IGBTガイド

MOSFETとBJT（バイポーラ・ジャンクション・トランジスタ）は、最も一般的な電子パワー・スイッチング・デバイスです。しかし、この2つのデバイスには限界があり、特に大電流を流す用途では限界があります。IGBTは、BJTとMOSFETの両方の利点と特性を兼ね備えた代替デバイスです。

しかし、IGBTとはどのようなもので、どのように機能するのでしょうか。このガイドでは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタについて、その用途や種類、他のデバイスとの違いなどをご紹介します。

IGBTとは何ですか？

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）は、MOSFETとバイポーラトランジスタの両方の特徴を併せ持ったタイプのトランジスタです。ディスクリート半導体パワーモジュールは、パワーMOSFETとバイポーラトランジスタの両方の特性を兼ね備えたパワーモジュールです。このパワーモジュールは、バイポーラトランジスタの高電圧・高電流処理能力と、パワーMOSFETの高速スイッチング性能の両方を兼ね備えている。つまり、IGBTは非常に低いゲート電流駆動で大きなコレクタ-エミッタ間電流を扱うことができます。

IGBTモジュールは、3つの端子を持ち、金属-酸化膜-半導体ゲート構造によって制御される4つの交互層で構成されています。また、電流を順方向にしか切り替えられない「一方向性」です。これは、双方向の電流スイッチングが可能なMOSFETとは異なります。

IGBTは何に使われているのか？

このモジュールは、BJTとMOSFETの両方の利点を兼ね備えているため、電源回路やモーター制御回路に多く使用されています。また、パワーMOSFETやトランジスタだけでは対応できないパワーエレクトロニクス用途にも多く採用されています。

同様に、IGBTモジュールは電子機器のスイッチングデバイスとしてもよく使われます。これは、IGBTが高速スイッチングと高効率を両立しているためで、理想的な用途といえます。静的制御スイッチとして使用される場合、IGBTの電流および電圧定格は、バイポーラトランジスタと同様です。しかし、絶縁ゲートの存在により、必要な駆動電力が大幅に少なくて済むという利点があります。

IGBTの仕組みとは？

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、その名のとおり、MOSFETとバイポーラ接合型トランジスタの技術を組み合わせたものです。

名前の前半部分はMOSFETのような絶縁ゲートを指し、後半部分は標準的なバイポーラトランジスタの出力性能特性を指します。これは、IGBTデバイスが、トランジスタの伝導特性と出力スイッチングを維持しながら、MOSFETのように電圧制御されていることを示しています。一言で言えば、IGBTはBJTよりも高い電力増幅率を持ち、MOSFETよりも低い入力損失で高電圧動作が可能であり、PNPトランジスタの出力と、絶縁ゲート型NチャンネルMOSFETの出力を組み合わせたものになります。

IGBTは、3つの端子を持つトランスコンダクタンスモジュールです。これらの端子は、エミッタ、コレクタ、ゲートです。後者はデバイスを制御し、最初の2つは電流とコンダクタンスの経路につながっています。

パワーBJTと同様に、増幅量は入力信号と出力信号の比率で決まります。しかし、IGBTではゲートが通電路から絶縁されているため、入力電流がありません。そのため、ベース電流はMOSFETで賄います。

IGBTの構造

IGBTモジュールは、4層の半導体を挟み込んで形成されています。これらは

1. P+基板層（コレクタ端子に最も近い部分）
2. N-層
3. P層（エミッタ端子に最も近い部分）
4. N+層（P層の中にあるが、すべてのデバイスに存在するわけではない）

IGBTの種類

IGBTトランジスターは2つの方法で分類されます。これは、上述したようにP層の内部に存在する半導体層の1つであるN+バッファ層に基づき、この層を持つものをパンチスルーIGBT、持たないものを非パンチスルーIGBTと呼びます。

この特性から、対称型IGBTと非対称型IGBTと呼ばれることもあります。対称型は順方向と逆方向の耐圧が等しく、非対称型は逆方向の耐圧が順方向の耐圧よりも小さい。このため、非対称IGBTは、逆方向の電圧をサポートする必要がないため、一般的には直流回路に使用されます。

パッケージ＆マウントタイプ

IGBTには、メーカーによって様々なパッケージがあります。また、スルーホール、パネルマウント、表面実装などの実装形態によっても異なります。

ブランドやメーカーは以下です。

よくある質問

IGBTの利点は何ですか？

ハイブリッド構成であることから、他のタイプのパワートランジスタと比較して、IGBTモジュールの使用には多くのメリットがあります。それぞれ以下の通りです。

• 高電圧対応
• ドライブのシンプルさ
• 低オンステート電力損失
• 低抵抗
• 速いスイッチングスピード

IGBTとMOSFETの違いは何ですか？

MOSFETとIGBTは似たような部品ですが、両者には大きな違いがあります。ここでは、IGBTとMOSFETの主な違いについて説明します。

IGBTパワーモジュールは、高電圧下での動作に特化して設計されているため、高電圧用途に適しています。IGBTの定格電圧は約1400Vであるのに対し、MOSFETの定格電圧は約600Vと非常に低くなっています。

また、IGBTの3端子（エミッタ、コレクタ、ゲート）とMOSFETの3端子（ソース、ドレイン、ゲート）は、構造が似ていても端子が異なります。

表は、2つのデバイスタイプの比較です。

IGBTを制御するには？

IGBTトランジスターは、ゲート端子の活性化または非活性化によってオン/オフを切り替えることができます。オン状態にするには、ゲートに正の入力電圧を印加し、エミッタにデバイスをオンに保つよう信号を送る必要があります。これらのデバイスは電圧制御されているので、IGBTモジュールの導通を維持するためには、ゲートにわずかな電圧をかけるだけでよい。オフ状態では、入力ゲートがゼロまたはマイナスの信号を受け取るように変更すると、デバイスがオフになります。

IGBTのテストはどのように行うのか？

IGBTのテストは、デバイスとダイオードの状態を確認するために重要です。また、ゲート端子が適切に絶縁されているかを確認することもできます。

IGBTモジュールはマルチメーターで簡単にテストできますが、より包括的な回路診断が必要な場合は、専門家に相談することをお勧めします。また、これらのモジュールは静電気に対して非常に敏感であるため、IGBTトランジスタを取り扱う際には、静電気防止用の保護具を使用する必要があります。