IGBTのすべて

IGBT は「従来型」の技術であると考える人もいますが、高出力アプリケーションでは依然として重要な役割を果たしています。

今日、半導体業界におけるニュースや議論の大半は、シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）といった新しいワイドバンドギャップ（WBG）材料をベースにしたデバイスを中心に展開されています。しかし、ほんの数年前までは、多くのアプリケーションにおいて絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）が最適なソリューションでした。

IGBTを活用した中～高出力アプリケーションは依然として存在し、デバイス自体も進化を続けています。この記事では、IGBTの詳細を掘り下げ、既存および新興のアプリケーションについて考察します。

IGBT: 物理構造

IGBTは、4層の半導体材料（PNPN）を交互に積層した半導体トランジスタまたはスイッチです。デバイスのゲートに適切な電圧が印加されると電流が流れ、電圧が除去されると電流は停止します。

IGBTは誕生以来、スイッチング損失の低減と構造の薄型化を中心に、継続的な改良と改善が進められてきました。現在、IGBTでは、デバイス内の寄生NPN特性を抑制する手段として、トレンチゲートとフィールドストップ構造を組み合わせたものが一般的です。この構造が実現することで、導通損失と飽和電圧が低減され、電力密度の向上などの利点が得られます。

図1：トレンチチャネルカットオフを備えたフィールドストップIGBTの構造

IGBTの活用と技術例

IGBTは、太陽光発電インバータ、エネルギー貯蔵システム、無停電電源装置（UPS）、モーター駆動装置、電気自動車充電器、産業用溶接機、家電製品など、様々な分野で幅広く応用されています。通常、トポロジー構造は特定のアプリケーションの要件に合わせて選択されます。では、いくつかの一般的なアプリケーションを比較してみましょう。

工業用溶接

より高品質な溶接の要求を考慮すると、溶接プロセスを正確に制御する必要があります。したがって、DC 出力電流が必要な精度を達成できるため、一般的な溶接変圧器の代わりにインバータが一般的に使用されます。

一般に DC 電流の方が安全であると考えられているため、安全面もあります。ユーザーの観点から見ると、インバータは変圧器に比べて小型軽量であるため、溶接機の持ち運びが容易になり、使いやすくなります。

一般的な溶接機では、単相または三相 AC 電力が整流されて DC バス電圧が形成されます。整流器は、制御ユニットが必要とする電圧を生成する小型コンバータにも電力を供給します。 DC バス電圧はインバータに電力を供給します。インバータの公称出力電圧は通常約 30 VDC です。ただし、動作中、開回路負荷条件下では、溶接アークが発生すると電圧が 0 倍になり、ほぼ XNUMXV に低下する可能性があります (実際には短絡します)。

図 2: 一般的な溶接機の概要

インバータベースの溶接機には、さまざまなトポロジ構造が適しています。ただし、最も一般的なものには、フル ブリッジ (FB)、ハーフ ブリッジ (HB)、および 20 スイッチ フォワードが含まれます。 FB および HB トポロジでは、スイッチング周波数は通常、数十 kHz の範囲にあり、通常は約 50 ～ XNUMX kHz です。デューティ サイクルは負荷レベルと出力電圧に基づいて制御されます。制御方式としては定電流が多いです。

図 3: 一般的なトポロジには、FB、HB、および XNUMX スイッチ フォワードが含まれます

産業用モータードライバー

最も一般的な産業用アプリケーションの 2 つは産業用モーター ドライバーで、ロボット、大型機械、またはその他の動作に依存する多くのアプリケーションに使用できます。ほとんどのモーター ドライバー アプリケーションは、周波数が 15 kHz ～ XNUMX kHz の HB として構成されています。結果として得られる出力電圧は、スイッチの状態と電流の極性に依存します。

図 4: 正と負の出力電流を表示するハーフブリッジ トポロジ。

モーターは誘導負荷のため、電流が急激に増加します。正の電流が流れると (Ig > 0)、ハイサイド トランジスタ (T1) がオンになり、エネルギーを負荷 (Vg) に供給します。ただし、負荷電流 Ig が逆方向 (負極性) に流れる場合、電流は D1 を通って逆流し、エネルギーが DC 電源に戻ります。

ローサイド トランジスタが導通し (T4 がオン)、ハイサイド トランジスタ (T1) がオフの場合、Vbus の半分 (-Vbus/2) に等しい電圧が負荷に印加され、電流が減少します。 Ig がゼロより大きい場合、電流は D4 を流れ、エネルギーがバス電源に戻ります。

つづく...