĞÞh燃費ä向
第 4 世代Ýåh世界初ä CMOS ŀŖĤĢáþā 1 ĪĬ
上Ĉ目的áÍÕ圧力ĤŜĞÂ非常á多Åä場所Ý用ºÿĂ
ŀİġĨŔıœňŜę型ä自動車用圧力ĤŜĞĈ量産化Í
ܺāg
Õg
⑸
Ëÿáh日本äņĢı新長期規制}2009 年~ú欧州Ý
第 5 世代Ýåh小型化Àþé高信頼性ä要求á応¾āÕ
ä Euro5}2009 年~
hEuro6}2014 年~á代表ËĂā排ĕ
÷h第 4 世代ä基本ĜŜĤŀıݸā{All in one chip|
Ģ規制ä強化á対応ÏāøäÞÍÜhDPF}Diesel Par-
Ĉ継承Íh小型化Ĉ図ÙÕg
ticulate Filter~ä目詰ôĀ検出用ä圧力ĤŜĞÂ挙Èÿ
Ăāg
第
世代小型圧力センサの特徴
安全面ä規制á対応Ïā圧力ĤŜĞÞÍÜh欧米j韓
国Ýä燃料漏Ă検出用äĨŜĘ圧ĤŜĞ}FTPSkFuel
Tank Pressure Sensor~ úh 米 国 ｢TREAD 法}Trans-
図
áh今回開発ÍÕ第 6 世代小型圧力ĤŜĞÞh従来
品ä第 5 世代圧力ĤŜĞÞä外観Ĉ示Ïg
portation Recall Enhancement Accountability and Docu-
第 6 世代小型圧力ĤŜĞåhĪĬŀ各部ä最適化ú限界
ment Act~
｣ 成立á伴¼hĨčō圧不足Ĉ監視Ïā装置
設計Ĉ行ÙÜh第 5 世代圧力Þ同等ä機能Þ性能Ĉ維持Í
}TPMSkTire Pressure Monitoring System~Â挙ÈÿĂ
àÂÿøhĪĬŀ面積Ĉ 70 % á縮小ÍÕÉÞÂ最大ä特
センサ技術
1990
1985
第 1 世代
IC プロセス
第 2 世代
2000
第 3 世代
バイポーラプロセス
厚膜抵抗トリミング
トリミング
チップ搭載機能
1995
2005
第 4 世代
2010
第 5 世代
第 6 世代
CMOS プロセス
チップ上薄膜抵抗
レーザトリミング
2015
第 7 世代
⇒大口径化
CMOS デジタルトリミング
垂直エッチング
ダイヤフラム（等方性エッチング）
ゲージ（ピエゾ抵抗）
Si と Si 台座の
AuSn はんだ接合
MEMS 技術
機械的機能
電気的機能
Si とガラスによる
真空基準室（チップ接合）
Si とガラスによる
真空基準室（ウェーハ接合）
バイポーラアンプ
CMOS アンプ
薄膜抵抗
EPROM＋D/A 回路
EMC 保護素子
高精度 CMOS アンプ
高密度
EMC 保護素子
温度センサ
排ガス対応
図
富士電機の圧力センサの技術変遷
421（ 65 ）
特 集
ňĬĠŐŜàßä油圧制御用ÞÍÜøh圧力ĤŜĞä需要
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 6 世代小型圧力センサ
応力ä影響Â及ìäÝh例¾æċijŖę回路àßäĤŜĞ
徴ݸāg
部以外äİĹčĢĈ配置ÏāÉÞÂÝÃàº領域Â広ÁÙ
ÕgÚôĀh集積化ú小型化á当ÕÙÜä制約Â生Îܺ
ġĨŔjċijŖęjDA ĜŜĹsĨ~
|
{保護素子設計|ä
Õg
Éä制約Ĉ解決ÏāÕ÷á第 6 世代小型圧力ĤŜĞÝåh
3 項目Ĉ紹介Ïāg
図
.
ダイヤフラム設計
図
á分布Ïā形áÍÕgÉĂáþĀh回路領域側ôÝ及ĉÝ
ºÕ機械的応力ĈĩčōľŒʼn部ä極近傍á集約Íh回路
限要素法解析Ĉ用ºÜ設計Ĉ行ÙÕg
áÓä一例Ĉ示Ïg第 5 世代ôÝä圧力ĤŜĞÝåh
図
⒝äþ¼á垂直á近º断面ĈøÚĩčōľŒʼn形状Ĉ
採用Íh発生Ïā機械的応力äĽsĘĈþĀ鋭Åh局所的
ĤŜĞ部ÞàāĩčōľŒʼnä最適化á当ÕÙÜåh有
⒜äþ¼áċsĪ状äĩčōľŒʼn形状Ĉ採用ÍÜ
領域側äİĹčĢ配置可能領域Ĉ広ÈÕgÉäþ¼áh断
面形状Ĉ変更ÏāÉÞáþĀhĤŜĞ感度Ĉ維持ÍàÂÿ
ºÕgÉä形状åĩčōľŒʼná圧力Â加ąÙÜø機械的
応力}ęŒľä線~å緩úÁà分布Ĉ持×h局所的á集中
ÍàºÞº¼特徴¸ÙÕgÉäÕ÷h加ąÙÕ圧力á対
第 5 世代
ÍÜ非常á強靱}Ãý¼Îĉ~à機械特性Â得ÿĂā反面h
第 6 世代
（a）第 6 世代
図
（b）第 5 世代
圧力センサの外観
図
ダイヤフラム断面形状の比較
10
25
センサ領域
第６世代
回路領域
15
非直線性（mV）
発生応力（MPa）
20
発生応力
10
ダイヤフラム
断面モデル
5
0
−10
第５世代
−20
0
：サンプル評価の結果
−5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
−30
18
1.8
チップ中心からの距離（mm）
図
25
センサ領域縮小
20
22
24
26
28
30
32
ダイヤフラム厚さ（ m ）
（a）第 5 世代チップ
センサ出力の非直線性
回路領域
20
発生応力（MPa）
特 集
次áh第 6 世代小型圧力ĤŜĞá採用Íܺā最適化設
計ä具体例ÞÍÜh
{ĩčōľŒʼn設計|
{IC 部設計}İ
発生応力
（第 5 世代よりピークが
先鋭・局所的）
15
10
トリミング
回路部
ダイヤフラム
断面モデル
5
0
−5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
温度
検出部
1.8
チップ中心からの距離（mm）
DAC 部
感度・ゼロ点
感度調整
回路
EMC
遮断回路
VCC
DAC 部
温度検出
感度温度特性
ゼロ点温度
特性
センサ部
増幅回路
VOUT
ゼロ点調整
回路
（b）第 6 世代チップ
図
有限要素法解析によるダイヤフラム設計例
422（ 66 ）
図
第６世代小型圧力センサの回路ブロック図
GND
富士時報 Vol.83 No.6 2010
第 6 世代小型圧力センサ
ĩčōľŒʼn面積Ĉ第 5 世代ä約 60 % á縮小ÏāÉÞÂ
MOS ıŒŜġĢĨàßäİĹčĢĞčģä縮小å行ąÐh
ÝÃÕg
İĹčĢ配置ä最適化äõáÞß÷Õg
世代圧力ĤŜĞÝå等方性đĬĪŜę技術Ĉ採用ÍܺÕ
小ÏāÉÞÂÝÃÕgËÿáh表
Âh第 6 世代小型圧力ĤŜĞÝå異方性đĬĪŜę技術Ĉ
Þ同等ä機能h性能hıœňŜę精度Ĉ確保ÝÃܺāg
á示Ïþ¼á第 5 世代
採用ÍÜ垂直á近º断面形状Ĉ実現Íܺāg独自á確立
ÍÕŀŖĤĢ条件áþÙÜhđĬĪŜę量á対ÍÜ ＋
−2 %
以内ä高º面内均一性Ĉ実現ÍhĤŜĞ検出感度æÿÚÃ
保護素子設計
第 6 世代小型圧力ĤŜĞÝåh保護素子áÀºÜø徹底
ÍÕİğčŜŔsŔä見直ÍÞ微細化Ĉ図ÙÕg第 5 世代
Ĉ低減Íܺāg
áĤŜĞ試作結果ä一例ÞÍÜh非直線性äęŒľ
図
.
á比ïÜ面積Ĉ約 80 % á縮小ÍàÂÿøh第 5 世代Þ同
Ĉ示Ïg非直線性Þå入力}圧力~á対Ïā出力}電圧~
等ä耐Ğsġ性能j耐ķčģ性能Ĉ実現Íܺāg具体的
ä直線Áÿä乖離}ÁºĀ~量Ĉ示Ï項目ݸĀh値 0
áå表
á示ÏÞÀĀݸāg例¾æ ESD}Electrostatic
á近ÇĂæ近ºñß直線的Ïàą×理想的ݸāÉÞĈ示
Dischargek静電気放電~äŇĠŜŋİŔ}0 Ω/200 pF~
Ïg
áÜ＋
−600 V 以上ä耐量Ĉ確保Ïāàßh自動車用ÞÍÜ
第 6 世代小型圧力ĤŜĞÝåh断面形状ä変更á加¾h
ĩčōľŒʼnä径ú厚ËhĤŜĠŜę抵抗ä位置àßáÚ
ºÜ最適化Ĉ図ÙܺāgÓä結果h図
最高水準ä各種耐Ğsġ性能ú耐ķčģ性能ĈĪĬŀ単体
Ý実現Íܺāg
á示Ïþ¼áĩ
čōľŒʼn厚Ëä全域áÀºÜ第 5 世代þĀø非直線性ä
あとがき
改善Â図Ăܺāg
本稿Ýåh第 6 世代小型圧力ĤŜĞä概要Þ特徴áÚº
.
回路部設計
Ü説明ÍÕg国内外á広Å製品展開Ĉ行ÙܺÅá当ÕĀh
第 6 世代小型圧力ĤŜĞä回路ĿŖĬĘĈ図
á示Ïg
圧力ĤŜĞáåh地球温暖化ĈĖsŘsIJáÍÕ環境性能
本構成å第 4 世代Áÿ踏襲Íܺā構成ݸĀh機能å削
ú製品性能ä向上á対Ïā厳ͺ要求ÂhôÏôÏ加速Í
減Íܺàºg回路部äĞčģä縮小á当ÕÙÜåh第 5
ܺÅÉÞÂ予想ËĂāg今後øÉä市場要求á応¾h市
世代Ý培ÙÕ実績Ĉ基áhþĀ精細Ý高集積化Ĉ図āÕ÷h
場Áÿ必要ÞËĂ続Çā製品開発Ĉ行ÙܺÅ所存ݸāg
車載ĤŜĞ用İğčŜŔsŔĈ見直ÍÕg
àÀh出力精度á直結ÏāċijŖę部h特á信号増幅回
路ú感度調整回路hĥŖ点調整回路内äēŃċŜŀÝåh
参考文献
⑴ 斉藤和典. ｢車載用MEMSä最前線徹底検証｣. 電子ġŌs
ijŔ. 2010, p.99-119.
表
⑵ 三浦俊二, 酒井利明. 半導体圧力ĤŜĞ. 富士時報. 1988,
圧力センサの主要性能比較
vol.61, no.8, p.537-541.
項目
第 6 世代
第 5 世代
チップサイズ（面積比）
70%
100%
ダイヤフラムサイズ（面積比）
60%
100%
検出圧力レンジ
60 ∼ 500 kPa
定格圧力
圧力レンジ× 3 倍
電源電圧
5 ± 0.25 V
出力電圧（電源電圧 5 V 時）
0.5 ∼ 4.5 V
出力電圧精度（25 ℃時 /125 ℃時）
非直線性
（ダイヤフラム厚 30 µm，25 ℃時）
シンク・ソース能力
⑶ 加藤和之ñÁ. ŘŜĪĬŀ集積形圧力ĤŜĞ. 富士時報.
1992, vol.65, no.3, p.186-189.
⑷ 加藤和之, 篠田茂. EMI対策内蔵型圧力ĤŜĞ. 富士時報.
2000, vol.73, no.8, p.466-468.
⑸ 上柳勝道ñÁ. 自動車用圧力ĤŜĞ. 富士時報. 2003, vol.76,
no.10, p.616-618.
1%FS/1.5%FS
− 2.5 mV
（typ）
− 5 mV
（typ）
シンク 1 mA
ソース 0.1 mA
ESD（外部インタフェース端子）
MM（0 Ω，200 pF）
± 1 kV 以上
HBM（1.5 Ω，100 pF）
± 8 kV 以上
ISO 7637（Pulse1，2，3a，3b）
インパルス
ラッチアップ（電流注入法）
EMS（G-TEM）
（100 V/m ）
LEVEL-IV クリア
± 1 kV 以上
西川 睦雄
± 500 mA 以上
半導体圧力ĤŜĞä設計j開発á従事g現在h富
変動：1%FS 以下
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部İČĢĘœsıjIC 技術部g
過電圧（VCC-GND 間）
逆接（VCC-GND 間）
16.5 V（max）
0.3 A（max）
423（ 67 ）
特 集
Óä結果h第 5 世代á比ïÜ回路部面積Ĉ約 80 % á縮
á実際äĩčōľŒʼn断面形状ä比較Ĉ示Ïg第 5
図
富士時報 Vol.83 No.6 2010
松下 浩二
第 6 世代小型圧力センサ
斉藤 和典
特 集
ŇčĘŖŇĠĴŜęŀŖĤĢ開発á従事g現在h
半導体圧力ĤŜĞä設計j開発á従事g現在h富
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社技術開発本部計測技
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
術ĤŜĨsĤŜĞİĹčĢ開発部g
統括部İČĢĘœsıjIC 技術部ŇĶsġŌsg
電気学会会員g
424（ 68 ）
富士時報 Vol.83 No.6 2010
解 説
解 説
解説
３レベルインバータ技術
素子á印加ËĂā電圧Âh常á直流電圧 Ed ä半分ä電圧
3 ŕłŔčŜĹsĨá代表ËĂāŇŔĪŕłŔĨčŀä
čŜĹsĨåh一般的à 2 ŕłŔčŜĹsĨá対ÍÜ多Å
NPC 方 式 á 対 Í Ü A-NPC}Advanced-NPC~ 方 式 åh
á示Ïþ¼áh2 ŕłŔč
ŜĹsĨä変換器出力部ä電圧波形åhĥŖ点Ĉ中心Þ
回路Â簡素化ÝÃāÉÞúh電流ä通過素子数Â少àºÉ
ÍÕ＋
−Ed ä PWM}Pulse Width Modulationk ĺ Ŕ Ģ 幅
ÞÁÿ低損失化Â実現ÝÃāŊœĬıĈ持ÚÂh現在ôÝ
変調~ĺŔĢݸāäá対Íh3 ŕłŔčŜĹsĨåhĥ
ñÞĉß実用化ËĂÜÉàÁÙÕgÓä理由ÞÍÜ中間電
Ŗ点Ĉ中心ÞÍÕ＋
−Ed/2 Þ＋
−Ed Þä PWM ĺŔĢÞàāg
位点á結線ËĂā回路áå双方向性äĢčĬĪ素子Â必要
Óä結果h3 ŕłŔčŜĹsĨä方ÂþĀ正弦波á近º波
ݸāÉÞÂ挙ÈÿĂāgÉĂĈ一般的à IGBT}Insulat-
形ÞàĀh出力波形Ĉ正弦波化ÏāÕ÷ä LC ľČŔĨĈ
ed Gate Bipolar Transistor~ÞĩčēsIJÝ実現Íþ¼
小型化ÏāÉÞÂÝÃāgôÕh1 回äĢčĬĪ動作当Õ
ÞÏāÞh中間電位点á結線ËĂā回路á流Ăā電流ä通
Āä電圧変動幅Â 2 ŕłŔčŜĹsĨä 1/2 ÞàāÕ÷h
過素子数å 2 個ÞàĀh導通損失ä点Ý NPC 方式Þ大差
ĢčĬĪ素子á発生ÏāĢčĬĪŜę損失ÂÀÀöã半減
ÂàºÉÞáàāgËÿáh配線čŜĩĘĨŜĢä影響Ý
化ÍhËÿá装置Áÿ発生Ïāķčģø低減ÏāgÉĂÿ
ĢčĬĪŜę時á高ºĞsġ電圧Â発生Ïāàßh配線方
ä特徴Ĉ持Ú 3 ŕłŔčŜĹsĨåĠĢįʼnä小型化ú
法úĢijĹ回路áø課題¸ÙÕg
今回h中間電位点á結線ËĂā回路á富士電機独自ä技
高効率化Ĉ実現Ïā有効à方式ݸāg
多種多様ä 3 ŕłŔčŜĹsĨä中Ýh 図
術ݸā RB-IGBT}Reverse-Blocking IGBT~Ĉ適用Íh
á示Ï直
流電源ä中間電位点}N~á結線ËĂܺā方式Ĉ NPC
Ëÿá A-NPC 方式専用äŋġŎsŔĈ開発ÍÕÉÞÝ上
}Neutral-Point-Clamped~方式Þ呼ìgÉĂåĢčĬĪ
述ä課題Ĉ解決ÍhA-NPC 方式ä実用化Ĉ可能áÍÕg
3 レベルインバータ
2 レベルインバータ
A-NPC 方式
NPC 方式
変換器
変換器
変換器
LC フィルタ
L
L
L
Ed
Ed
Ed
N
C
フィルタ出力
N
U
C
C
出力線間電圧波形
出力線間電圧波形
Ed
LC フィルタ
LC フィルタ
E d /2
フィルタ出力
E d /2
変換器出力
変換器出力
図１ ２レベルインバータと３レベルインバータの回路および電圧波形比較
425（ 69 ）
解 説
äŊœĬıĈ持Úg例¾æ図
áĘŒŜŀËĂāÉÞá由来Ïāg
富士時報
Vol.83 No.6 2010
略語（本号で使った主な略語）
A-NPC
Advanced-NPC
BiCMOS
Bipolar CMOS
CMOS
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
相補形 MOS
CTI
Comparative Tracking Index
比較ıŒĬĖŜę指数
CVT
Continuously Variable Transmission
DCB
Direct Copper Bonding
DPF
Diesel Particulate Filter
ECU
Electronic Control Unit
İČsĥŔ排気微粒子ľČŔĨ
略 語
EGR
Exhaust Gas Recirculation
排ĕĢ再循環
EMC
Electro Magnetic Compatibility
電磁両立性
ESD
Electrostatic Discharge
静電気放電
FEM
Finite Element Method
有限要素法
FTPS
Fuel Tank Pressure Sensor
燃料ĨŜĘ圧ĤŜĞ
FWD
Free Wheeling Diode
HVIC
High Voltage IC
高耐圧 IC
HVJT
High Voltage Junction Termination structure
高耐圧接合終端構造
HVNMOSFET
High Voltage n-MOSFET
ICT
Information and Communication Technology
IDC
Internet Data Center
IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
IPM
Intelligent Power Module
IPS
Intelligent Power Switch
MAP
Manifold Absolute Pressure sensor
MEMS
Micro Eelectro Mechanical Systems
微小電気機械ĠĢįʼn
MIS
Metal-Insulator-Semiconductor
金属−絶縁膜−半導体
MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
金属酸化膜半導体 電界効果ıŒŜġĢĨ
情報通信技術
絶縁ěsıĹčņsŒıŒŜġĢĨ
NPC
Neutral-Point-Clamped
PCB
Print Circuit Board
ŀœŜı基板
PFC
Power Factor Correction
力率改善
PIM
Power Integrated Module
PWM
Pulse Width Modulation
QPJ
Quasi Plane Junction
ĺŔĢ幅変調
擬平面接合
RB-IGBT
Reverse-Blocking IGBT
逆阻止 IGBT
RESURF
REduced SURface Field
表面電界緩和
SJ-MOSFET
Superjunction MOSFET
TMAP
Temperature Manifold Absolute Pressure sensor
TPMS
Tire Pressure Monitoring System
UPS
Uninterruptible Power Supply
無停電電源装置
UVLO
Under Voltage Lock Out
低電圧誤動作防止
VDMOSFET
Vertical Double diffused MOSFET
縦型二重拡散型 MOSFET
VZD
Vertical Zener Diode
縦型ĭĐijsĩčēsIJ
426（ 70 ）
主要事業内容
エネルギーソリューション
再生可能エネルギーを利用して電気エネルギーを創る。電気エネルギーをスマートグリッドで賢くマネジメントする。こうした
エネルギーにかかわる最適なソリューションを，富士電機グループが培ってきた技術を駆使して地球社会にお届けします。
グリーンエネルギーソリューション ... 世界トップクラスの地熱発電設備や高い技術力を誇る火力発電設備などを通じて，
安全で安定したエネルギー供給を環境に配慮しながらグローバルに展開しています。
グリッドソリューション ...................... 太陽光発電，風力発電，電力安定化，エネルギー最適運用などのキーテクノロジー
をベースに，グリッドソリューション事業を展開しています。
環境ソリューション
産業・輸送・社会のインフラ構築で培ってきたグループのコア技術，人材，サービスのノウハウを結集し，パワーエレクトロニ
クス技術をベースにさまざまなシーンで低炭素社会に貢献するソリューションをお客様にお届けします。
産業ソリューション .............................. 受変電技術，エンジニアリング技術，パワーエレクトロニクス技術によって幅広
い産業や社会インフラ分野を支え，省エネに配慮した最適なソリューションサー
ビスをご提供します。
輸送ソリューション .............................. 鉄道や電気自動車，ハイブリッド車などの環境対応車関連などにパワー半導体，
インバータ ･ モータを組み込み，高効率化と省エネに貢献します。
社会ソリューション .............................. ビル，店舗，IDC（インターネットデータセンター）などの総合的な省エネソリュー
ションをご提供します。
デバイス・器具・自販機
さまざまな産業機器や環境対応車の環境負荷低減に貢献する半導体や，情報機器の記録媒体として活躍するディスク媒体，ソ
リューションを支えるコンポーネント器具，環境に配慮した自販機など，あらゆるシーンでお客様のお役に立つ製品をご提供し
ます。
半導体・感光体 ...................................... 主要製品［パワー IC/IGBT モジュール / パワーディスクリート / 複合デバイス /
圧力センサ / プリンタ・複写機用感光体 / 画像周辺機器］
ディスク媒体 .......................................... 主要製品［アルミ媒体 / ガラス媒体 / アルミ基板］
器 具 ..................................................... 主要製品［電磁開閉器 / 操作表示機器 / マニュアル ･ モータ ･ スタータ /
配線用遮断器 / 漏電遮断器 / 高圧真空遮断器 / 低圧 ･ 高圧ヒューズ /
ガス警報器 / エネルギー監視機器］
自販機 ..................................................... 主要製品［自動販売機 / 飲料ディスペンサ / 自動給茶機］
富 士 時 報
第
83
巻
第
6
号
平 成
平 成
22 年 10 月 30 日
22 年 11 月 10 日
印 刷
発 行
定価 735 円 （本体 700 円・送料別）
編集兼発行人
重
発
行
所
富士電機ńsŔİČŜęĢ株式会社
技術開発本部
〒141 - 0032 東 京 都 品 川 区 大 崎 一 丁 目 1 1 番 2 号
（ゲートシティ大崎イーストタワー）
編
集
室
富士ēľČĢ＆ŒčľĞsļĢ株式会社内
富士時報編集室
〒191-0065 東 京 都 日 野 市 旭 が 丘 一 丁 目 9 番 4 号
富士ēľČĢ＆ŒčľĞsļĢ株式会社
〒141 - 0032 東 京 都 品 川 区 大 崎 一 丁 目 1 1 番 2 号
（ゲートシティ大崎イーストタワー）
印
刷
所
兼
壽
夫
電 話（042）585 − 6965
FAX（042）585 − 6539
電 話（03）5435 − 7311
発
売
元
株
式
会
社 ē
s
ʼn
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
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＊本誌á掲載ËĂܺā論文Ĉ含÷h創刊ÁÿäċsĔčĿĢå下記 URL Ý利用ÝÃôÏg
富士時報}和文~
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富士時報 第 83 巻 第 6 号（通巻第 865 号） 2010 年 11 月 10 日発行
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雑誌コード 07797-11 定価 735 円（本体 700 円）