絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ (IGBT)

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ (IGBT) は、バイポーラジャンクショントランジスタ (BJT) と金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) の両方の特性を兼ね備えた3つの端子を持つ半導体デバイスです。これらの特性には、高入力インピーダンスと低オン伝導損失が含まれているため、IGBTは高電圧および大電流アプリケーションに適しています。

IGBTの構造

図15の図は、Nチャネル絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ (IGBT) の構成を示しています。金属接続は、コレクタ、エミッタ、およびゲート端子を構造体につなぎます。IGBTは、4つの交互の層 (PNPN) の存在により、意図した動作特性をもたらします。

図17 : Nチャネル IGBTの構造とシンボル

IGBTの動作

IGBTは、順方向ブロッキングモードと伝導モードの2つの主要モードで機能します。これらのモードは、コレクタ、エミッタ、およびグランドの相対電圧によって決まります。ゲートとエミッタがグランド電位にあり、コレクタが正電圧である場合、J1とJ3は順方向バイアスになり、J2は逆方向バイアスになるため、IGBTは順方向ブロッキングモードになり、電流の流れが妨げられます。逆に、ゲートとコレクタが正の電圧を持ち、エミッタが接地されている場合、ゲートに印加された電圧が反転効果を引き起こし、ゲートの近くでN+とN-の物質を接続することでチャネルを形成します。その結果、N+領域の電子はドリフト領域としても知られるN領域の中心に向かって押され、それによってジャンクションJ1の電位が低下し、正孔が中心のN領域に流れます。これは最終的には正孔のプラズマをもたらし、それはデバイスを順方向にバイアスし、電流の伝導を可能にします。

図18 : Nチャネル IGBTの簡易等価回路

IGBTの動作は、図16に示すように簡略化された等価回路を通じて理解できます。

このように、MOSFETが起動しないと (VGE < VTHの場合)、BJTは動作しません。一方、VGE > VTHの場合、MOSFETがオンになっていることを示すと、BJTベースへの電流経路が作成され、BJTのベースに電流が流れるため、BJTは動作します。

IGBTの特性

IGBTの基本的な属性は、その転送特性と出力特性です。

図19 : IGBTの転送特性

図17に示すように、IGBTの転送特性は、ICとVGEの関係を示しています。IGBTとMOSFETの転送特性は類似しています。コレクタ電流の流れは、ゲートとエミッタの間に最小しきい値電圧 (VTH) を必要とします。ゲートエミッタ電位がしきい値の電圧を下回ると、IGBTはオフ状態のままです。逆に、ゲート電圧がしきい値電圧を超えると、伝達曲線はドレイン電流の大部分にわたって直線性を示します。

図20 : IGBTの出力特性

IGBTの出力特性、特にコレクタ電流 (IC) とコレクタエミッタ電圧 (VCE) の関係を図18に示します。MOSFETの出力特性はBJTの出力特性に匹敵しますが、電圧制御デバイスであるため、IGBTの制御変数はVCEです。ターンオン時間とターンオフ時間の概念は、MOSFETと同様にIGBTにも適用されます。

IGBTのアプリケーション

IGBTは、さまざまな高出力アプリケーションで広く採用されています。

1. モータドライブ : IGBTは、自動車、航空宇宙、民生機器など、幅広い産業における電気モータ速度の制御に不可欠な部品です。モータドライブの場合、IGBTは電圧源インバータ (VSI) で使用され、固定のDC電圧を可変周波数および振幅をもつAC電圧に変換します。このAC電圧は、モータの速度とトルクを制御するために使用されます。IGBTの高い電流処理能力と高速スイッチング速度により、効率的かつ正確なモータ制御が可能となり、性能、エネルギー効率を向上させ、メンテナンスコストを削減します。
2. 電源 : IGBTは、溶接装置、無停電電源装置 (UPS)、高電力DC/DCコンバータなど、高電圧および大電流アプリケーション用のスイッチング電源によく使用されます。IGBTの低オン電圧降下と高速スイッチングは、電源システムの効率向上と放熱の低減に役立ちます。
3. 再生可能エネルギーシステム : 太陽光発電や風力発電システムでは、インバータは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ (IGBT) を利用して、太陽光パネルや風力タービンで発生する変動する直流電力を交流電力に変換します。これらのアプリケーションでIGBTを使用することで、電圧波形と電流波形を迅速かつ正確に制御できます。これは、最大電力点追従 (MPPT) の維持と効率的なエネルギー変換の達成に不可欠です。
4. 電気自動車 : IGBTは、電気自動車 (EV) のトラクションインバータに使用されています。これらのインバータは、車両を推進するモータに供給される電力を調整する役割を担っています。IGBTの高電圧および電流定格により、電気自動車駆動システムの高出力要求を効果的に管理することができます。また、スイッチング速度の高速化とオン電圧降下の最小化は、電気自動車の走行距離とバッテリー寿命を延ばすための重要な要素である効率の向上と発熱の低減に貢献します。
5. 電力網設備 : IGBTは、電力網設備、特に高電圧直流 (HVDC) 送電システムやフレキシブルAC送電システム (FACT) で広く使用されています。HVDCシステムでは、IGBTが電圧源コンバータ (VSC) に採用され、交流 (Ac) 電力を直流 (DC) 電力に変換し、長距離にわたって効率的に伝送します。静的同期補償器 (STATCOM) や静的VAR補償装着 (SVC) などのFACTSデバイスは、IGBTを使用してグリッド内の無効電力の流れを高精度かつ高速で制御します。これにより、電力品質、安定性、信頼性が向上します。