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IEGT (PPI & PMI)

IEGTは、電圧駆動で大電流を制御できるパワーデバイスです。IGBTを高耐圧化すると急激にオン電圧が増大する問題を、IEGTではエミッタ側の素子構造を工夫することによって克服し、低オン電圧特性を実現しています。さらに、優れた遮断能力と高破壊耐量性を備えているため、機器の省エネ化と小型・効率化に貢献します。産業用ドライブ装置、電力用変換装置など、社会インフラを支えている産業分野においてその性能を発揮します。パッケージには圧接型とモジュール型があり、応用装置の電力容量や負荷特性に合わせて選択が可能です。

IEGT: Injection Enhanced Gate Transistor (電子注入促進型絶縁ゲートトランジスタ)
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)

対象アプリケーション

  • 直流送電用変換器
  • 静止形無効電力補償装置
  • 中電力以上のインバータ装置
  • 電気鉄道
  • 地下鉄、ライトレール
  • 風力発電

アプリケーションノート

特長

当社は、IEGTというチップ性能に加え、圧接型とモジュール型の2種類を有する国内唯一のメーカです。それぞれのアドバンテージをふまえ、お客様のニーズに対応いたします。さらに、新素材SiCを使用したハイブリッドモジュールによるアプリケーションでのメリットに貢献いたします。

IEGTの基本原理

  • IGBTの断面構造と高耐圧化への問題点

図Aは、従来のIGBTの断面構造とNベース中のキャリア分布を示しています。キャリア分布は、コレクタ電極側からエミッタ電極側に近づくにつれて単調に減少しています。高耐圧化のためには、コレクタ・エミッタ間のNベース領域を広くする必要があるため、キャリアの少ない領域が厚くなり、その抵抗分が増加して電圧降下が増大します。すなわち、オン電圧が大きくなるという問題がありました。

  • IEGTのゲート構造の特長とIE効果の適用

図Bに、IEGTの断面構造とキャリア分布を示します。IGBTに比べて、深く幅の広いトレンチゲート電極を設けているため、エミッタ電極へ抜ける抵抗が高くなり、キャリアの抜けが抑制されます。その結果、キャリアの蓄積が起き、Nベースのキャリア分布がエミッタ電極側で増加します。

このようにキャリアが注入蓄積されたようにすることをIE効果(Injection Enhancement Effect)と呼んでいます。このゲート構造の採用により、高耐圧化しても電圧降下の増大を抑えることができるようになりました。

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図A. IGBTのチップ断面構造とキャリア分布

エミッタ側のキャリアが少ないため、高耐圧化すると、オン電圧が増大します。

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図B. IEGTのチップ断面構造とキャリア分布

エミッタ側のキャリアが増大し、電子の注入量が増加することによって、オン抵抗が下がります。

パッケージコンセプト

圧接型パッケージ

すべての電気的な接続を圧接により実現しています。

  • 熱疲労に対する高い信頼性が期待できる構造です。
  • 製品が電気的に故障破壊した場合コレクタ―エミッタ間は短絡状態となるため、特に多数の直列接続で使用していれば、装置の運転を止めることなく継続することができます。
  • セラミックと金属による気密封止構造のため高い耐湿性と耐候性を持っており、冷却液に直接浸ける等効率の良い冷却が可能です。

プラスチックケースモジュール型パッケージ

ネジ止めして取り付けることができ、組立が容易です。

  • 低熱膨張係数のベースプレート(MMC=AlSiC)の採用、および内部構造・部品の最適化により熱疲労、パワーサイクルなどの寿命特性を大幅に改善しています。
  • 高CTI基準素材を採用、パッケージ表面の絶縁耐圧を向上しています。

製品紹介

圧接型IEGTデバイス PPI (Press Pack IEGT)

全ての電気的な接続を圧接により実現しています。ボンディングによる接続は使用していないため、熱疲労に対する高い信頼性が期待できます。万一、製品が電気的に故障破壊した場合でも、電極のコレクタとエミッタ間は短絡状態となるため、多数の直列接続で使用していれば、装置の運転を止めることなく継続することができます。両面放熱構造の採用で、コレクタ側、エミッタ側の両面冷却も可能です。また、セラミックスと金属による気密封止構造により高い耐湿性を持ち、冷却液に直接浸漬させることができるので効率のよい冷却も可能です。

PPIの特長

  • 電気的接続は圧接により実現

IEGTチップを同一平面状に配置し、上下からチップを個別にモリブデン板で均一に圧接しています。チップのコレクタとエミッタの電極は、このモリブデン板を介して、それぞれコレクタとエミッタの銅電極に機械的圧接力で接触させ、電気的接続と放熱を行います。

  • 気密封止構造による高信頼性

不活性ガスをデバイス内部に気密封止して電極表面の酸化による劣化を防ぎ、熱的に高い信頼性を実現しています。

  • 優れた並列動作技術

並列接続された多数のIEGTチップが、スイッチング時に互いに干渉して発振しないように、ゲート端子板内の配線を工夫して均一動作させています。

  • 破裂を防ぐパッケージ構造

IEGTチップをガイドする樹脂フレーム構造により、もしチップがスイッチング動作によって破壊溶融しても、パッケージが破裂しにくい構造となっています。

PPIの実装例

PPIを3個直列に接続して組立てた場合のスタッキング例を右図に示します。

PPIは冷却フィンといっしょに圧力をかけ、保持されます。PPIに対して、均一な圧接力となるよう、工夫が必要です。また、バネにより熱収縮を緩和し、一定の圧力となるようにします。

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PPI製品ラインナップ

品番 パッケージ 絶対最大定格 VCE(sat)(V) VF(V)

VCES

(V)

IC
(A)

Tj

(˚C)

最大 測定条件
@IC (A) / VGE(V)
最大
測定条件
@IC (A) / VGE (V)
ST1200FXF24 PPI85B 3300 1200 125 4.2 1200 / 15 3.8 1200 / 0
ST750GXH24 PPI85B 4500 750 125 4.0 750 / 15 4.2 750 / 0
ST1200GXH24A PPI85B 4500 1200 125 3.8 1200 / 15
ST1500GXH24 PPI125A2 4500 1500 125 4.0 1500 / 15 4.2 1500 / 0
ST2100GXH24A PPI125A2 4500 2100 125 4.0 2100 / 15

アプリケーション例

直流送電用変換器

直流送電は、洋上などで風力発電した電力を効率的に需要地に運ぶため、発電した交流電力をいったん直流電力に変換して長距離、あるいは海底を送電するときに使用されます。送電後は、再び交流電力に変換して需要家に供給します。高電圧の変換にPPIが活躍します。

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静止形無効電力補償装置 (SVC: Static Var Compensator)

電力系統などに設置され、力率改善などの電力の質の向上に用いられる設備です。能動形SVCには、SVG(Static Var Generator)やSTATCOM( Static Synchronous Compensator) などがあり、高電圧大容量の変換素子としてPPIが適しています。

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中電力以上のインバータ装置 (Middle Voltage Inverter)

大容量のインバータ装置には、直列接続対応、両面冷却の特長を生かしたPPIを推奨します。

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プラスチックモジュール型IEGTデバイス PMI (Plastic Case Module IEGT)

ネジ止めして冷却器へ取り付けることが可能なので、組み立てが容易です。熱膨張係数の低いベースプレート(Al-SiC)の採用と内部構造・部品の最適化により、熱疲労、パワーサイクル耐量などを改善し、長寿命を実現しています。パッケージにはトラッキング破壊の起こりにくい高CTI*基準素材を採用し、パッケージの表面の絶縁耐圧を向上させています。

*CTI( Comparative Tracking Index): 比較トラッキング指数

PMIの特長

  • 組み立ての容易なプラスチックモジュールケース

セラミック製絶縁基板上に、多数のIEGTチップがはんだ接合され、ワイヤボンディングで各端子と接合する構造です。片面放熱で内部絶縁され、使い勝手のよいプラスチックモジュールです。

  • ベースプレートにAl-SiC複合材を採用

熱的信頼性を確保するために、パッケージ底面の金属板に低熱膨張係数のアルミニウムとシリコンカーバイドの複合材Al-SiC(Aluminum Silicon-Carbide)を用いています。

PMIの実装例

内部に2素子を配置したPMI(2in1タイプ)を使用することにより、インバータ回路をコンパクトに構成することができます。

実装例では、3個の2 in1タイプのPMIを使用しています。ラミネート構造の電極板を使用して、配線の浮遊インダクタンスを抑えることも可能となります。

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PMI製品ラインナップ

品番 パッケージ 絶対最大定格 VCE(sat)(V) VF(V)


回路

構成

VCES

(V)

IC
(A)

Tj

(˚C)

最大

測定条件
@IC (A) /

VGE(V)

最大

測定条件
@IC (A) /

VGE (V)

MG1200V2YS61** PMI142C 1700
1200 150 TBD 1200 / 15 TBD 1200 / 0 2 in 1
MG400FXF2YS53 PMI143C 3300
400 125 4.5 400 / 15 3.5
400 / 0 2 in 1
MG500FXF2YS61 PMI142C 3300 500 150 4.6
500 / 15 4.1
500 / 0
2 in 1
MG800FXF1US53 PMI143B 3300 800 125 4.5 800 / 15 3.5
800 / 0 1 in 1
MG1200FXF1US53 PMI193 3300 1200 125 4.5 1200 / 15 3.5
1200 /0
1 in 1
MG1500FXF1US62 PMI193D 3300 1500 150 3.8 1500 / 15 3.8 1500 / 0 1 in 1
MG1500FXF1US63 PMI193D 3300 1500 150 3.8 1500 / 15 3.8 1500 / 0 1 in 1
MG900GXH1US53 PMI193 4500 900 125 4.7
900 / 15 3.8 900 / 0 1 in 1
MG1200GXH1US61 PMI193D 4500 1200 150 4.0 1200 / 15 3.6 1200 / 0 1 in 1

** : 開発中

アプリケーション例

電気鉄道

新幹線をはじめとする高速鉄道、通勤電車などのモータを駆動するインバータやコンバータに使用され、高効率化、省エネ化に貢献しています。

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地下鉄、ライトレール

近郊の直流架線に対応した電車の駆動用インバータにも使用されています。

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風力発電

風のエネルギーを電気に変える風力発電の電力変換装置部に使用されています。

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SiCハイブリッドモジュール

電気鉄道駆動制御システムでは、騒音の低減や乗り心地の向上と並行して、装置の小型軽量化、省エネ化等が求められています。これらのニーズに応えるために、SiC SBD(ショットキバリアダイオード)を搭載したPMIモジュールを開発しました。

 SiC: Silicon Carbide (炭化珪素)
PMI: Plastic Case Module IEGT

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SiCハイブリッドモジュール製品ラインアップ

品番 パッケージ 絶対最大定格 VCE(sat)(V) VF(V) 回路
構成
VCES
(V)
IC
(A)
Tj
(˚C)
最大 測定条件
@IC (A)
/VGE(V)
最大 測定条件
@IC(A)
/VGE(V)
MG1200V2YS71

PMI142C

1700

1200

150

3.8

1200 / 15

3.5

1200 / 0

2in1

MG1500FXF1US71

PMI193D

3300

1500

150

3.8

1500 / 15

4.6

1500 / 0

1in1

·設計および使用に際しては、本製品に関する最新の情報および本製品が使用される機器の取扱説明書などをご確認の上、これに従ってください。