富士電機技報

第95巻第4号（2023年4月）

特集 モビリティ・エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体

企画意図

気候変動問題の解決を目指す“脱炭素化”の潮流が世界的に加速していることを踏まえ、富士電機は長期的に取り組むべき環境活動の方向性を示す“環境ビジョン2050”を策定しました。その達成に向けて“2030 年度目標”を設定しており、その一つとして、“製品による社会のCO₂ 削減貢献量”を掲げています。この目標達成には、モビリティの電動化、ならびにパワーエレクトロニクス機器の高効率化によるエネルギーの安定的かつ効率的利用が必須です。これらの電動化、高効率化に富士電機のパワー半導体は大きく貢献しています。本特集では、富士電機のパワー半導体について、最新の技術および製品を紹介します。

〔特集に寄せて〕Power Semiconductor Devices - Driving Technology for Power Conversion Systems
パワー半導体デバイス ―電力変換システム技術の牽引役―

LORENZ, Leo
Dr. Engineering, President ECPE (European Center for Power Electronics)
Technology Advisor to Industry and Government, Munich, Germany
工学博士、ECPE プレジデント

〔現状と展望〕モビリティ・エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体

大西　泰彦　・　宮坂　忠志　・　井川　　修

世界的にカーボンニュートラル実現に向けた脱炭素化の取組みが加速しており、日本を含む世界各国で温室効果ガス削減の具体的目標が定められている。富士電機は、“豊かさへの貢献”“創造への挑戦”“自然との調和”を経営理念に掲げ、エネルギー・環境事業で持続可能な社会の実現に貢献していくことを経営方針の柱に据えており、革新的クリーンエネルギー技術・省エネルギー製品の普及拡大を通じ、“脱炭素社会”“循環型社会”“自然共生社会”の実現を目指す、“環境ビジョン 2050”を策定している。中でも、脱炭素社会の実現に対しては、自動車電動化の拡大や電気エネルギーの効率的な利用が必須であり、パワーエレクトロニクス（パワエレ）機器はこれらの実現に必要不可欠である。このことから、パワエレ機器の主要なデバイスであるパワー半導体に対する期待はますます高まってきている。本稿では、パワー半導体の製品および技術の現状と展望について述べる。

xEV 向け IGBT モジュールの高電力密度化を実現するパッケージ技術

佐藤　悠司　・　安達新一郎　・　東　　展弘

自動車分野では、温室効果ガス排出削減の手段として電動車が期待されている。電動車のインバータに搭載されるパワーモジュールは、小型・薄型化、高出力化を併せ持った高電力密度化が求められる。富士電機は、これらの市場要求に対して業界トップクラスの超小型のxEV 向けIGBT モジュール「M677」を開発した。高電力密度化に伴い増加する単位体積当たりのストレスに対して、リードフレーム配線をチップの平面上に接合することで小型で薄型のIGBT の短絡耐量が向上した。また、市場で要求されるはんだ接合部のエレクトロマイグレーション寿命に対して、十分な耐性を確保した。

第2世代 1,700 V All-SiC モジュールの系列拡大

高久　　拓　・　高崎　愛子　・　奥村　啓樹

これまでに富士電機では、シリコン（Si）パワー半導体に比べてパワーエレクトロニクス（パワエレ）機器の大幅な損失低減が期待できる1,200 V 耐圧All-SiC モジュールを開発している。今回、モータドライブや再生可能エネルギー、電鉄などに用いられる高耐圧の電力変換器向けに、第2 世代トレンチゲート構造の1,700 V 耐圧SiC-MOSFET パワー半導体を搭載したAll-SiC モジュールを開発した。これにより、電力変換器の発生損失を同定格のSi-IGBT モジュールに対して68% 低減でき、パワエレ機器の高密度化と小型化が期待できる。

RC-IGBT を搭載した第7世代 IGBT-IPM の小型製品の系列化

黒澤　英二　・　城塚　直彦　・　唐本　祐樹

富士電機は、電力変換装置のさらなる小型化、高信頼性化の要求に応えるため、RC-IGBT チップを搭載した新小型パッケージ「P639」を適用した第7 世代IGBT-IPM の系列化を行った。この製品は、第6 世代IGBT-IPM の「P629」に比べ、設置面積を27% 縮小した。また、第7 世代チップ技術とIGBT のゲートを駆動する新たな制御技術を採用することにより、連続動作時の発生損失を約7% 低減した。さらに、第7 世代のパッケージ技術を適用し、150 ℃での高温動作化を実現した。

3.3 kV 第7世代「X シリーズ」IGBT チップ技術

伊倉　巧裕　・　原田　祐一　・　関野　裕介

鉄道分野において、モータを駆動するために使用されるIGBT モジュールは、CO₂ 削減に直結するため、さらなる低損失化が求められている。富士電機は、この要求に応えるため、最新世代の「X シリーズ」のIGBT とSiC-SBD を組み合わせた、3.3 kV 定格のSiC ハイブリッドモジュールを開発した。X シリーズIGBT チップは、表面構造の微細化とドリフト層の厚さを薄くすることで、コレクタ・エミッタ間飽和電圧を従来よりも1.0 V 低減した。また、SiC-SBD を組み合わせることでターンオン損失を51%、逆回復損失を98% 低減した。

第7世代 PWM 電源制御 IC「FA8C00 シリーズ」

松本　晋治　・　山根　博樹　・　宮城　輝大

近年、電子機器の省エネルギー化が進む中で、電子機器に用いられるスイッチング電源には、軽負荷時の電力変換効率向上、高AC 入力電圧対応、小型化が求められている。富士電機は、これらの要求に応えた第7 世代PWM 電源制御IC「FA8C00 シリーズ」を開発した。MOSFET のゲート駆動に最適な最小出力パルス幅を選択でき、軽負荷時の電力変換効率が向上した。また、高AC 入力電圧端子の最大印加電圧を650 V から710 V に向上した。さらに、IC 出力電圧をクランプすることで、外部レギュレータ回路が不要となり、部品点数の削減を可能にした。

IPS用オートゼロアンプ技術

岩本　基光　・　豊田　善昭　・　片倉　英明

近年、自動車に搭載される電子部品が増加し、ECU 基板は高密度実装が求められている。ECU に搭載する部品には小型化や複数部品の統合化の要求があり、富士電機は電流駆動素子、電流検出アンプ、電流検出用シャント抵抗を1 チップ化する次世代IPS の開発を検討している。シャント抵抗をチップ内に内蔵する場合、アンプの精度を従来以上に高精度化する必要がある。そこで、出力誤差を自動補正する機能を備えた高精度アンプのオートゼロアンプ技術を開発した。これにより、電流検出精度を従来と同程度に維持しつつ、ECU 基板の実装面積を縮小することができる。

トレンチ SBD 内蔵によりバイポーラ劣化を抑制した SiC-MOSFET

馬場　正和　・　俵　　武志　・　竹中　研介

SiC-MOSFET のボディダイオードに順方向通電を行うと、ドリフト層内に積層欠陥が拡張し、特性が劣化（オン電圧が上昇）する問題がある。これに対して、SiC トレンチゲートMOSFET にトレンチSBD を内蔵することで、チップサイズを大きくすることなく、順方向通電時にボディダイオードに流れる電流を抑制できる。本構造では従来のSiC トレンチゲートMOSFET に対して、特性劣化が生じる電流密度を約4 倍に高めることができた。また、外付けのSBD を用いないために製品の小型・軽量化が期待できるとともに、特性劣化が抑制されるので長期信頼性の向上も期待できる。

解説

アーム

インバータなどのスイッチング回路において、スイッチとダイオードで構成されるものをアームという。図1 のように、電源から負荷に電流を供給する回路を上アームという。電源に負荷から電流を引き込む回路を下アームという。

略語

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