3300V級シリコンIGBTのスイッチングを、従来の3分の1の5Vで制御することに成功 東京大学など

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直径3インチ基板上に試作した絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)

新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は2019年5月28日、NEDOプロジェクトにおいて、東京大学生産技術研究所を中心とする研究グループが、3300V級シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)のスイッチング制御を従来比で3分の1となる5Vのゲート駆動電圧で実証することに世界で初めて成功したと発表した。これにより、ゲート制御回路に論理回路を組み込むことが可能となり、人工知能(AI)などの先端デジタル技術とパワーエレクトロニクスを融合したより高度なパワー制御で、電気自動車や産業機器などの低消費電力化が可能になるという。

半導体パワートランジスタはパワーエレクトニクスにおけるキーデバイスで電力変換に用いられ、電流を流したり(オン)、止めたり(オフ)する機能を持つ(このためスイッチングトランジスタと呼ばれる)。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(入力部はMOSFET構造、出力部はバイポーラ構造をもつトランジスタ。以下IGBT)は高い耐圧と、MOSゲートによる高速性、バイポーラ動作による大電流特性から家電製品や電気自動車、鉄道、産業機器などに広く用いられている。

現在、これらのシリコンIGBTは性能限界に近づいていると考えられているが、IGBTのパワーMOSトランジスタ部分を比例縮小し、ゲート電圧も同比率で低減する「IGBTスケーリング」という方法によりIGBTの正孔電流の流路を狭めることで、逆に電子電流の割合が増える効果(電子注入促進効果)が高められ、電流密度が向上する事がシミュレーションで確認されている。

このような中、東京大学生産研究所を中心とする研究グループはスケーリング係数k=3(IBGTスケーリングで寸法を3分の1に縮小)のオン電流が5A級のシリコンIGBTを設計・試作。同IGBTを用いて3300V級のシリコンIGBTのスイッチング制御を従来の15Vから5Vという従来比3分の1の低いゲート駆動電圧で実証することに世界で初めて成功した。これまでパワーエレクトロニクスの分野では、数千Vのスイッチングを5Vで行うことはノイズの存在などから困難であると考えられていた。

加えて、研究グループは通常の寸法(k=1)で試作したシリコンIGBTと比較して電流密度の向上(オン損失の低減)を達成し、ターンオフ時のスイッチング損失を35%低減することにも成功。電子注入促進効果の高まりによるIGBTの電流密度の向上とスイッチング損失の低減を確認した。

従来のゲート制御回路(IGBTの入力電圧を駆動する回路)は高いゲート電圧で駆動されていたため、高耐圧ICプロセスを用いて大きな面積のアナログベースの回路で構成されていた。今回開発されたシリコンIGBTでは制御電圧が5Vに低減できることから、ゲート駆動に必要な電力を約10分の1まで低減可能だ。

また、ゲート制御回路には標準的なCMOSプロセスを用いることが可能で、さまざまなデジタル回路の資産を集積化することができる。これによって人工知能などの先端デジタル技術とパワーエレクトロニクスが融合したより高度なパワー制御が可能となり、より一層の低消費電力化が期待できるという。

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