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スイッチング損失の低減が可能な世界初のダブルゲート構造の逆導通型IEGTを開発

2022年6月15日

東芝デバイス&ストレージ株式会社
株式会社 東芝

東芝デバイス&ストレージ株式会社(以下、東芝デバイス&ストレージ)と株式会社東芝(以下、東芝)は、電力の制御等に用いられるパワー半導体において、世界で初めて注1のダブルゲート構造を採用した4500V耐圧の逆導通型IEGT注2注3を開発しました。本技術により、従来のゲート制御を行わないシングルゲート構造と比較して電力のオンとオフが切り替わるスイッチング時の電力損失(以下、スイッチング損失)を24%低減注4できることを確認しました。

電力を供給、制御する役目を果たすパワー半導体は、あらゆる電気機器の省エネルギー化やカーボンニュートラル実現に不可欠なデバイスです。近年、カーボンニュートラルに向けた世界的な省エネの潮流が高まっていることを背景に、高耐圧や大電流動作を特徴とするIEGTは、大容量インバーター、高電圧直流送電(HVDC)システムなどで広く採用されており、大電流化・低損失化・高効率化・省電力化を追求する動きが加速しています。IEGTにおける電力損失は、IEGTがオン状態の際の電力損失(以下、導通損失)を低減させると、スイッチング損失が増えるというトレードオフの関係にあり、その改善が求められています。

そこで東芝デバイス&ストレージと東芝は、メインゲート(MG)とは別にホール制御型のコントロールゲート(CG)を設けることで、従来のシングルゲート構造と比較して導通損失を増加させずにスイッチング損失を低減する4500V 耐圧の逆導通型IEGTを開発しました。基板の裏面から表面に電流を流すIEGTモードの時には、ターンオフ時にMGより先にCGをオフすることで、基板中に蓄積されていたホールを減らし、ターンオフ損失注5を減らします。また、基板の表面から裏面に電流を流すダイオードモードの時には、逆回復の直前にMGとCGを同時にオンすることで、基板中に蓄積された電子を減らし、逆回復損失注6を減らします。

今回開発したダブルゲート構造の逆導通型IEGTとゲート制御技術を組み合わせることで、従来のシングルゲート構造と比較して、IEGTモードの損失であるターンオフ損失とターンオン損失注7をそれぞれ24%、18%低減注4し、またダイオードモードの損失である逆回復損失を32%低減注4し、導通損失を増加させずにスイッチング損失を24%低減注4することを、デバイスを試作し実測で確認しました。

なお、東芝デバイス&ストレージと東芝は本技術の詳細を、5月22日から25日までカナダ・バンクーバー、およびオンラインで開催された半導体国際学会「IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 2022」において発表しました。

東芝デバイス&ストレージと東芝は、今回開発したダブルゲート構造の逆導通型IEGTおよびゲート制御技術の開発を進め、2025年以降の実用化を目指します。当社は、さまざまなパワーエレクトロニクス応用製品の高性能化に貢献し、カーボンニュートラルの実現に貢献していきます。

注1 2022年5月現在、当社調べ。
注2 IEGT:Injection Enhanced Gate Transistor(電子注入促進型絶縁ゲートトランジスター)の略でIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のエミッターの素子構造を最適化し、高耐圧化に伴う急激なオン電圧の増大を改善した素子のこと。
注3 逆導通IEGT(RC IEGT: Reverse Conducting IEGT):IEGTとフリーホイールダイオード(FWD)を1チップで構成したもの。IEGTはゲートに電圧をかけると基板の表面のエミッターから電子、基板の裏面のコレクターからホールが入ることにより動作するが、RC IEGTは表面からホール、裏面から電子が入ることによる逆方向に電流を流すFWD動作も可能。
注4 当社従来品のシングルゲートIEGTと今回試作したダブルゲート構造の逆導通型IEGTを比較して、当社調べ。
注5 IEGTがオンからオフに遷移する際に発生する電力損失のこと。
注6 FWDがオンからオフに遷移する際に発生する電力損失のこと。
注7 IEGTがオフからオンに遷移する際に発生する電力損失のこと。

 

今回開発したデバイス構造

これは、(a)従来のシングルゲートの画像です。
これは、(b) ホール制御型ダブルゲートの画像です。
これは、(c) 今回試作した ダブルゲート構造IEGTの画像です。

スイッチング波形の実測結果(当社調べ)

これは、ターンオフ波形の画像です。
これは、逆回復波形の画像です。

スイッチング損失の低減効果(当社調べ)

これは、スイッチング損失の低減効果(当社調べ)の画像です。

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