富士時報 Vol.79 No.5 2006 New Dual IGBT モジュール 小川 省吾（おがわ しょうご） 堀 元人（ほり もとひと） まえがき 外形寸法図を図 2 に，製品系列を表１に，最大定格・特性 を表 2 にそれぞれ示す。 汎用インバータや無停電電源装置（UPS）に代表される New Dual IGBT モジュールの特徴 電力変換機器は，常に高効率化・小型化・低価格化・低騒 音化が要求されている。電力変換用素子にも高性能化・低 価格化が求められている。電力変換用素子には，その低 コンセプト . 損失性，駆動回路の容易さ，さらに高破壊耐量から IGBT 現在，U4 シリーズ IGBT モジュール（以下，U4-IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor）が，現在最も普及し と略す）は，表 3 に示すように，耐圧 1,200 V に対して 50 ている。 〜 3,600 A という広範囲な電流容量および多彩なパッケー 富士電機では，1988 年の製品化以来，特性改善や信頼 ジが系列化されており，これにより，さまざまな電力変換 性の向上を進めてきた。 装置への適用が可能となっている。 また，近年，環境問題への対応から，エレクトロニク ス実装において従来の SnPb はんだの代替として鉛フリー 図 2 New Dual IGBT モジュールの外形寸法図 〈注 1〉 0.8 はんだの実用化（RoHS 規制への対応）が進められている。 このような背景から，電力変換用素子においても鉛フリー P のチップを用い，さらに鉛フリーはんだを適用し，欧州 62 22 50 AC N 本稿では，富士電機の最新技術を導入した U4 シリーズ 57.5 化が望まれている。 RoHS 規制に対応した New Dual IGBT モジュールを開発 94.5 したので紹介する。 回路構成 110 P 122 137 New Dual IGBT モジュールの系列・特性 150 AC φ4.5 φ2.6 T1 17 New Dual IGBT モジュールのパッケージ外観を図 1 に， 20.5 特 集 兼田 博利（かねだ ひろとし） T2 N 〈注 1〉RoHS：電気電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限 図 New Dual IGBT モジュールのパッケージ外観 表 New Dual IGBTモジュールの製品系列 型 式 定格電圧 (V) 2MBI225U 4N-120-50 2 in 1 2MBI300U 4N-120-50 2MBI450U 4N-120-50 354（ 10 ） 定格電流 (A) パッケージ サイズ (mm) パッケージ 型式 150×60 ×17 M254 225 1,200 300 450 兼田 博利 小川 省吾 堀 元人 IGBT モジュールの構造設計・開 パワー半導体デバイスの開発・設 パワー半導体モジュールの開発・ 計および応用技術開発に従事。現 設計・品質保証に従事。現在，富 発に従事。富士電機アドバンスト 在，富士日立パワーセミコンダク 士日立パワーセミコンダクタ株式 テクノロジー株式会社シミュレー タ株式会社松本事業所開発設計部。 会社松本事業所開発設計部チーム ション/熱解析技術部。日本伝熱 リーダー。 学会会員。 New Dual IGBT モジュール 富士時報 Vol.79 No.5 2006 この中で，今回開発した New Dual IGBT モジュール および質量の低減を実現し，電力変換装置の小型化に貢献 している（表 4 参照） 。 わった系列である。表 3 中の EconoPACK+（6 in 1）パッ 一方，6 in 1 パッケージでは，冷却フィンの放熱限界か ケージ（以下，6 in 1 パッケージと称す）は，従来の 2 in らモジュール中央部分に熱集中が発生し，その結果，チッ 1 パッケージで構成した場合に対して，大幅な面積，体積 プ温度の上昇を招き，デバイス適用条件（温度，キャリヤ 〈注 2〉 周波数）などに制限が必要な場合があった。この課題に対 して，今回開発した New Dual IGBT モジュールにて構成 〈注 2〉EconoPACK+：Eupec GmbH. Worstein の登録商標 表 最大定格・特性（代表型式：2MBI450U4N-120-50） （a）最大定格（指定なき場合は， T j ＝T c ＝25 ℃） 記 号 条 件 定 格 単 位 コレクタ‒エミッタ間電圧 V CES VGE ＝0 V 1,200 V ゲート‒エミッタ間電圧 V GES ±20 V 450 A 項 目 コレクタ電流 ー IC 連続 I c(pulse) 1 ms Tc = 80 ℃ Tc = 80 ℃ 900 A 2,080 W ー 150 ℃ ー −40∼＋125 ℃ コレクタ損失 Pc １素子 最大接合温度 T jmax Tstg 保存温度 （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 標 準 最 大 単 位 コレクタ遮断電流 I CES ー ー 3.0 mA ゲート‒エミッタ間漏れ電流 I CES VGE ＝±20 V，VCE = 0 V ー ー 600 nA ゲート‒エミッタ間しきい値電圧 コレクタ‒エミッタ間飽和電圧 入力容量 VGE ＝0 V，VCE =1,200 V 最 小 VGE（th） VCE = 20 V， I C = 450 mA 4.5 6.5 8.5 V VCE(sat)（端子間） I C = 450 A，VGE =15 V ー 2.40 2.55 V C ies VCE =10 V， VGE ＝0 V，f =１ MHz ー 50 ー ｎF ー 0.32 1.20 t on ターンオン時間 ターンオフ時間 tr VCC = 600 V， I C = 450 A， ー 0.10 0.60 t off VGE =±15 V，R G =1.1 Ω ー 0.41 1.00 tf s ー 0.07 0.30 順電圧降下 V F（端子間） I F = 450 A，VGE ＝0 V ー 2.10 2.25 V 逆回復時間 t rr I F = 450 A ー ー 0.35 s 記 号 試験条件 最 小 標 準 最 大 IGBT ー ー 0.06 FWD ー ー 0.10 （c）熱的特性 項 目 R th（j-c） 熱抵抗 表 単 位 ℃/W U4シリーズIGBTモジュールの系列 電圧 定格 パッケージ PIM I c定格 225 A 450 A 100 A 50 A 150 A 200 A 300 A 400 A 600 A 75 A (11 kW) (22 kW) (40 kW) (75 kW) 800 A 1,200 A 1,600 A 2,400 A 3,600 A EP3 New PC3 with NTC 6 in 1 New PC3 with NTC EconoPACK＋ 1,200 V New Dual IGBTモジュール 2 in 1 M232 M233 M235 M249 1 in 1 M248 M127 M138 M142 M143 355（ 11 ） 特 集 は 1,200 V 耐圧，電流容量 225 〜 450 A の領域に新たに加 富士時報 Vol.79 No.5 2006 New Dual IGBT モジュール 特 集 した場合，熱源の分散配置による最適化が可能となり，熱 すように，インバータ結線時のスペースファクタは，従来 集中を低減できる。図 3 に，6 in 1 モジュールと 2 in 1 モ の 2 in 1 パッケージと比較して，面積比では 6 % 増となる ジュールで構成した場合の温度上昇比較を行った熱シミュ が，体積比では 40 % 減，質量比では 24 % 減となる。これ レーション結果を示す。6 in 1 パッケージに比べて，モ は，ほぼ 6 in 1 パッケージと同等なスペースファクタであ ジュール間に距離を取り熱源を分散させたことで，同一 り，熱源分散の効果を維持しつつ電力変換装置の小型化に 発生損失の場合，チップ温度を 14 ℃下げることができる 貢献できる。図 4 に従来の 2 in 1 IGBT モジュール，6 in （代表モデルにおいて） 。このチップ温度低減により，装 1 IGBT モジュール，New Dual IGBT モジュールの外形 置・デバイスの信頼性向上に貢献できる。また，同一チッ 比較を示す。 プ温度とした場合は，電流容量アップ，キャリヤ周波数 さらに，NTC（Negative Temperature Coefficient）サー アップなどの装置性能向上に寄与できる。 ミスタが各モジュールごとに内蔵配置されるので，各モ New Dual IGBT モジュールは 6 in 1 パッケージを 3 分 ジュール内の温度監視をより高精度に行うことができ，き の 1 に分割した構造と類似している。このため，表 4 で示 わめて細かい制御が可能となる。 表 各種 IGBTモジュールのスペースファクタ比較 外形寸法 （mm） パッケージ M249（2 in 1） EconoPACK＋ （6 in 1) New Dual IGBT モジュール（2 in 1) 図 . インバータ結線時の スペースファクタ 質量 （従来機種を100 %とする） （ｇ） 占有 占有 占有 面積比 体積比 質量比 110×80 ×30 460 100 100 100 162×150 ×17 950 92 52 69 62×150 ×17 350 106 60 76 鉛フリー構造 本製品は，当初から RoHS 対応を視野に入れ，鉛フリー 構造を前提にして設計を行っており，以下に示す富士電機 の鉛フリー化技術を適用している。 パワーサイクル耐量を向上させるために，チップ下は （ 1） んだに鉛フリーはんだを適用 温度サイクル試験耐量を向上させるために，①熱膨張 （ 2） 係数が銅に近いアルミナセラミックスを絶縁基板に採用， ②絶縁基板と銅冷却ベース間のはんだに SnAgIn 系はん だを適用し，そのはんだ厚みを最適化 温度上昇比較（熱シミュレーション結果） . U4-IGBT の特徴 New Dual で適用した U4-IGBT チップはトレンチゲー 条件：IGBT発生損失 1,643 W/FWD発生損失 413 W 定常状態，冷却フィン 30 cm×30 cm 6 in1モジュール 123 ℃ 高 ト構造の最適化で，従来より実効的に小さなミラー容量 図 外形比較 温 度 従来の2 in1 IGBTモジュール （3個使用時） 6 in1 IGBTモジュール （EconoPACK＋） 2 in1 New Dual IGBTモジュール （3個使用時） 低 高 2 in1モジュール 図 IGBT の容量成分とターンオン特性の関係 109 ℃ VGE 温 度 VCE IC 低ノイズ化 t 2∝ R G・ C res RG 低損失化 間隔：2 cm 低 356（ 12 ） t1 t2 t1∝ R G・ C ies New Dual IGBT モジュール 富士時報 Vol.79 No.5 2006 図 従来のトレンチ IGBT と U4-IGBT のターンオンスイッチ 状にすることによりプレーナ型 IGBT の JFET（Junction Filed Effect Transistor） 成 分 が 存 在 し な い た め コ レ ク ング波形比較 大きいとターンオンスイッチングスピードが遅くなり，ス U4-IGBT 従来のトレンチIGBT R G（Ω） トレンチ構造のため容量成分が大きくなる。特に Cres が イッチング損失が大きくなる。したがって，この損失を低 減するためには Cres の低減および入力容量（Cies）と Cres 比率の最適化が有効であり，U4-IGBT ではシミュレー ションと確認実験を併用して，その最適化が図られている。 3.3 図 6 に，従来のトレンチ IGBT と U4-IGBT のターンオ Ch1 VCE（200 V/div）Ch3 V GE（20 V/div） Ch1 V CE（200 V/div）Ch3 V GE（20 V/div） Ch2 I C（250 A/div） 時間 200 ns/div Ch2 I C（250 A/div） 時間 200 ns/div E ON 54.200（mJ/pulse） 31.900（mJ/pulse） E ON ンスイッチング比較波形を示す。図 5 に示すように，Cres が低減されているため，ターンオン損失が従来のトレンチ IGBT よりも小さくなっている。また，ゲート抵抗（RG） を大きくした場合でも，コレクタ−エミッタ間電圧（VCE） テールが小さいので，ターンオン損失が比較的小さくなる 33 ため，RG によるターンオン速度制御がより広範囲に可能 Ch1 VCE（200 V/div）Ch3 V GE（20 V/div） Ch1 V CE（200 V/div）Ch3 V GE（20 V/div） Ch2 I C（250 A/div） 時間 1.00 Ch2 I C（250 A/div） 時間 1.00 E ON s/div 304.000（mJ/pulse） s/div 195.700（mJ/pulse） E ON となる。 図 7 に U4-IGBT の Ic-VCE（sat） 特性を示す。正の温度特 性が得られているため，並列接続時の電流アンバランスが 緩和され，並列接続適用が容易となる。 図 U4-IGBT の I C-V CE（sat）特性 . 1,200 せる傾向にあり，FWD（Free Wheeling Diode）につい 1,000 コレクタ電流 I C（A） U4-FWD の特徴 最近の汎用インバータは低周波出力時のトルクを向上さ VGE＝15 V ても熱的責務が大きくなり，より低損失（低 VF）化が求 800 25 ℃ 600 められる。また，並列接続したときの電流バランスの均等 化も IGBT と同様に重要となる。今回 U4-FWD では，VF 125 ℃ のばらつきを小さくするため，ばらつきに対する工程要因 400 の少ない FZ（Floating Zone）結晶を採用した。FZ 結晶 200 の適用にあたり，逆回復時のサージ電圧を少なくし，低 0 VF にするために，キャリヤプロファイルと逆回復特性の 0 1 2 3 コレクタ−エミッタ間電圧 V CE（V） 4 シミュレーションを行い，その最適値を導き出している。 図 8 に IF-VF 特性を示す。U4-IGBT と同様，正の温度 特性が得られ，並列使用時の電流バランスに有効となる。 図 U4-FWD の I F-V F 特性 あとがき 1,200 本稿では，鉛フリー化技術，U4-IGBT，U4-FWD 技術 順電流 I F（A） 1,000 を適用した New Dual IGBT モジュールについて製品系列 800 25 ℃ 600 およびその特徴について紹介した。本製品は，最新の半導 125 ℃ 体技術とパッケージング技術を駆使し，電力変換装置の小 型化・低損失化，環境保護に大きく貢献できるものである。 400 今後も素子の高性能化・高信頼化に取り組み，さらなる技 200 0 術のレベルアップを図るとともに，パワーエレクトロニク 0 1 2 順電圧 VF（V） 3 4 スの発展に貢献する所存である。 参考文献 原口浩一ほか．U4 シリーズ IGBT モジュール．富士時報． （ 1） （Cres）が実現できている。図 5 に IGBT の容量成分とター ンオン特性の関係を示す。 従来のトレンチ IGBT の構造では，ゲートをトレンチ形 vol.78, no.4, 2005, p.256-259. 西村芳孝ほか．鉛フリー IGBT モジュール．富士時報． （ 2） vol.78, no.4, 2005, p.269-272. 357（ 13 ） 特 集 タ−エミッタ間飽和電圧（VCE（sat））が低減されているが， サンプル：1,200 V/450 A素子 条件：V DC＝600 V，VGE＝＋15 V/−15 V， I c＝450 A， T j ＝125 ℃ ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。