パワー半導体デバイスは、高電圧や高電流の操作、電気エネルギーの変換や調整に使用される現代のパワーエレクトロニクスの基本的な構成要素です。これらのデバイスは、電源、モーター駆動、再生可能エネルギーシステム、電気自動車など、さまざまなパワーエレクトロニクスアプリケーションにおいて極めて重要です。

本章では、パワーダイオード、サイリスタ、バイポーラ接合トランジスタ (BJT)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) の特性と用途について詳しく説明します。

パワーダイオード

ダイオードの基礎

エレクトロニクスのアプリケーションでは、ダイオードは電流の流れを一方向にのみ許可する単純なスイッチとして機能します。パワーダイオードは、より大きな電力、電圧、および電流処理能力を備えています。これらは、整流、電圧調整、安全保護など、さまざまな目的でパワーエレクトロニクス回路に広く使用されています。

ダイオードの構造

ダイオードは、P型とN型の半導体材料の組み合わせによって形成されたPN接合を含む半導体デバイスです。P型材料には正孔が過剰に含まれ、電子が不足していますが、N型材料には電子が過剰に含まれているため、接合部を通る電流の流れは一方向にのみ制限されます。ダイオードの2つの端子は、図1に示すように、P型層に接続されたアノードと、N型層に接続されたカソードです。

P型とN型材料の界面である空乏領域には電荷キャリアが存在せず、ダイオードの動作で重要な役割を果たします。

図1 : ダイオードPN接合

図2 : ダイオード記号

ダイオードに使用される一般的な記号を図2に示します。

ダイオードの動作

ダイオードの動作は、さまざまな電圧条件下でのPN接合の動作を調べることによって理解できます。カソードに対してアノードに正の電圧が印加されると (順方向バイアス)、空乏領域が狭くなり、ダイオードに電流が流れるようになります。順方向バイアス状態では、ダイオードは電流に対して低い抵抗を示し、最小限の電圧降下で電流が通過できるようになります。

逆に、カソードに対してアノードに負の電圧が印加されると (逆バイアス)、空乏領域が広がり、ダイオードを通る電流が効果的に遮断されます。

逆バイアス状態では、ダイオードは電流に対して非常に高い抵抗を示し、ごくわずかな漏れ電流 (マイクロアンペアまたはミリアンペアの範囲で) のみが流れます。ただし、逆電圧がダイオードのブレークダウン電圧を超えると、ダイオードは逆方向に電流を流し始めます。このため、電流が適切に制限されていないと、デバイスに永久的な損傷を与える可能性があります。時々、特定のアプリケーションでより高い電圧と電流の定格が要求されますが、これは単一のダイオードで対応できます。複数のダイオードを直列に接続することで定格電圧を上げることが可能です。同様に、電流定格を増やすために、ダイオードを並列に接続することもできます。ただし、配置されたダイオードの損傷を避けるには、同様の特性を持つダイオードを選択することが重要です。

ダイオードの特性

ダイオードの特性を理解することは、パワーエレクトロニクス回路を設計する上で非常に重要です。ダイオードの主な特性は次のとおりです :

順方向電圧降下 (Vf)

順方向電圧降下 (Vf) とは、順方向バイアス時 (アノードがカソードよりも高い電位をもつ場合) に、定義された電流レベルでダイオード端子間で発生する電圧降下を指します。ダイオードが順方向にバイアスされている場合、電流が流れるためには、印加電圧がPN接合部の内蔵電位障壁を超える必要があります。順方向電圧降下は、通常、シリコンダイオードの場合は0.6V～0.7V、ショットキーダイオードの場合は0.2V～0.3V程度です。

逆ブレークダウン電圧 (Vbr)

逆ブレークダウン電圧 (Vbr) は、逆バイアス時に指定されたレベルまで電流の伝導を開始する前にダイオードが耐えることができる最大逆電圧を特徴付ける重要なパラメータです。逆バイアスモードでは、逆電圧が逆ブレークダウン電圧に達するまでダイオードは最小限の漏れ電流のみを許可し、その時点でブレークダウン領域に入り、かなりの電流が流れるようになります。

一般的なパワーダイオードのV-I特性を図3に示します。

図3 : ダイオードのV-I特性

その他のダイオード特性

その他の特性には、接合容量、温度係数、逆回復時間などがあります。

図4 : ダイオードの逆回復特性

ダイオードの逆回復特性、特に逆回復時間 (trr) について図4に示します。

trrは、2つの時間間隔taとtbの合計です。taはダイオード電流がゼロ交差してからIRの値に達するまでの時間を表し、tbは最大逆回復電流からIRの約0.25に達するまでの時間間隔を表します。時定数taは接合部の空乏領域における電荷の蓄積に起因し、tbはバルク半導体材料における電荷の蓄積に起因します。特に高周波アプリケーションでは、trrが小さいことが望ましく、理想的にはゼロに近い必要があります。ただし、これにより製造費用が増加する可能性があります。対照的に、ダイオードの順方向回復時間は、ターンオン時間によって特徴付けられます。これはターンオン時間は、ダイオードがオンになり、逆バイアス状態から順方向バイアスされた後、すべての多数キャリアが電流の流れに寄与できるようになるまでにかかる時間です。

ダイオードの種類

パワーダイオードは、逆回復時間と製造技術に基づいて、次の 3つの主要なカテゴリに分類できます :

1. 汎用ダイオード : このタイプのダイオードは、通常、逆回復時間が長く、通常は25µsなど、数十マイクロ秒の範囲になります。これは低入力周波数の整流器やコンバータなどの低周波アプリケーションに適しています。これらのダイオードの定格電圧は通常50Vから約5kVまで変化します。さらに、電流定格は通常1A未満から数千アンペアまでの範囲です。
2. 高速回復ダイオード : このタイプのダイオードは、逆回復時間が通常5µs未満であるため、回復時間が重要な要素となる DC/DCおよびDC/AC コンバータ回路での使用に適しています。これらのダイオードの電圧の幅は通常50Vから約3kVの間ですが、電流の範囲は通常1A未満から数千アンペアまでです。
3. ショットキーダイオード : ショットキーダイオードは、0.15～0.45Vの低い順方向電圧降下と、約10ナノ秒の短い逆回復時間を示します。ダイオード内に存在する容量 (接合容量のみ) が減少することで、逆回復時間が短くなります。ただし、ショットキーダイオードには、低い逆電圧定格、増加する漏れ電流などの制限があります。このタイプのダイオードの最大許容電圧は通常 100Vに制限されており、電流定格は1～400Aの範囲です。ショットキーダイオードは、高電流および低電圧のDC電源、および効率を高める低電流電源に適しています。

ダイオードのアプリケーション

ダイオードは、電流を一方向に伝導する能力があるため、電子回路で幅広く使用されています。次のようなアプリケーションがあります :

整流

ダイオードは、AC入力をDC出力に変換する整流回路でよく使用されます。このプロセスでは、電流が一方向に流れるのを防ぎ、AC波形の半分または全サイクルのみが通過できるようにします。整流には主に2つの種類があります :

• 半波整流
• 全波整流

半波整流では、単一のダイオードがAC波形の正または負の半分をブロックし、入力AC信号と同じ周波数のパルスDC出力を生成します。逆に、全波整流では、特定の構成で配置された4つのダイオードで構成されるダイオードブリッジを使用して、AC波形の両半分を整流します。これにより、入力AC信号の2倍の周波数を持つパルスDC出力が生成され、半波整流に比べてリップル成分が少なくなる効率的なプロセスになります。そのため、全波整流は、電源、バッテリーチャージャ、DCモータドライブなどのさまざまなアプリケーションに適したオプションです。

クリッピングとクランプ

半波整流では、単一のダイオードがAC波形の正または負の半分をブロックし、入力AC信号と同じ周波数のパルスDC出力を生成します。逆に、全波整流では、特定の構成で配置された4つのダイオードで構成されるダイオードブリッジを使用して、AC波形の両半分を整流します。これにより、入力AC信号の2倍の周波数を持つパルスDC出力が生成され、半波整流に比べてリップル成分が少なくなる効率的なプロセスになります。そのため、全波整流は、電源、バッテリーチャージャ、DCモータドライブなどのさまざまなアプリケーションに適したオプションです。

その他のアプリケーション

ダイオードは電圧マルチプライヤとして機能する能力を備えており、ダイオードの配置によってAC信号を2倍、3倍、または4倍に増幅することができます。また、ダイオードは保護目的で電力コンバータ、電力コントローラ、スナバ回路に使用されます。