著者 ヨーロッパ人編集者
DigiKeyのヨーロッパ担当編集者の提供
2015-02-17
IGBTを選択するとき、設計者は対称型と非対称型阻止のように、ある形式のIGBTを他の形式のIGBTより優先させることができる多くのアーキテクチャの選択に直面します。この記事では、さまざまなIGBTアーキテクチャが提供する設計オプションについて検討します。
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は、同程度の定格電圧を持つパワーMOSFETに比べ、阻止電圧が高く、低コストであるため、モータ駆動アプリケーションでよく選ばれています。この技術は、エネルギー効率の高いシステムに適しているとされる可変周波数ドライブの設計を可能にします。
IGBTは、主要なインバータ段を駆動するのに必要なスイッチング能力を提供します。通常、AC200～240Vの主電源で動作するドライブには600Vの阻止電圧が必要で、AC460Vのアプリケーションには1200Vが適しています。
IGBTの構造は1980年代にパワーMOSFETから進化したもので、阻止電圧を高める必要性に応えたものです。これは、MOSFET構造のドレインにPN接合を追加し、バイポーラトランジスタ構造と、全体としてNPNP半導体を作り出すことで達成されました。現在製造されているほとんどのパワートランジスタと同様、トランジスタの構造は水平ではなく垂直で、PNPバイポーラトランジスタのコレクタはダイの裏側に配置されています。Nウェルを含むPまたはP+タブは、ソース/エミッタ領域とゲート領域をつなぎます。電流はこのタブを通って、比較的広いNドープドリフト領域に流れ、コレクタに入ります。しかし、MOSFETのゲートが絶縁されているため、デバイス全体としては電流制御ではなく電圧制御のままです。NPNPサイリスタとしての動作を抑制するために、インターロックバイポーラトランジスタのゲインを注意深く制御する必要があります。
一般に、IGBTはMOSFETよりも高い絶縁電圧を提供しますが、IGBTのアーキテクチャは、それほど迅速にスイッチングできないことを意味し、そのためインバータで使用されるスイッチング周波数が制限されます。ただし、最近のデバイス構造の進歩により、実効スイッチング周波数は100kHzに近づいています。IGBTの効率は、MOSFETよりも低いオン電圧降下によって改善されます。さらに、電流密度が高いため、同等のMOSETよりも小さなダイで高い定格電力に達することができ、費用対効果が向上します。
IGBT設計への初期のアプローチには、逆阻止アーキテクチャとも呼ばれる対称構造が含まれていました。これらは順方向と逆方向の両方の阻止機能を備えており、マトリックス（AC-AC）コンバータや3レベルインバータなどのACアプリケーションに適しています。非対称構造は順方向阻止能力のみを維持しますが、一般に対称IGBTよりもオン電圧降下が低いため、対称構造よりも広く使用される傾向があります。非対称構造は、可変速モータ制御などのDCアプリケーションに適しています。 しかし、IGBTモータ制御アプリケーションは誘導負荷を伴う傾向があり、ハードスイッチングであることが多いため、これらのトポロジでは逆電流を流すためにIGBTをフリーホイールダイオードと並列に使用する必要があります。しかし、このようなダイオードは、同等のパワーMOSFETのボディダイオードよりも高い性能を発揮することがよくあります。
IGBTではさらに、パンチスルー（PT）構造と非パンチスルー（NPT）構造の違いがあります。PTデザインは主に低絶縁電圧に使用され、P+基板に成長したN+領域とコレクタ領域を使用します。デバイスがオフになると、N-（ドリフト層）はキャリアが完全に枯渇します。この影響は、その下のN+層に「パンチスルー」しますが、コレクタに完全には到達しません。その結果、N領域が非常に薄くなり、ターンオン電圧を最小限に抑えることができます。N+層を追加することで、P+基板に注入される余分な正孔の数が減り、スイッチング速度も向上します。デバイスの電源が切れると、これらのキャリアはすぐに取り除かれます。
残念なことに、高濃度ドーピングは、IGBTのスイッチオフ後に除去する必要のある多数の少数キャリアを発生させるため、スイッチング時間が長くなり、それに伴い効率も低下します。これが、パワーMOSFETに比べてスイッチング周波数が低い大きな理由の1つです。また、PT型IGBTは熱暴走を起こすことがあります。
NPT型は、PTアーキテクチャの主な問題を回避し、N+バッファ層を取り除くために開発されました。しかし、電界がコレクタまで浸透しないように注意深く設計されています。トランジスタは一般に、PTデバイスとは異なる方法で作られています。NPTトランジスタは一般に、Pドープ基板の上にN領域をエピタキシャル成長させる代わりに、裏面にコレクタ領域を成長させたNドープ基板を用いて製造されます。
ウェハを100µm以下に薄くすることで、非常に低濃度にドープされたコレクタ領域を使用しながら、低抵抗と高性能を実現することが可能になります。より低濃度のドーピングを使用すると、デバイスが導通しているときにデバイスに保存できる電荷の量が減少します。これは、デバイスのスイッチング時に消去する必要があるキャリアが少なくなるため、スイッチング性能の向上につながります。
Fairchild SemiconductorのFGP10N60およびFGP15N60は、NPT技術を使用して、さまざまなモータ駆動アプリケーションをサポートします。150°Cで最大10μsの短絡耐性を持ち、約2Vの飽和電圧を示します。高速スイッチングをサポートするため、トランジスタのターンオフ遅延時間は55ns強です。
International Rectifierのようなメーカーは、10年ほど前にトレンチ構造に移行しました。トレンチ構造は、ゲートおよびベース領域の実効直径を小さくすることでチャネル密度を高めるだけでなく、蓄積層への電荷注入を強化し、旧来のプレーナデザインが苦しんでいた寄生JFETの影響を低減します。特定のスイッチング周波数に対して、トレンチ構造は従来のPTやNPT構造と比較して、伝導損失とスイッチング損失の両方を低減します。トレンチIGBTは現在、多くのベンダーから幅広い定格の製品が提供されています。IR独自の製品レンジは、主要な600Vおよび1200V の阻止電圧範囲をカバーしています。
代表的なデバイスであるIRGB4060は1.55Vのトランジスタで、ソフトリカバリ逆方向ダイオードとパッケージされ、ターンオフ遅延時間は95nsまで短縮されているため比較的高いスイッチング周波数をサポートします。
薄ウェハNPTデバイスにフィールドストップ領域を追加することで、性能のさらなる向上が可能になります。PTのコンセプトにやや似ていますが、この層は電界を止めるため、同じ高耐圧でもより薄いウェハを使用することができます。フィールドストップ層とp+コレクタ層の両方のキャリア濃度を制御することで、裏面接合のエミッタ効率を向上させることが可能になります。その結果、フィールドストップは、より薄いウェハによって可能となる低いVCE（sat）を備えたデバイスのスイッチングを高速化します。
フィールドストップ技術により、多くの回路で必要とされるフリーホイールダイオードをIGBT本体と統合することが容易になりました。例としては、Infineon TechnologiesのTrenchStopファミリのデバイスがあります。このファミリの多くの製品は、コアIGBT要素の一部としてダイオードを形成しており、デバイスに逆電流を流すことができます。IKD06N60RFのように、ダイオードをパッケージ内に集積することで、モータ制御などのアプリケーションに最適化したダイオード技術を提供するメーカーもあります。この製品は、最大30kHzのモータ制御用スイッチング速度をサポートしています。
図1：InfineonのTrenchStopプロセスに至るIGBTの進化
IXYSは、第3世代および第4世代ファミリを頂点とする数シリーズのフィールドストップ構造の製品を開発してきました。第4世代アーキテクチャは、トレンチトポロジと第3世代の「extreme-light punch-through」（XPT）フィールドストップ設計を組み合わせ、スイッチング損失を最小限に抑える低オン電圧と高速ターンオフの組み合わせをサポートします。
これらのデバイスは、阻止電圧650Vまで矩形の逆バイアス安全動作領域（RBSOA）を備え、高温では公称電流の2倍となるため、スナバ（スイッチングに伴う過渡電圧吸収回路）不要のハードスイッチング用途に適しています。このデバイスは、逆並列ダイオードとの同時パッケージが可能で、150°Cで10μsという高温短絡耐性を特長としています。
図2：従来の構造とIXYSのXPT構造の違い
ウェハの薄型化、ドーピング制御やデバイス構造の改善といったデバイス作製のさらなる進歩は、IGBTの性能を向上させ、特にコストが重要視される高効率モータ駆動アプリケーションにおいて、パワーMOSFETに厳しい競争を強いることになるでしょう。
