東芝が高電圧直流送電を狙った新構造IGBT、4.5kV・3kAのパワー半導体

日経クロステック／日経エレクトロニクス

2022.07.04

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2つのゲートでスイッチング動作を調整

　IGBT製品における損失は全部で5つある（図4）。IGBT動作での損失が3つ、すなわち①導通損失、②ターンオフ時のスイッチング損失E_off、③ターンオン時のスイッチング損失E_on。ダイオード動作での損失が2つ、すなわち、④導通損失、⑤逆回復時のスイッチング損失E_rrである。シングルゲート制御に比べてダブルゲート制御では、③IGBT動作のターンオン損失が18％減少、⑤ダイオード動作の逆回復損失が32％、②IGBT動作のターンオフ損失が24％減少したことを確認した（図5）。なお、全体では24％の損失削減という。このように、③や⑤、②のスイッチング損失を低減しながら、①IGBT動作の導通損失や④ダイオード動作の導通損失は増えない。

図4　5つの損失

（出所：東芝デバイス＆ストレージ）

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図5　トータルで24％の損失低減を確認

（出所：東芝デバイス＆ストレージ）

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　上述のようにスイッチング損失が低減するのは、2つのゲート（メインゲートMGとコントロールゲートCG）を使ってスイッチング動作を調整しているためである（図6）。具体的には、IGBT動作のターンオフ時には、MGよりもCGを先にオフすることで、基板に蓄積されていたホールを減らす。これで③IGBT動作のターンオン損失が減少する。また、ダイオード動作の逆回復時には、逆回復の直前にMGとCGを同時にオンすることで、基板中に蓄積されていた電子を放出させて、⑤ダイオード動作の逆回復損失を低減する。なお、⑤ダイオード動作の逆回復損失を低減することの副次的な効果として、②IGBT動作のターンオフ損失が減少するという。国際学会の発表では、今回の試作品と、既存製品のスイッチング波形の違いを見せた（図7）。