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2009年11月
昭和 40 年 6 月 3 日 第三種郵便物認可 平成 21 年 11 月 10 日発行（年 6 回 1，3，5，7，9，11 月の 10 日発行）富士時報 第 82 巻 第 6 号（通巻第 859 号）
ISSN 0367-3332
1RY
特集 エネルギー・環境分野に
貢献するパワー半導体
1RY
特集 エネルギー・環境分野に
貢献するパワー半導体
目 次
特集 エネルギー・環境分野に貢献するパワー半導体
〔巻頭言〕 次世代のパワーデバイスに向かって
357（ 1 ）
松本 俊
パワー半導体の現状と展望
358（ 2 ）
関 康和 ・ 宝泉 徹 ・ 山添 勝
ハイブリッド車用第２世代めっきチップ
362（ 6 ）
藤井 岳志 ・ 今川 鉄太郎 ・ 洞澤 孝康
ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi009」
366（10）
鳶坂 浩志 ・ 中川 翔 ・ 今井 誠
3.3 kV IGBT モジュール
371（15）
古閑 丈晴 ・ 有田 康彦 ・ 小林 孝敏
高速 IGBT モジュール
375（19）
堀江 峻太 ・ 小川 省吾 ・ 高久 拓
IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化
380（24）
高橋 孝太 ・ 吉渡 新一 ・ 関野 裕介
表紙写真
インテリジェントパワーモジュール「V シリーズ IPM」
384（28）
清水 直樹 ・ 高橋 秀明 ・ 熊田 恵志郎
Superjunction MOSFET
389（33）
大西 泰彦 ・ 大井 明彦 ・ 島藤 貴行
第 2 世代宇宙用高信頼性パワー MOSFET
393（37）
井上 正範 ・ 小林 孝 ・ 丸山 篤
超低 I R ショットキーバリアダイオード
398（42）
北村 祥司 ・ 一ノ瀬 正樹 ・ 中沢 将剛
温暖化から地球を守るため，われわれ人類
は多くのことをしなくてはならない。富士電
機はパワーエレクトロニクスとパワー半導体
の相乗効果で双方の力をさらに高めながら，
“エネルギー・環境”
分野に注力し，
エネルギー
EPA5.0 規格対応カレントモード PWM 制御 IC
「FA5592 シリーズ」
403（47）
朴 虎崗 ・ 藤井 優孝 ・ 山根 博樹
多機能ボルテージモード PWM 制御 IC「FA5604 シリーズ」
408（52）
佐藤 紘介 ・ 丸山 宏志 ・ 本井 康朗
のグリーン化と地球環境の保全に努めている。
低ノイズ電流連続モード PFC 制御 IC「FA5610/FA5611」
地上よりも高い信頼性と省エネルギー性が
藪崎 純 ・ 陳 建 ・ 境 保明
413（57）
求められる宇宙空間においても富士電機のパ
ワー半導体は使われている。
排気系圧力検出用センサ
表紙は国際宇宙ステーションで使われて
植松 克之 ・ 田中 寛子 ・ 加藤 博文
418（62）
い る 富 士 電 機 の 宇 宙 用 高 信 頼 性 MOSFET
（Metal - Oxide - Semiconductor Field Effect Transistor）である。富士電機のパ
IGBT モジュールのサーマルマネジメント技術
423（67）
西村 芳孝 ・ 大野田 光金 ・ 百瀬 文彦
ワー半導体は宇宙ステーションだけでなく，
宇宙船地球号の省エネルギーに貢献し環境を
守っている。
富士時報 VOL.82 2009（平成 21 年）総目次
（巻末 3 ページ）
特集 エネルギー・環境分野に貢献するパワー半導体
特 集
次世代のパワーデバイスに
向かって
松本 俊}ôÚøÞeÕÁÍ~
山梨大学工学部教授 工学博士
誰ÝøÂhºÚÝøhßÉÝÝø必要à情報Ĉ手á入
º¾hİĹčĢÂ実用ä域á達ÏāáåàÀ多Åä基礎
ĂÕĀ発信ÍÕĀÝÃāŏļĖĨĢ社会Â到来Íþ¼Þ
的j技術的課題Ĉ抱¾ÜºāÉÞø事実ݸāg一例Ĉ挙
Íܺāg膨大à情報ä流Ăáå必然的á巨大àđĶŔ
ÈāÞhĹŔĘ結晶成長hđĽĨĖĠŌŔ成長hIJsĽ
ėsä流ĂÂ付随ÍÜÀĀhÉäđĶŔės流Ĉ半導体
Ŝęáþā価電子制御hĢıčĖēŊıœ制御h結晶異方
İĹčĢÂĜŜıŖsŔÍܺāg現代社会ä安心安全å
性hđĬĪŜęj加工h絶縁膜hMIS}Metal-Insulator-
半導体įĘķŖġsá支¾ÿĂܺāÞ言ÙÜø過言Ýå
Semiconductor~界面h電極hĺĬĚsġŜęhàßàßg
àºg中ÝøĠœĜŜ}Si~İĹčĢå情報通信Áÿ電力
地道à息ä長º研究ä上áºÅÚÁäĿŕsĘĢŔsĈ積
系統á至ā広範à分野Ý主役Ĉ演ÎܺāgSi įĘķŖ
õ重ãh近º将来á実用化ËĂāÉÞĈ期待Ïāg
ġså極÷Ü高度á発達ÍhİĹčĢ性能 Si ä材料物
ÞÉăÝh私事áąÕÙÜ恐縮ݸāÂh夏åĺŘs
性Ý制限ËĂā理論的限界á近ۺܺāgÍÁÍhÞ
İĹčĢä存在Ĉ家庭Ý実感Íܺāg拙宅ä屋根áå
ßôāÞÉăĈ知ÿàº社会ä要請åËÿàā高性能化Ĉ
多結晶ĠœĜŜ太陽電池Â載Ùܺā}2002 年設置~
g夏
要求Í続Çܺāg一般á素子ä特性åh素子ä構造Þ
ä太陽á熱ÑÿĂÜ発電効率Â低下ÏāÖÇÝàÅh屋
材料Ý決ôāg構造Â同Îàÿ目的ÞÏā機能áÞÙÜ優
内設置čŜĹsĨä効率Â肌Ý感ÎÿĂāg茅屋内á少
ĂÕ物性Ĉ有Ïā材料Ý素子Ĉ作Ăæ高性能Â期待ÝÃ
à Á ÿ â 熱 Ĉ 発 散 Íh 寒 º 季 節 á å 善 à ā 存 在 Ý ¸ ā
āg新構造åËÜÀÃhÉÉÝå新材料áÚºÜ考¾āg
Âh夏場å熱魔Þ化ÍÜ家人á評判Â悪ºg半導体äĢ
大電力Ĉ低損失Ý制御ÏāÕ÷äĺŘsİĹčĢ用材
čĬĪŜę損失Â熱áàÙÜ放散ËĂāÞąÁÙܺÜ
料ÞÍÜh炭化珪素}SiC~
h窒化ĕœďʼn}GaN~系hĩ
ø暑ºøäå暑ºg小ËÅåàº空間Ĉ占拠Ïāäø不
čōŋŜIJ}C~àßäŘčIJĹŜIJėŌĬŀ半導体Â期
人 気 ä 一 因 Ý ¸ āg 文 庫 本 70 v 80 冊 ä Ģ Ń s Ģ Ý ¸
待ËĂܺāgÉĂÿä半導体å文字ßÀĀ広º}Řč
āgÉĉà問題åĺŘsİĹčĢä性能Â理想的á向上
IJà~ĹŜIJėŌĬŀĈ持×hSi á比ïÜ 10 倍程度ä絶
ÏĂæ一気á解決Ïāg弁当箱大Ý熱Ĉ出Ëàº箱àÿ
縁破壊電界強度Þ 2 倍以上ä飽和電子IJœľı速度Ĉ持
誰ø気ÂÚÁàºg優ĂÕ技術å空気äþ¼á存在Ïāg
×hÁÚ熱伝導率ø大ú޺¼ĺŘsİĹčĢä低損失
ŘčIJėŌĬŀ半導体Â実用化ËĂĂæhđĶŔės
化j高速化j小型化áÞÙÜ望ôͺ物性Ĉ有ÏāgÉ
ĶĬıŘsĘú産業界Ýä各種電力変換装置äõàÿ
Ăÿä物性åĹŜIJėŌĬŀÂ大úÉÞÞ密接á関係
Ð 太 陽 電 池j 燃 料 電 池j 電 気 自 動 車 à ß á 組 õ 込 ô Ă
ÍܺāgİĹčĢîä要求åh大電力j低損失äõà
Ü一般家庭áøĺŘsİĹčĢºÙÓ¼浸透ÍÜÅ
ÿÐ従来考¾ÿĂàÁÙÕĸsIJà環境h例¾æ高温環
āg地球温暖化問題ú 脱炭素社会Â叫æĂܺāÂhÓ
境ú放射線環境á対Ïā耐性îÞ広ÂÙÜÀĀhŘčIJ
ä一方Ý電気đĶŔėsä消費å不可避ݸāæÁĀÁ
ĹŜIJėŌĬŀ半導体åÉä方面Áÿø期待ËĂܺāg
ô Ï ô Ï 拡 大 Í 続 Ç ā Ý ¸ ă ¼g 文 明 社 会 持 続 ä Õ ÷
ŘčIJĹŜIJėŌĬŀ半導体åhÉäþ¼á優ĂÕ基
áİĹčĢ技術Â果ÕÏ役割å小ËÅàºÞ考¾āgÉ
礎特性Ĉ有Ïā反面hSi á比ïÜ結晶ä品質Â劣āhSi
ä 技 術 Ĉ 支 ¾ ā ä å 何 Þ º Ù Ü ø 若 º 人 材 Ý ¸ āg 小
ŀŖĤĢÂÓäôô適用ÝÃàºÉÞàßÁÿİĹč
中 高 校 生 ä 理 科 離 Ă Â 言 ą Ă 続 Ç Ü 久 Í º Âh đ Ķ Ŕ
Ģ化Â困難視ËĂÜ ÃÕgÍÁÍhSiC äĩčēsIJú
ės問題Â切実感ÞİĹčĢĈ組õ込ĉÖ製品Ĉ引ÃÚ
MOSFET}Metal - Oxide - Semiconductor
Field - Effect
Ă Ü 家 庭 ä 中 á ô Ý 浸 透 Í Ü Å ā 今 É Óh 多 Å ä 若 º
Transistor~Ý Si ä理論限界Ĉ凌駕ÏāēŜ抵抗hGaN
世 代 Ĉ É ä 分 野 á 惹 Ã Ú Ç ā Ī Ō Ŝ Ģ Ý ¸ āg É Ă Ĉ
系高周波İĹčĢÝ Si ú GaAs 系Ĉ一桁上回ā電力密度
契機áĺŘsİĹčĢäºÙÓ¼ä進展Ĉ期待ÍÕºg
àßÂ達成ËĂhİĹčĢ化研究Â活発化ÍܺāgÞå
357（ 1 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
パワー半導体の現状と展望
特 集
;OL*\YYLU[:[H[\ZHUK-\[\YL6\[SVVRMVY7V^LY:LTPJVUK\J[VYZ
関 康和@HZ\RHa\:LRP
宝泉 徹;VY\/V\ZLU
山添 勝4HZHY\@HTHaVL
地球環境保護îä取組õÂ注目ËĂhĺŘsđŕĘıŖĴĘĢä基幹部品ݸāĺŘs半導体ä重要性Â増大Íܺāg
第 6 世代 IGBTV Ġœsģ技術Ĉ用ºÜ高温動作h高耐圧 ･ 大容量äĺŘsŋġŎsŔä製品化ú開発Ĉ行ÙÕgņ
ĢıĠœĜŜÞÍÜhŘčIJĹŜIJėŌĬŀ半導体Ĉ用ºÕİĹčĢä開発ú Superjunction MOSFET ä開発Ĉ行Ùܺ
āgËÿá{Ãò¼|Ý使ąĂܺā宇宙用 MOSFET Ýå高信頼性化ú低損失化h電源制御用 IC Ýå低ķčģj省đĶ
Ŕės化Ĉ達成Íܺāg自動車用ä排気系圧力ĤŜĞúĸčĿœĬIJ車用ä制御 IC Ĉ新Õá製品化ÍÕg
With the increased focus on efforts to protect the global environment, power semiconductors, which are the main power electronics products, are becoming increasingly important. Using 6th-generation IGBT V-Series technology, Fuji Electric has developed and commercialized
high voltage, large capacity power modules that are capable of operating at high temperatures. As post-silicon technology for the next generation, we are pursuing the development of devices that utilize wide band gap semiconductor material and the development of superjunction
MOSFETs. Additionally, MOSFETs designed for applications in outer space and used in the Japanese experimental module known as{Kibo|
attain high reliability and low loss, while ICs designed for use in power supply control achieve low noise and energy savings. Exhaust system
pressure sensors for use in automobiles and control ICs for use in hybrid vehicles have been newly commercialized.
まえがき
図
IGBT モジュールに要求される特性
2009 年å米国ÝēĹŇ政権Â発足ÍhęœsŜĴŎs
低オン電圧
（オン抵抗）
İČsŔ政策Â始動ÍÕg同年 9 月áå国連気候変動Ğ
ňĬıÝ鳩山首相Âh日本å 2020 年ôÝá 1990 年比Ý温
室効果ĕĢĈ 25 % 削減ÏāÉÞĈ新Õà中期目標ÞÍÜ
表明ÍÕg各国äœsĩsÂ新ͺ方針Ĉ示Ï中Ýh今最
トレードオフ関係
高速スイッチング
高破壊耐量
ø注目Ĉ集÷ܺāäÂđĶŔėsj環境関連事業ݸāg
富士電機Ýåh現在{đĶŔėsj環境|Ĉ核ÞÍÕ事
業構造îä変革á取Ā組ĉݺāgËÿá以前Áÿ地球環
境保護ú CO2 削減Ĉ実現ÏāÕ÷ä中核ĈàÏĺŘsđ
ľä関係ݸĀhÏïÜä要求Ĉ満ÕÏáå多Åä技術的
ŕĘıŖĴĘĢ}ĺŘđŕ~技術ä革新á取Ā組ĉÝÃÕg
àĿŕčĘĢŔsÂ必要ݸāg
ĺŘđŕ技術åhđĶŔėsĈ効率的á動力î変換ÏāÕ
第 6 世代 IGBT ŋġŎsŔV ĠœsģÝåh理論限
÷ä重要技術ä一ÚݸĀhÓä基幹部品ÞÍÜäĺŘs
界á近º特性Ĉ達成Íh発生損失ä低減Ĉ果ÕÍÕgôÕh
半導体ä重要性ÂôÏôÏ増大ÍÜÃܺāg
十分á環境Ĉ意識ÍÜ設計Íܺāg例¾æh鉛ľœsĈ
注 1
ĺŘs半導体îä要求åh低損失j高速ĢčĬĪŜęá
加¾低ķčģÞ使ºúÏËݸāg
本稿Ýåh富士電機Â取Ā組ĉݺāđĶŔėsj環境
łsĢÞÍÕ RoHS 指令 対応úh発生ÏāķčģĈ大Ã
Å低減ËÑÕĺĬĚsġ構造ÞÍh小型軽量化ø同時á実
現ËÑܺāgËÿá 175 ℃ôÝä高温動作Ĉ可能ÞÍÕg
対応ĺŘs半導体Ĉ中心áhÓä代表製品ݸāĺŘsŋ
É Ă ÿ ä 優 Ă Õ V Ġ œ s ģ IGBT Ĉ 用 º Üh600 Vh
ġŎsŔhĺŘsİČĢĘœsıh電源制御 IC Àþé自
1,200 Vh1,700 V 耐圧Ýä IGBT ŋġŎsŔ系列úhIPM
動車用İĹčĢáÚºÜhÓä現状Þ今後ä展望Ĉ紹介Ï
系列Ĉ製品化Íܺāg
富士電機åÉĂôÝĸčĿœĬIJ車用á IGBT ŋġŎs
āg
Ŕú IPM}Intelligent Power Module~Ĉ開発ÍÜÃÕg
パワーモジュール
ôÕhĸčĿœĬIJ車適用ä基幹部品ÞÍÜ両面冷却構造
ĺĬĚsġ構造á用ºā÷ÙÃ適用 IGBThFWD}Free
{đĶŔėsj環境|ĈĖsŘsIJÞÍÜ IGBT}Insu-
Wheeling Diode~ĪĬŀø開発ÍÜÃÕgÉĂå一般用
lated Gate Bipolar Transistor~ĺŘsŋġŎsŔĈËô
ä IGBT Þ比較ÍÜ約 2 倍ä電流密度Ĉ達成Íܺāg今
Ìôà分野á展開ÍܺāgÓä核Þàā IGBT ĪĬŀåh
回åËÿá第 6 世代 IGBTV Ġœsģ技術h微細加工
第 6 世代 IGBT ĪĬŀÞÍÜV Ġœsģä展開Ĉ開始
Íܺāg図
á示Ïþ¼áhIGBT ŋġŎsŔá対Ïā
要求項目å多ÅhÓĂÔĂä要求項目Þ特性åıŕsIJē
358（ 2 ）
注 1RoHS 指令k電気電子機器á含ôĂā特定有害物質ä使用制
限áÚºÜä EU}欧州連合~ä指令
富士時報 Vol.82 No.6 2009
パワー半導体の現状と展望
|Ĉ開発ÍÕg富士電機Ýåh2008 年度
}SJ-MOSFET~
比較ÍÜ大幅á特性改善Ĉ達成ÍܺāgôÕh温度ĤŜ
áŀŕsij型 MOSFET ÞÍÜ最高性能ä RonjA}単位
ĠŜęh電流ĤŜĠŜę機能ø内蔵ÍhþĀ使ºúϺ
面積Ý規格化ÍÕēŜ抵抗~Ĉ持ÙÕSuperFAP-E3S
ĪĬŀÞÍܺāg
600 V ĠœsģĈ開発Íh低損失化ÞĢčĬĪŜę性能
đĶŔėsj環境分野îä適用ÞÍÜh例¾æ風力発電
äıŕsIJēľ改善ÞÞøá低ķčģ化Ĉ実現Íh機器ä
用ÞÍÜ高耐圧j大容量 IGBT ŋġŎsŔä適用Â始ôÙ
高効率化á貢献ÍÜÃÕg最近hMOSFET ä主要ċŀœ
ܺāg最近ä風力発電用途Ýä傾向Ýåh高耐圧j大容
ĚsĠŐŜݸāĢčĬĪŜę電源分野Ýåh国際đĶŔ
量ä IGBT ŋġŎsŔä要求Â強Åh富士電機Ýå 1,200 V
ėsĢĨsŀŖęŒʼná代表ËĂā国際的à省đĶŔės
耐圧h1,700 V 耐圧h3,300 V 耐圧ä大容量ŋġŎsŔĈ準
}省đĶ~規制á対応ÏāÕ÷h高効率化Â加速Íܺāg
備ÍÉä要求á対応ÍܺāgHPM}High Power Mod-
特á IT 社会ä基盤ÞÍÜ欠ÁÑàºhčŜĨsĶĬı
注 2
ule~
h
EconoPACK ＋àßä豊富àĢĨŜĩsIJĺĬĚsġ
İsĨĤŜĨsÝ使用ËĂā大容量ĞsĹàßÝåh電源
群ĈÞĀÓă¾h顧客展開ĈÍܺāg
効率 92 % 以上}50 % 負荷時~Â求÷ÿĂܺāgÉĂÿ
新 Õ à IGBT ä 展 開 Þ Í Üh 富 士 電 機 Ý å RB-IGBT
Ĉ実現ÏāÕ÷áåhMOSFET øËÿàā低損失化Â必
}逆阻止型 IGBT~ú RC-IGBT}逆導通型 IGBT~àßø
要Ýh今回新ÍÅ低ēŜ抵抗性能Ĉ持ÙÕ SJ-MOSFET
開発Íܺāg特á
RB-IGBT
Ýå次世代ċŀœĚsĠŐ
Ĉ開発ÍÕgSJ-MOSFET åh業界最高水準ä RonjA Ĉ
ŜÞÍÜ期待Â大úŇıœĬĘĢĜŜĹsĨîä適用úh
持×h従来äSuperFAP-E3S ĠœsģÞ比ï約 1/4 ä
新 3 ŕłŔ方式äčŜĹsĨîä適用àßÂ期待ËĂܺ
ēŜ抵抗Ĉ実現ÍÕg電源ä力率改善回路á搭載ÍÕ場合
āg
Ý図
á示Ïþ¼á約 14 % ä損失低減Â可能ݸĀh早
期ä製品化á向Ç開発Ĉ加速Íܺāg
ô Õh 人 工 衛 星 à ß ä 宇 宙 用 Þ Í Ü 信 頼 性 ä 高 º
次世代パワーモジュール
MOSFET ø製品化Íܺāg富士電機ä最初ä宇宙用İ
第 6 世代 IGBT ä V Ġœsģä特性åĠœĜŜä理論
ĹčĢåh1994 年ä純国産ŖĚĬı 1 号機î搭載ËĂ打
限界á近ÛÃÚÚ¸āgÓÉÝhĠœĜŜá代ąā次世
×上È成功á貢献ÍÕgÓä経験ÞÓä後ä研究開発ä成
代ĺŘsİĹčĢä材料ÞÍÜh炭化Ǻ素}SiC~Þ窒
果Ĉ生ÁÍh現在系列化Íܺā宇宙用 MOSFET áåh
化ĕœďʼn}GaN~Â有力à候補ÞàÙܺāgÉĂôÝ
ÓĂôÝä課題Ĉ克服ÍÕ低ēŜ抵抗Àþé宇宙空間Ý必
SiC åhÓä物性ÂĺŘsİĹčĢá最適ݸāÉÞÁÿ
須ä電離放射線ú高đĶŔės粒子á対Ïā耐性Ĉ持ÕÑ
長º間研究開発ÂàËĂÜÃÕÂh最近áàĀ実用化Â急
āÉÞĈ可能áÍÕgËÿáh2008 年á打×上ÈÿĂÕ
速á話題áàĀ始÷ܺāgSiC å結晶成長úŀŖĤĢ技
国際宇宙ĢįsĠŐŜä日本実験ŋġŎsŔ{Ãò¼|á
術Â難ͺÉÞÁÿĜĢıÂ極÷Ü高ºÂh技術的解決ä
搭載ËĂ順調à運転Ĉ続Çܺāg今後åh積極的á海外
道筋Â少ÍÐÚ見¾ÜÃÜÀĀhºÐĂĜĢı問題ø解決
ä宇宙産業向Çáø展開ÍܺÅg
一方hĩčēsIJÝåh太陽光発電àß高温環境下Ýø
ÏāøäÞ思ąĂāg
ôÕh青色ĩčēsIJÝ一躍有名áàÙÕ GaN åhĺ
使用可能à超低 IR ĠŐĬıĖsĹœċĩčēsIJ}SBD~
ŘsİĹčĢáÞÙÜø有望à材料ݸāÉÞÂ判明Íh
Ĉ開発ÍÕg従来ä SBD á比ïh逆方向œsĘ電流 IR Ĉ
次世代ĺŘsİĹčĢä材料候補áàÙÕgôÖĺŘsİ
1/10 以下á低減ÍÕÉÞÝh接合温度 175 ℃保証Ĉ可能
ĹčĢÞÍÜä歴史å浅ºÂhĠœĜŜďĐsĸä上á形
áÍÕg
成ÏāÉÞÂÝÃāÉÞÁÿhÓä安価àĜĢıŊœĬı
将来á向Çh現行äĠœĜŜá比ï圧倒的à低損失Ĉ実
Ĉ生ÁÏÉÞÂÝÃāÁß¼ÁÂ決÷手Þàāg
SiC ø GaN ø将来äĺŘsİĹčĢ材料候補ÞÍÜå
図
パワー MOSFET の発生損失比較（入力 AC100 V/ 出力
有望ݸāg富士電機åhSiC Ýå独立行政法人産業技術
400 W）
総合研究所Þ共同研究Ĉ実施ÍܺāgËÿáhGaN Ý
1.2
å古河電気工業株式会社Þ次世代ĺŘsİĹčĢ技術研究
組合Ĉ設立Íh共同研究Ĉ実施ÍÜÀĀhÓä成果Ĉ取Ā
パワーディスクリート
高耐圧 MOSFET}Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect-Transistor~Ýåh今回{Superjunction MOSFET
注 2EconoPACKkInfineon Technologies AG. ä商標ôÕå登録
1.0
発生損失（a.u.）
入ĂÜ次世代ĺŘsŋġŎsŔá適用Ïā計画ݸāg
14％低減
0.8
ターンオフ
損失
0.6
0.4
0.2
ターンオン
損失
導通損失
0.0
「FMH23N60ES」
SJ-MOSFET
商標
359（ 3 ）
特 集
技術Ĉ適用ÍhFS}Field Stop~構造改善áþĀh従来Þ
富士時報 Vol.82 No.6 2009
パワー半導体の現状と展望
現Ïā SiC ú GaN Ĉ用ºÕ次世代İĹčĢä開発Ĉh前
述ÍÕþ¼á外部Þä共同開発Ĉ活用Í加速ÍܺÅg
自動車排出ĕĢ規制åh2009 年Áÿ日本ÝåņĢı新
長期規制h欧州Ýå EUR05 Â施行ËĂh年々厳ÍÅàÙ
特 集
ܺāgÉĂá対Íh近年h排ĕĢä一部Ĉ吸気側á再度
戻ÍÜđŜġŜ内燃焼Ĉ制御Ïā排ĕĢ再循環ĠĢįʼnø
電源制御 IC
採用ËĂ始÷Õg新ÍÅ開発ÍÕ排気系圧力検出用ĤŜĞ
電源制御 IC ÝåhĢčĬĪŜę電源ä省đĶh低ķč
åh
従来ä吸気系圧力ĤŜĞá適用ÍÜºÕ CMOS}Com-
ģú機器ä低ĜĢıá貢献ÏāÕ÷h富士電機独自ä制御
plementary Metal-Oxide-Semiconductor~ŘŜĪĬŀ技
方式Ĉ開発Í適用Íܺāg常時ĜŜĤŜıá接続ËĂÜ
術ĈłsĢáh新ͺ構造ä採用áþĀ耐腐食性Ĉ大幅á
ºāįŕļúĺĦĜŜhŀœŜĨàßÝå待機状態ä時間
向上ËÑÕgÉä技術Ĉ基áh重機àßîä適用á向Ç製
Â長Åh省đĶ化äÕ÷áå待機時ä消費電力低減Â必須
品開発Ĉ続ÇܺÅg
ݸāg米国環境保護庁発効ä EPA5.0 規格Ýåh軽負荷
⑵ ĸčĿœĬIJ車用 IGBT 駆動 ICFi009
時ø含÷Õ平均効率Â規定ËĂÜÀĀhÉĂá対応Ïā
ĕĦœŜđŜġŜÞ電動ŋsĨĈ組õ合ąÑÜh自動車
EPA5.0 規格対応ĔŕŜıŋsIJ PWM 制御 ICFA5592
ä走行状態áþā負荷分担Ĉ最適化ÏāÉÞÝh高燃費Ĉ
ĠœsģĈ開発ÍÕgFA5592 åh軽負荷時ä効率改善
実現ÏāĸčĿœĬIJ車ä需要Â急速á拡大Íܺāgĸ
äÕ÷h負荷率 60 % 以下ÝĢčĬĪŜę周波数Ĉ低減Ï
čĿœĬIJ車äŋsĨ駆動用čŜĹsĨĠĢįʼnä主İ
āÉÞáþĀ図
ĹčĢÞÍÜ IGBT Â使用ËĂܺāgÉä IGBT Ĉ駆動
á示Ïþ¼á軽負荷時ä効率Ĉ大幅á向
上ËÑÕgôÕhĢčĬĪŜę周波数分散機能内蔵áþā
Ïā制御 IC áåhčŜĹsĨĠĢįʼnä高信頼性äÕ÷
低ķčģ化ú 750 V 耐圧保証ä起動回路Ĉ内蔵ÏāÉÞÝh
IGBT Ĉ保護Ïā需要à役割Ĉ持Ùܺāg今回開発ÍÕ
電源変動ä大ú国ú地域Ýø適用可能áÍÕg
制御 IC åh富士電機製 IGBT ĪĬŀá内蔵ËĂܺā温
比較的大容量ä電源用á多機能ŅŔįsġŋsIJ PWM
制 御 ICFA5604/FA5605ú 低 ķ č ģ 電 流 連 続 ŋ s IJ
度ĤŜĞú電流ĤŜĞÁÿä信号Ĉ受ÇÜ過熱ú過電流Á
ÿ保護Ïā機能Ĉ持Ùܺāg
PFC 制 御 ICFA5610/FA5611 Ĉ開 発 Íh 高 性 能 化 Þ
富士電機ä自動車用İĹčĢáåh今回紹介ÍÕ製品以
Þøá SOP8 ĽŜĺĬĚsġá搭載Í小型化Ĉ実現ÍÕg
外áøŘŜĪĬŀčęijčĨàß富士電機独自ä特徴¸ā
特áhFA5610N åh発振周波数分散機能áþĀ高力率Þ
技術Ĉ用ºÕ製品¸āgÉä技術Ĉ生ÁÍh今後ø顧客
低ķčģĈ実現Í入力ľČŔĨä簡素化Ĉ可能ÞÍÕg
ä要求á応¾ā高信頼性Ý高性能à製品開発Ĉ行ÙܺÅg
電源制御 IC 分野ÝåhôÏôÏ厳ÍÅàā高効率化h
省đĶ化h小型化h機器ä低ĜĢı化àßä要求Ĉ実現Ï
あとがき
āÕ÷áh富士電機独自ä特徴¸ā制御方式ä研究開発á
継続的á取Ā組ĉݺÅg
地球環境保護Â重要à課題ÞàÙÕ今日hCO2 削減àß
ä環境対策h化石燃料á頼ÿàº新đĶŔėsä開発Â
急務ݸāg富士電機Ýåh
{đĶŔėsj環境|ĈĖs
自動車デバイス
ŘsIJáÉĂÿä問題á積極的á取Ā組õh貢献ÍܺÅ
自 動 車 用 İ Ĺ č Ģ Ý åhIPS}Intelligent Power
ÉÞĈ経営目標á掲ÈܺāgÓä実現äÕ÷áåhĺŘ
Switch~
h排気系圧力検出用ĤŜĞÀþéĸčĿœĬIJ車
đŕ技術ä基幹部品ݸāĺŘs半導体ä技術革新Â不可
用 IGBT 駆動 ICFi009Ĉ開発ÍÕg
欠ݸāg
本稿Ý述ïÕÞÀĀh富士電機Ýå特徴¸āĺŘs半導
⑴ 排気系圧力検出用ĤŜĞ
体製品ä開発á努÷ÜÀĀh低損失化h高機能化h小型化h
図
高信頼性化h低ķčģ化àßĈ革新的à技術Ý実現Íܺ
FA5592 の電源効率の負荷電流依存性
Åg今後øhÀ客Ëôä視点Ýä製品開発á向Çh継続的
出力 65 W/19 V
90
á技術開発Ĉ進÷ܺÅ所存ݸāg
効率（％）
86
82
78
FA5592（AC115 V 入力のとき）
74
FA5592（AC230 V 入力のとき）
従来機種（AC115 V 入力のとき）
従来機種（AC230 V 入力のとき）
70
0
25
50
負荷率（%）
360（ 4 ）
75
100
関 康和
半導体ä研究開発á従事g現在h富士電機ĠĢį
ʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部副統括
部長g工学博士g電気学会会員g
富士時報 Vol.82 No.6 2009
宝泉 徹
パワー半導体の現状と展望
山添 勝
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社取締役副社長h半導
ʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部副統括
体事業本部長g電気学会会員g
部長g電気学会会員g
361（ 5 ）
特 集
半導体ä研究開発á従事g現在h富士電機ĠĢį
富士時報 Vol.82 No.6 2009
ハイブリッド車用第２世代めっきチップ
特 集
UK.LULYH[PVU7SH[LK*OPWMVY/`IYPK=LOPJSLZ
藤井 岳志;HRLZOP-\QPP
今川 鉄太郎;L[Z\[HYV0THNH^H
洞澤 孝康 ;HRH`HZ\/VYHZH^H
普及Â進öĸčĿœĬIJ車äĠĢįʼnåh高出力化h小型化ä要求Â増ÍܺāgÉĂá対Íh高電流密度化h両面冷
却構造á対応ÍÕ半導体ĪĬŀÂ要求ËĂh表面電極á Ni ÷ÙÃ膜Ĉ形成ÍÕ構造äĪĬŀĈ開発ÍÕg第 2 世代÷Ù
à IGBT ĪĬŀáåh表面ıŕŜĪ構造Þ表面ĤŔ構造ä最適化Àþé新 FS 構造Ĉ採用ÍÕg第 2 世代÷ÙÃĩčēsIJ
ĪĬŀÝå表面ċķsIJ層構造ä最適化Þ FZ ďĐsĸä適用áþĀ順方向特性ä改善Ĉ図ĀhĪĬŀä信頼性Ĉ向上ËÑ
ÕgÉĂÿä特性改善áþĀhIGBThĩčēsIJäĪĬŀĞčģ縮小Ĉ実現ÍhĠĢįʼnä高出力化h小型化á対応ÍÕg
Systems for popular hybrid vehicles are increasingly required to provide higher system output while havng a smaller size. In response,
IGBT and diode chips are requested to support higher current densities and double-sided cooling structures. Fuji Electric has developed a
chip which is constructed such that a Ni-plating electrode is formed on its surface electrodes. 2nd-generation IGBT chips feature an optimized
surface trench cell structure, and employ a new field stop structure. Diode chips incorporate an optimized anode layer structure and utilize FZ
wafers to improve forward characteristics and improve chip reliability. These improvements make it possible to reduce IGBT and diode chip
sizes, increase system output, and facilitate miniaturization.
まえがき
開発概要
環境問題îä関心ä高ôĀáþĀhĘœsŜđĶŔės
富士電機åhıőĨ自動車株式会社äĸčĿœĬIJ車
ä利用h製造á関Ïā技術開発要求Â強ôÙܺāg自動
LEXUS LS600h Þ LEXUS LS600hL á 搭 載 Ë Ă Ü º ā
車業界Ýåh地球温暖化防止äÕ÷ä二酸化炭素排出量削
PCU 用áh第 1 世代Þàā÷ÙÃ IGBT ĪĬŀhĩčēs
減äÕ÷hĕĦœŜđŜġŜÞ電気ŋsĨä双方Ĉ利用Ï
IJĪĬŀĈ製品化Íܺāg
āĸčĿœĬIJ車Â実用化ËĂhËÿá電気自動車ä開発
Â進ĉݺāg
ıőĨ自動車株式会社äĸčĿœĬIJ車用 PCU ä特徴
åhŋsĨ用čŜĹsĨÞ発電機用čŜĹsĨhĹĬįœ
特áĸčĿœĬIJ車åhıőĨ自動車株式会社äŀœď
注 1
電圧Ĉ昇降圧ÏāĜŜĹsĨĈ組õ合ąÑÜh高電圧ä
注 2
Ģ h本田技研工業株式会社äčŜĞčı äþ¼áh自動
ĹĬįœĈ使¼ÉÞàÅŋsĨä高出力化Â図ĂāÉÞÝ
車製造各社Â注力Ïā車種ÞàÙܺāg
¸āg 図
á示Ïþ¼á 14 ċsʼnä半導体ĢčĬĪÝ構
富 士 電 機 Ý åh ĸ č Ŀ œ Ĭ IJ 車 á 搭 載 Ë Ă ā PCU
成ËĂܺāgŋsĨh発電機h昇降圧ĜŜĹsĨhÓĂ
}Power Control Unit~ á 用 º ā IGBT-IPM}Insulated
ÔĂä出力容量á応ÎÜĪĬŀä並列数Â異àÙܺāg
Gate Bipolar Transistor-Intelligent Power Module~Ĉ昇
使 用 Ï ā 半 導 体 ĺ Ř s Ī Ĭ ŀ ä 数 Ĉ 減 ÿ Ï É Þ åh
圧ĜŜĹsĨ用途á供給ÍܺāgôÕhPCU ä高出力
PCU ä小型化úĠĢįʼnä信頼性向上áÚàÂāg半導
化hĜŜĺĘı化Ĉ実現Ïā両面冷却ĺĬĚsġ構造á適
体ĪĬŀĈ高電流密度化ÏāÉÞÝĠĢįʼnäĪĬŀ使用
用Ïā IGBT ĪĬŀhĩčēsIJĪĬŀä供給Ĉ行ÙÜÀ
数Ĉ減ÿÑāg
第 1 世代÷ÙÃ IGBT ĪĬŀÝåh表面ĤŔ設計Ĉ見直
Āh第 1 世代÷ÙÃ IGBT ĪĬŀhĩčēsIJĪĬŀĈ製
ÍhĪĬŀä高電流密度化Ĉ実現ÍܺāgôÕh高電流
品化Íܺāg
今回hIGBT ĪĬŀhĩčēsIJĪĬŀä特性改善Ĉ図
Āh第 2 世代÷ÙÃĪĬŀĈ製品化ÍÕgÉäĪĬŀåh
図
PCU の概略回路図
注 3
ĸčĿœĬIJ車 LEXUS RX450 h 用ä PCU á搭載ËĂÜ
ºāg
昇降圧
コンバータ
発電機用
インバータ
モータ用
インバータ
本稿ÝåhÉä第 2 世代÷ÙÃĪĬŀä技術内容áÚº
650 V
Ü報告Ïāg
バッテリ
（288 V）
注 1ŀœďĢkıőĨ自動車株式会社ä商標ôÕå登録商標
注 2čŜĞčık本田技研工業株式会社ä商標ôÕå登録商標
注 3LEXUSkıőĨ自動車株式会社ä登録商標
362（ 6 ）
発電機
モータ
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
ハイブリッド車用第２世代めっきチップ
両面冷却モジュール構造の断面図
冷却チューブ
IGBT チップの断面構造
特 集
放熱板
図
エミッタ電極
絶縁膜
n+
p
ゲート
n−ドリフト層
n+ フィールドストップ層
p+ コレクタ層
コレクタ電極
パワーチップ
はんだ接合部
（a）第 1 世代 IGBT チップ
エミッタ電極
絶縁膜
密度Ýä条件Ýø自動車用ÞÍÜ要求ËĂā高º信頼性Ĉ
n+
p
⑴
実現Íܺā g
ゲート
Ëÿá電流密度Ĉ高÷Õ場合ÝøhĪĬŀä発熱å動作
保証温度ä 150 ℃Ĉ超¾ÜåàÿàºgÉäÕ÷hıőĨ
自動車株式会社製ĸčĿœĬIJ車用 PCU áåh 図
n−ドリフト層
á示
n+ フィールドストップ層
p+ コレクタ層
Ï株式会社İŜĦs製両面冷却ŋġŎsŔ構造äĺĬĚ
コレクタ電極
sġÂ採用ËĂܺāgĪĬŀ裏面側ÞÞøáh表面電極
（b）第 2 世代 IGBT チップ
側Áÿø素子Ĉ冷却ÏāÉÞáþĀh片面冷却構造þĀ大
電流Ýä使用Â可能ÞàÙܺāg
富士電機Ýå両面冷却ŋġŎsŔ構造Ĉ実現ÏāÕ÷áh
図
IGBT チップの飽和電圧出力特性比較
IGBT ĪĬŀhĩčēsIJĪĬŀä表面電極áh電極äå
800
ĉÖ付ÇÂ可能àþ¼áĴĬĚŔ}Ni~÷ÙÃ電極Ĉ形成
700
電流密度（A/cm2 ）
Íܺāg
第 2 世代÷ÙÃĪĬŀÝåh新技術Ĉ盛Ā込õhËÿá
高電流密度á対応ÍÕĪĬŀ設計Ĉ実施ÏāÉÞÝ小型化
Ĉ進÷hLEXUS RX450h îä適用Â行ąĂÕg
めっき IGBT チップ
第 2 世代 IGBT チップ
600
500
400
300
第 1 世代 IGBT チップ
200
（V GE =15 V，T a =150 ℃）
100
IGBT ĪĬŀåh従来ä÷ÙÃ IGBT ĪĬŀÞ同様áh
0
0
1,200V 耐圧äıŕŜĪěsı構造h薄ºďĐsĸŀŖĤ
1
2
3
4
5
コレクタ−エミッタ間飽和電圧（V）
⑵
ĢĈ用ºÕľČsŔIJĢıĬŀ}FS~構造Ĉ持Ùܺāg
á IGBT ĪĬŀä断面構造Ĉ示Ïg開発ÍÕ IGBT
図
ĪĬŀ}第 2 世代 IGBT ĪĬŀ~å以下ä主à改善点Ĉ持
2 世代 IGBT ĪĬŀåh第 1 世代 IGBT ĪĬŀá比ï飽和
電圧Ĉ低下ËÑÜÀĀh同一飽和電圧Ý高電流密度Ĉ達成
Úg
Íܺāg
.
表面トレンチ構造，表面セル構造の最適化
先á述ïÕþ¼áh÷Ùà IGBT ĪĬŀå両面冷却構造
.
新 FS 構造の適用
ĺĬĚsġá適用ËĂāÕ÷hŘčōŅŜİČŜęĈ用º
第 1 世代 IGBT ĪĬŀÝø FS 構造Ĉ適用ÍܺāÂh
ā片面冷却構造äĺĬĚsġá比ïh電流密度Ĉ約 2 倍á
第 2 世代 IGBT ĪĬŀå同様ä効果Ĉ得āÕ÷á新ͺ
大ÃÅÏāÉÞÂÝÃāg従来ä IGBT ĪĬŀ}第 1 世代
FS 層構造Ĉ採用Íܺāg飽和電圧hĢčĬĪŜę損失
IGBT ĪĬŀ~å総ĪŌĶŔ幅Ĉ長ÅÏāÉÞÝ飽和電圧
ä低減Â図Ăh損失特性ĈËÿá改善ÏāÞÞøáh安定
Ĉ低下ËÑh高電流密度化Ĉ実現ÍÕg
ÍÕĪĬŀ特性Ĉ達成Íܺāg
第 2 世代 IGBT ĪĬŀÝåËÿá設計見直ÍĈ進÷Õg
ıŕŜĪěsı構造Ĉ形成ÏāĽĬĪĈ変更Íh表面ĤŔ
第 2 世代 IGBT ĪĬŀå第 1 世代 IGBT ĪĬŀÞ同様á
温度ĤŜĠŜę素子h電流ĤŜĠŜę素子Ĉ内蔵ÍÜÀĀh
構造ä密度Ĉ増加ËÑÕgÉĂáþĀh総ĪŌĶŔ幅Ĉ第
外部保護制御á用ºÿĂܺāgôÕhěsı構造部分ä
1 世代 IGBT ĪĬŀä約 1.5 倍á長ÅÍh飽和電圧Ĉ低下
加工工程Ĉ見直ÏÉÞÝh品質ä向上Ĉ図Ùܺāg
ËÑh高電流密度化Ĉ実現ÍÕg
図
á IGBT ĪĬŀä飽和電圧出力特性比較Ĉ示Ïg第
損失特性Ĉ改善ÍÜhĪĬŀĞčģĈ小ËÅÍܺāg
第 1 世代 IGBT ĪĬŀÞ第 2 世代 IGBT ĪĬŀä比較Ĉ図
363（ 7 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
ハイブリッド車用第２世代めっきチップ
IGBT チップの比較
図
ダイオードチップの順方向出力特性比較
8 ％のチップサイズダウン
特 集
800
（a）第 1 世代 IGBT チップ
電流密度（A/cm2 ）
700
（b）第 2 世代 IGBT チップ
第 2 世代ダイオードチップ
600
500
400
第 1 世代ダイオードチップ
300
200
（T a =150 ℃）
100
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
順電圧（V）
á示Ïg損失ä低下áþĀh約 8 % äĪĬŀĞčģĩď
ŜĈ実現Íܺāg
図
ダイオードチップの比較
めっきダイオードチップ
％のチップサイズダウン
20
÷ÙÃĩčēsIJĪĬŀåhŃċÝ用ºÿĂā÷ÙÃ
IGBT ĪĬŀÞ同様á 1,200 V 耐圧Ý高電流密度á対応Í
ܺāg
÷ÙÃĩčēsIJĪĬŀä主à改善点Ĉ以下á示Ïg
（a）第 1 世代ダイオードチップ
.
（b）第 2 世代ダイオードチップ
低注入化のために表面アノード層構造を最適化
ĩčēsIJä逆回復特性å表面ċķsIJ層Áÿä少数
ĖŌœċä注入状態áþĀ変化Ïāg注入量Â過剰ݸā
ŀä比較Ĉ図
á示Ïg損失ä低下á加¾hĪĬŀ周辺部
Þ逆回復特性ÂĸsIJœĔĹœsÞàĀh電圧振動Ĉ発生
á配置ËĂܺā耐圧構造Ĉ変更ÏāÉÞÝh約 20 % ä
Ïāàß問題ÞàāgÍÁÍhċķsIJ層ä濃度åĪĬŀ
ĪĬŀĞčģĩďŜĈ実現Íܺāg
ä順電圧降下á影響Ĉ与¾āÕ÷h両面ÁÿċķsIJ層ä
不純物濃度h構造Ĉ検討Íh低注入ċķsIJ構造ÞÏāÉ
めっき工程
ÞÝ逆回復特性ä改善Ĉ図ÙÕg
通常h半導体ĪĬŀä表面電極åċŔň膜Ý形成ËĂh
.
フローティングゾーン（FZ）ウェーハの適用
従来äĩčēsIJĪĬŀ}第 1 世代ĩčēsIJĪĬŀ~
Ýåh基板層Ĉ薄Å形成ÏāÉÞÝ逆回復損失Ĉ低減Íh
ŘčōŅŜİČŜęáþĀĺĬĚsġ電極àßÞ接続ÍÜ
ºāg
ÉĂá対Íh第 2 世代 IGBT ĪĬŀhĩčēsIJĪĬŀ
順電圧降下Ĉ低Å抑¾ā効果Ĉ得āÕ÷h使用ÏāĠœĜ
å両面冷却構造ĺĬĚsġá適用ÏāÕ÷hĪĬŀ表面電
ŜďĐsĸáđĽĨĖĠŌŔ成長ďĐsĸĈ用ºÜºÕg
極áåĉÖ接続ÝĺĬĚsġ電極Â接続ËĂāg通常äċ
開発ÍÕĩčēsIJĪĬŀ}第 2 世代ĩčēsIJĪĬ
ŀ~åhIGBT ĪĬŀÞ同様á FZ ďĐsĸĈ使用Íܺ
āgFZ ďĐsĸĈ用ºāÉÞÝ順電圧降下äĪĬŀ間æ
ÿÚÃÂ低減ÝÃÕgôÕhĪĬŀ内ä欠陥量ÂđĽĨĖ
Ŕň電極膜Ýåh直接åĉÖ付ÇÂÝÃàºgÉäÕ÷h
ĪĬŀ表面電極á Ni ÷ÙÃĈ積層Íܺāg
IGBT ĪĬŀhĩčēsIJĪĬŀá÷ÙÃ層Ĉ形成ÍÕ
ĪĬŀĈ開発Ïā上Ýå三Úä課題¸ÙÕg
ĠŌŔďĐsĸá対Í低減ËĂāÉÞúhĪĬŀ厚ËĈ薄
⒜ ĪĬŀ FS 構造Ĉ採用Íh薄ºďĐsĸ厚ÝŀŖ
ÅÏāÉÞáþĀhåĉÖ接合部îä熱応力Â緩和ËĂ信
ĤĢĈ流動Ïā必要¸āgÓäÕ÷h÷ÙÃŀŖĤ
頼性Â向上Ïāg
Ģ流動中hďĐsĸÂ割ĂúϺg
IGBT ĪĬŀŀŖĤĢÝ得Õ薄ºďĐsĸŀŖĤĢä技
術Þ FS 構造ä技術ĈĩčēsIJĪĬŀáø用ºāÉÞÝh
⒝ ďĐsĸÂ薄ºÕ÷hĪĬŀĈ構成Ïā各膜ä熱膨
張係数ä違ºÝďĐsĸÂ反Ùܺāg
信頼性ä高º低損失ĩčēsIJĪĬŀä製造Â可能ÞàÙ
⒞ ÷ÙÃä際áh裏面電極áø÷ÙÃÂ形成ËĂāg
Õg
ÉĂÿĈ解決ÏāÕ÷áh第 1 世代ĪĬŀä÷ÙÃ技術
á示Ïg
Ĉ適用ÍhËÿá第 2 世代÷ÙÃĪĬŀÁÿ自動式ä÷Ù
第 2 世代ĩčēsIJĪĬŀåh第 1 世代ĩčēsIJĪĬŀ
Ã装置Ĉ導入Íh膜質ä改善Þ膜厚äæÿÚÃ低減Ĉ行¼
á対Í同一電流密度Ýä順電圧降下Ĉ低減Íܺāg
ÞÞøáh物量増á対応ÏāÕ÷ä新生産ŒčŜĈ構築Í
ĩčēsIJĪĬŀä順方向出力特性比較Ĉ図
第 1 世代ĩčēsIJĪĬŀÞ第 2 世代ĩčēsIJĪĬ
364（ 8 ）
Õg
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
ハイブリッド車用第２世代めっきチップ
ウェーハめっき処理の概略工程フロー
あとがき
保護膜
経済性h環境問題àßä面ÁÿhĸčĿœĬIJ車h電気
自動車åÉĂÁÿ大Ãà発展Â見込ôĂāgÉä中Ýh今
後ËÿáĠĢįʼnä小型化ä重要性Â増ÏÞ考¾ÿĂāg
富士電機åİĹčĢä改善h新材料İĹčĢä開発àßÝ
裏面電極
Éä分野Ýä貢献ĈËÿá進÷ܺÅ所存ݸāg
支持基板接着
参考文献
⑴ 百田聖自ñÁ. ĸčĿœĬIJ車用÷ÙÃĪĬŀ. 富士時報.
2007, vol.80, no.6, p.385-387.
⑵ Laska, T. et al. The Field Stop IGBT}FS IGBT~─ A
New Power Device Concept with a Great Improvement
接着剤
支持基板
めっき（Ni-Au）
Potential. Proc. 12th ISPSD. 2000, p.355-358.
Ni-Au めっき
藤井 岳志
半導体ĪĬŀä開発設計á従事g現在h富士電機
ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
ŋġŎsŔ開発部Īsʼnœsĩsg
支持基板除去
今川 鉄太郎
半導体ĪĬŀä開発設計á従事g現在h富士電機
ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
ŋġŎsŔ開発部g
ďĐsĸ÷ÙÃ処理ä概略工程ľŖsĈ図
á示Ïg裏
洞澤 孝康
面電極ôÝ完成ÍÕďĐsĸ裏面á支持基板Ĉ貼}å~āg
半導体ŀŖĤĢ技術ä開発á従事g現在h富士電
Éä後h表面ċŔň電極上áh無電界 Ni ÷ÙÃÞh酸化
機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部松本製作所
防止用ä金}Au~÷ÙÃĈ積層Ïāg÷ÙÃ後å支持基
ĪĬŀ製造部課長補佐g
板ĈåÅ離ÍÜ÷ÙÃ工程Â終了Ïāg
本ŀŖĤĢáþĀh薄ºďĐsĸáÀºÜø安定ÍÕ
ďĐsĸ÷ÙÃŀŖĤĢĈ実現Íܺāg
365（ 9 ）
特 集
IGBT プロセス終了
富士時報 Vol.82 No.6 2009
ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi009」
特 集
-P +YP]PUN0*MVY/`IYPK=LOPJSL0.);Z
鳶坂 浩志/PYVZOP;VIPZHRH
中川 翔:OV\5HRHNH^H
今井 誠4HRV[V0THP
ĸčĿœĬIJ車ä電力変換ĠĢįʼná用ºā IGBT 駆動 ICFi009Ĉ開発ÍÕg本製品å IGBT 駆動用ä 15 V 系IJŒ
čĿú保護機能}過熱h過電流h電源電圧低下hĦľı遮断~Ĉ持×h従来品þĀ汎用性Ĉ高÷h微細àŀŖĤĢŔsŔ
Ĉ用ºÜŘŜĪĬŀ化ÍÕg本製品áþĀ IGBT ä安定動作h異常時ä焼損回避hÀþéĠĢįʼnä小型化á貢献ÝÃāg
ĺĬĚsġå SSOP-20 Ý鉛ľœsá対応ÝÃāgôÕh175 ℃Ýä放置á耐¾ā高º信頼性耐量Ĉ確保Íܺāg
The Fi009 has been developed as a dedicated IC for driving IGBTs used in the power conversion systems of gasoline hybrid vehicles.
This IC integrates a 15 V drive for IGBTs and protective functions (for overheat, overcurrent, supply voltage drop and soft shutdown) into a
single chip using fine process rules to achieve greater versatility than conventional chips. This IC contributes to the stable operation and prevention of burnout of IGBTs at the time of abnormality, and to systems miniaturization. The package is a lead-free compliant SSOP-20, It ensures high reliability which is withstanding temperatures of up to 175 ÝC.
まえがき
åh小型化j高効率化Â求÷ÿĂāÕ÷h主ĢčĬĪŜę
İĹčĢÞÍÜhIGBT}Insulated Gate Bipolar Transis-
自動車業界Ýåh地球温暖化Ĉ防止ÏāÕ÷ä規制ä対
tor~Â一般的á用ºÿĂܺāgIGBT å ECU}Electron-
策ĈËôÌôà形Ý実現Íþ¼ÞÍܺāgÓä方策ä一
ic Control Unit~Áÿä信号Ĉ受ÇÜĢčĬĪŜę動作Ĉ
ÚÞÍÜhĸčĿœĬIJ車áþā燃費改善二酸化炭素
ÏāÂh15 V 系Ý動作ÏāěsıIJŒčĹú保護機能å
}CO2~排出量ä削減Ĉ進÷ܺāgĸčĿœĬIJ車Ý
ECU 内部á配置ÏāÞhECU ä肥大化áÚàÂāÕ÷好
現在主流ÞàÙܺā制御方法åhĕĦœŜđŜġŜÞ電
ôÍÅàºgôÕhěsıIJŒčĹ保護回路àßĈ個別部
気ŋsĨä 2 種類ä動力源Ĉ組õ合ąÑh走行状態á応Î
品Ý構成ÏāÞhķčģáþā誤動作úĜĢıċĬŀàß
Ü負荷分担Ĉ最適化ÏāÉÞáþĀ高効率化Ïāøäݸ
ä問題¸āgÓäÕ÷hIGBT ä近Åá専用 IC Ĉ搭載
āgÉäĠĢįʼnä燃費改善効果åh地球温暖化防止á対
ÏāÉÞÂ望ôͺg
富士電機Ýå前述ä要求á対応ÏāĸčĿœĬIJ車用
Ïā全世界的à関心ä高ôĀÞÞøá注目度Â増Íܺāg
⑴
Ëÿá通常äĕĦœŜ車Þä価格差ä減少h今後äĕĦœ
IGBT 駆動 ICFi007Ĉ開発ÍÜÃÕg本稿ÝåhFi007
Ŝ価格高騰ä可能性àßÁÿĸčĿœĬIJ車á対Ïā世界
þĀËÿá汎用性Ĉ高÷ÕĸčĿœĬIJ車用 IGBT 駆動
的à需要Â急増Íܺāg
ĸčĿœĬIJ車ÝåhđŜġŜÁÿä動力Ĉ電気đĶŔ
図
「Fi009」の回路ブロック図
ėsá変換ÍhĹĬįœîä充放電ÞĹĬįœÁÿŋsĨ
Ĉ駆動ĈÏāÕ÷á電力変換ĠĢįʼnÞÍÜhčŜĹsĨh
VCC
ĜŜĹsĨĈ用ºÜºāgÉĂÿä電力変換ĠĢįʼná
出力段回路
ソフト遮断回路
IN
図
OUT
ロジック回路
「Fi009」の外観
PGND
ゲート電圧監視回路
AE
GV
OC1
過電流検出回路
（2 チャネル）
アラーム信号
入出力回路
フェイルラッチ
回路
OC2
VCC
電源低下検出回路
過熱検出回路
（2 チャネル）
内部基準電圧回路
OH1
OH2
VOH
REF
GND
366（ 10 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi009」
ICFi009Ĉ開発ÍÕäÝ紹介Ïāg
.
áhFi009 ä絶対最大定格h端子記号ä説明
基本性能
Ĉ示Ïg表
á Fi007 Þ Fi009 ä電気的特性比較Ĉ示Ïg
図
図
電源電圧定格å IGBT 駆動á必要à 20 V ÞÍܺāg動
á Fi009 ä外観Ĉ示ÏgFi009 ä回路ĿŖĬĘ図Ĉ
＋125 ℃Ĉ保証Íh接合部温度 Tj å−40 v＋150 ℃Ĉ保証
á示Ïg主à機能å次ä五Úݸāg
⑴ IGBT ŀœIJŒčĿ}図
作周囲温度 Ta å ECU á対Ïā過酷à条件ݸā−40 v
Íܺāg
ä出力段回路部~
出力電圧ÀþéċŒsʼn出力åh自動車ä始動ú停止時
⑵ 過熱保護
⑶ 過電流保護
äĹĬįœ電圧変動á対ÍÜøh安定ÍÕ出力信号Â供給
⑷ 電源電圧低下保護
ÝÃāg特á精度Â要求ËĂā内部基準電圧 VREF Þ温度
⑸ Ħľı遮断
検出用電流 IOH}OH1hOH2 端子Áÿ出力ËĂā電流~åh
⑴å IGBT äěsı容量Ĉ充放電ÏāÕ÷äIJŒčĿ機
補正回路áþĀ特性æÿÚÃĈ低減Íܺāg
能ݸāgķčģáþā誤動作Ĉ防ÆÕ÷áhÍú値á
.
ĻĢįœĠĢĈ付ÇÁÚ不感帯Ĉ設Çܺāg
⑵v⑷ä各保護機能åhIGBT äĢčĬĪŜę時á発生
ウェーハプロセス
Fi009 äĪĬŀĈ図
á示ÏgFi009 å微細ŀŖĤĢŔs
⑵
Ïā誤動作Ĉ防ÆÕ÷áhÓĂÔĂ不感帯Ĉ設Çܺāg
ŔĈ適用ÏāÉÞÝhVREF Þ IOH ä補正回路Ĉ高精度化Í
ôÕh過熱j過電流保護機能å二Úä IGBT Ĉ同時á監視
ÚÚhĪĬŀĞčģĈ既存品 Fi007 þĀ約 30 % 縮小ÍÕg
ÝÃā仕様ݸĀhß×ÿÁ一方Â異常状態áàāÞIJŒ
čĹ出力ĈēľÍhIGBT ä動作Ĉ停止ËÑāg
.
異常時á保護機能Â動作ÍÕ場合åhċŒsʼn信号Ĉ
パッケージ
ĺĬĚsġå既存品 Fi007 Þ同様á図
á示Ï SSOP-20
ŖsŕłŔÞÍÜ異常状態Ĉ ECU á出力ÍhIC Áÿ見
ĺĬĚsġĈ採用ÍÕgċďĨsœsIJäåĉÖ÷ÙÃá
Õ負荷ÞÍÜä IGBT ä状態Ĉ ECU á伝達ÏāÉÞÂÝ
åh鉛ľœs対応äÏÐ - 銀}Sn-Ag~÷ÙÃĈ用ºÜº
Ãāg逆áhECU ÁÿĠĢįʼnä異常Ĉ示Ï信号ÞÍÜh
āg
ċŒsʼn端子áŖsŕłŔä信号Ĉ入力ÏāÉÞáþÙÜ
øIJŒčĹ出力ĈēľÍhIGBT ä動作Ĉ停止ËÑāÉÞ
機 能
øÝÃāg
.
過熱保護
IGBT Â異常à温度環境áËÿËĂÕĀh異常動作á
þÙÜ温度Â上ÂÙÕĀÍÕ場合hĠĢįʼnä焼損Ĉ防
表
「Fi009」の絶対最大定格（T a ＝ 25 ℃）
ÆÕ÷á IGBT ä動作Ĉ停止ËÑā必要¸āgFi009 åh
定 格
項 目
記号
電源電圧
V CC
（駆動系 / 制御系）
入力周波数
条件
DC
f
単位
最 小
最 大
− 0.3
20
V
−
20
kHz
IGBT ĪĬŀ上á設置ËĂÕ温度検出用äĩčēsIJá
IOH Ĉ供給ÏāgÓäÞÃá発生ÏāĩčēsIJä順電圧
値Ĉ監視ÍÜh過熱発生時áIJŒčĹ出力ĈēľáÏāÉ
ÞÝhIGBT ä動作Ĉ停止ËÑāÉÞÂÝÃāgÉäÞÃh
AE 端子Áÿ ECU îċŒsʼn信号Ĉ出力Ïāg過熱保護
AE 端子電流
I AE
DC
−
20
mA
IN 端子電圧
V IN
DC
GND − 0.3
V CC ＋ 0.3
V
OUT 端子電圧
V OUT
DC
PGND − 0.3
V CC ＋ 0.3
V
AE 端子電圧
V AE
DC
GND − 0.3
V CC ＋ 0.3
V
GV 端子電圧
V GV
DC
PGND − 0.3
V CC ＋ 0.3
V
VCC
制御電源
GND
制御回路用グラウンド
OC1，OC2 端子
電圧
V OC
DC
GND − 0.3
V CC ＋ 0.3
V
OH1，OH2 端子
電圧
V OH
DC
GND − 0.3
V CC ＋ 0.3
V
REF 端子電圧
V REF
DC
GND − 0.3
V REF ＋ 0.3
V
REF 端子電流
I REF
DC
0
150
VOH 端子電圧
V VOH
DC
GND − 0.3
許容損失
PD
DC
動作周囲温度
Ta
Tj
T STG
接合部温度
保存温度
表
「Fi009」の端子記号の説明
端子記号
内 容
IN
制御信号入力
OUT
ドライバ出力
PGND
ドライバ回路用グラウンド
µA
GV
シンク切替電圧検知入力
V CC ＋ 0.3
V
AE
アラーム出力/外部アラーム入力
−
1.563
W
OH1，OH2
− 40
125
℃
REF
過熱検出用基準電圧出力
− 40
150
℃
VOH
過熱検出しきい値電圧入力
− 55
150
℃
OC1，OC2
過熱検出信号入力
過電流検出信号入力
367（ 11 ）
特 集
h表
特 徴
.
主要特性
表
富士時報 Vol.82 No.6 2009
表
ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi009」
「Fi007」と「Fi009」の電気的特性比較（V cc ＝ 16.5±2 V，T a ＝ 25 ℃）
項 目
特 集
記 号
内 容
Fi007
（代表値）
Fi009
（代表値）
単 位
電源特性
I CCL
ターンオン時電源電流
2
2
mA
I CCH
ターンオフ時電源電流
2
2
mA
消費電力
Pt
20 kHz スイッチング時消費電力
50
50
mW
基準電圧
V REF
内部基準電圧
3.0
5.0
V
V INHL
ターンオン入力しきい値電圧
1.5
1.5
V
入力ハイレベルしきい値電圧
V INLH
ターンオフ入力しきい値電圧
2.1
2.1
V
入力電圧ヒステリシス
dV INLH
V INHL − V INLH
0.6
0.6
V
ターンオン遅延時間
t dLH
ターンオン入力からドライバ出力オンまでの遅れ時間
1
1
µs
ターンオフ遅延時間
t dHL
ターンオフ入力からドライバ出力オフまでの遅れ時間
0.6
0.6
µs
遅延時間差
dt d
t dLH − t dHL
0.4
0.4
µs
V AEIN
外部アラーム入力しきい値電圧
2
2
V
電源電流
制御信号入力
入力ローレベルしきい値電圧
外部アラーム
外部アラーム入力電圧
ヒステリシス
アラーム入力遅れ時間
dV AE
外部アラーム入力しきい値ヒステリシス電圧
0.8
0.8
V
t dOUTAE
外部アラーム入力からソフト遮断までの遅れ時間
9.5
9.5
µs
V UV
電源電圧低下検出しきい値電圧
11.7
11.7
V
（保護特性）電源電圧低下保護
電源電圧低下保護
リセットヒステリシス
dV UV
電源電圧低下検出しきい値ヒステリシス電圧
0.5
0.5
V
電源電圧低下検出・遮断遅れ時間
t dAUV
電源電圧低下検出からアラーム出力までの遅れ時間
20
20
µs
（保護特性）過電流保護
過電流検出電圧
V OC
過電流検出しきい値電圧
1.0
0.5
V
過電流検出遅れ時間
t dAOC
過電流検出からアラーム出力までの遅れ時間
4.3
1.6
µs
過熱保護検出電圧
V OH
過熱検出しきい値電圧
1.5
V VOH *
V
IGBT 過熱検出・遮断遅れ時間
t dAOH
過熱検出からアラーム出力までの遅れ時間
0.6
1.2
ms
t ALM
アラーム出力ラッチ時間
8
8
ms
（保護特性）過熱保護
アラーム出力
アラーム保持時間
＊：V OH は VOH 端子電圧 V VOH による。
図
「Fi009」のチップ
図
過熱保護動作のタイミングチャート
V IN
t dLH
t dLH
ソフト遮断
V OUT
ソフト遮断
V OH1,V OH2
V VOH
V AE
V OH
t dAOH
V OH（復帰）
t ALM
V OH
t dAOH
V OH（復帰）
t ALM
¼á変更ÍÕgàÀÁÚ VOH 端子îä入力ä際á基準電
動作äĨčňŜęĪŌsıĈ図
á示Ïg過熱保護状態å
ċŒsʼn保持時間 tALM ÖÇ継続Íh過熱保護状態Áÿ復
圧ÞÍÜ用ºā VREF Ĉ 3.0 V Áÿ 5.0 V á上昇ËÑāÉÞ
áþĀhĠĢįʼnä自由度Ĉ大ÃÅÍÕg
帰ÍÁÚ IC ä PWM}Pulse Width Modulation~入力電
圧 VIN Âēľá反転ÍÕ時点Ý解除Ïāg
.
過電流保護
Fi007 Ýåh従来h内部電圧Ĉ基準ÞÍÜ過熱検出ÍÃ
IGBT á過電流Â流ĂÕ場合hIGBT ä焼損Ĉ防ÆÕ÷
º値電圧 1.5 V Þ決ôÙܺÕÂhFi009 Ýå VOH 端
á通電電流Ĉ遮断Ïā必要¸āg過電流Ĉ検出ÏāÕ÷
子î電圧Ĉ入力ÍÜ過熱検出Íú値電圧Ĉ設定ÝÃāþ
áåhŊčŜä IGBT á電流ĈĤŜĠŜęÏāÕ÷ä小Ë
368（ 12 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi009」
過電流保護動作のタイミングチャート
図
ソフト遮断時の出力特性
特 集
70
V IN
t dLH
t dHL
60
Fi007
ソフト遮断
V OUT
I OUT（mA）
50
V OC
V OC1, V OC2
V AE
t ALM
t dAOC
40
30
Fi009
20
10
V CC =16.5V
図
電源電圧低下保護動作のタイミングチャート
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17
V OUT（V）
dV UV
V CC
V UV
dV UV
V UV
V IN
図
t dLH
ソフト遮断時の動作波形
t dHL
V OUT
ソフト遮断
t dOUTUV
t ALM
V AE
t dAUV
ソフト遮断
t dOUTUV
t ALM
V IN :10 V/div
à IGBT Ĉ埋÷込ĉݺāgFi009 å検出用ä IGBT á流
V AE :10 V/div
ĂÕ電流値Ĉ検出抵抗áþÙÜ変換ÍÕ電圧値Ĉ監視Íh
アラーム入力
過電流発生時áIJŒčĹ出力ĈēľáÏāÉÞÝ IGBT ä
動作Â停止ÝÃāgÉäÞÃhAE 端子Áÿ ECU îċŒs
ソフト遮断
ʼn信号Ĉ出力Ïāg過電流保護動作äĨčňŜęĪŌsı
Ĉ図
á示Ïg過電流保護状態åhtALM ÖÇ継続Íh過電
40
s /div
V OUT :10 V/div
流検出電圧 VOC Â復帰ÍÁÚ IC ä PWM 入力電圧 VIN Â
ēľá反転ÍÕ時点Ý解除Ïāg
Fi009 Ýå Fi007 þĀø過電流時ä検出電圧Ĉ低下Íh
àÀÁÚċŒsʼn出力ôÝä遅延時間Ĉ短ÅÍÜ過電流時
ÍÅå外部ÁÿċŒsʼn信号Â入力ËĂÕ場合á IGBT Ĉ
ä高速応答Ĉ可能ÞÍÕg
Ħľı遮断ÏāÕ÷高ěsıčŜĽsĩŜĢÝ出力Ĉ遮断
Ïā特性ÞàÙܺāg
.
Fi009 äĦľı遮断時ä出力特性Ĉ 図
電源電圧低下保護
á示ÏgFi009
IJŒčĹ IC ä電源電圧Â低下ÏāÞ IGBT åěsı電
Ý åh Ħ ľ ı 遮 断 用 ä MOSFET}Metal-Oxide-Semi-
圧Â不足Íh動作損失Â急増ÏāÕ÷h運転Ĉ継続ÏāÞ
conductor Field-Effect Transistor~ä負荷回路Ĉ既存品
ĪĬŀä温度上昇áþĀ素子破壊á至ā可能性¸āgÍ
Fi007 Ý採用ÍÜºÕ MOSFET äĦsĢľĒŖŘ方式
ÕÂÙÜhFi009 Ýå電源電圧Â 11.7 V}代表値~Ĉ下回
Áÿ抵抗方式á変更Íh遮断電流−電圧特性Ĉ比例関係
āÞhIGBT ä動作Ĉ止÷ā機能Ĉ持Ùܺāg電源電圧
áÏāÉÞáþĀ低出力電圧時ä遮断能力Ĉ向上ËÑÕg
低下保護動作äĨčňŜęĪŌsıĈ図
Fi009 äĦľı遮断時ä動作波形Ĉ図
á示Ïg電源電
á示Ïg
圧低下保護状態å tALM ÖÇ継続Íh電源電圧Â復帰ÍÁ
パッケージング技術
Ú IC ä PWM 入力電圧 VIN Âēľá反転ÍÕ時点Ý解除
Ïāg
.
.
ソフト遮断
「Fi009」のパッケージング技術
Fi009 å既存品 Fi007 Þ同一äĺĬĚsġŜę技術Ĉ用
異常発生時á前述ä保護機能Â働Ãh出力電流Ĉ通常Ģ
ºÜ開発ÍÕgÏàą×hœsIJľŕsʼnÞĪĬŀ裏面
čĬĪŜę時äěsıčŜĽsĩŜĢÝ遮断ÏāÞh配線
Ĉ接続ÏāĩčċĨĬĪ材áå銀}Ag~ŃsĢıĈ採用
čŜĩĘĨŜĢáþāĞsġ電圧Â過大á発生ÏāgÓÉ
ÍhAg ŃsĢıä厚ËÞ硬化時ä最適化Ĉ実施ÍÕgô
Ý IGBT Â過電圧破壊Íàºþ¼áÏāÕ÷h緩úÁá遮
ÕhĪĬŀÞœsIJľŕsʼnĈ結線Ïā材料ÞÍÜhĺ
断Ïā必要¸āgÉĂáå Fi009 åh過熱保護j過電流
Œġďʼn}Pd~Ĉ含有ÍÕ金}Au~線Ĉ引Ã続Ã採用Íh
保護j電源電圧低下保護äºÐĂÁä機能Â働Å場合hø
Fi007 Þ同一ä信頼性}温度ĞčĘŔ耐量Àþé高温放置
369（ 13 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi009」
耐量~Ĉ確保Íܺāg
鳶坂 浩志
特 集
あとがき
半導体İĹčĢä開発á従事g現在h富士電機Ġ
Ģįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
本稿ÝåhĸčĿœĬIJ車用 IGBT 駆動 ICFi009á
İČĢĘœsıjIC 開発部g
ÚºÜ紹介ÍÕg富士電機ÝåhFi009 以外áø多Åä自
動車用半導体製品Ĉ扱Ùܺāg今後øh市場äĴsģĈ
的確á把握ÍàÂÿĠĢįʼná適合Ïā高信頼性製品Ĉ提
中川 翔
供Íh自動車産業ä発展á貢献ÍܺÅ所存ݸāg
半導体İĹčĢä開発á従事g現在h富士電機Ġ
Ģįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
参考文献
İČĢĘœsıjIC 開発部g
⑴ 西尾実ñÁ. ĸčĿœĬIJ車用IGBT駆動ICFi007
. 富士
時報. 2007, vol.80, no.6, p.406-409.
⑵ 森貴浩ñÁ. IPM用小型IJŒčĹIC. 富士時報. 2008, vol.81,
no.6, p.395-398.
今井 誠
半導体İĹčĢh特áİČĢĘœsıä組立技術
開発á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社
半導体事業本部半導体統括部ĺĬĚsġ実装技術
部g
370（ 14 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
3.3 kV IGBT モジュール
特 集
R=0.);4VK\SLZ
古閑 丈晴;HRLOHY\2VNH
有田 康彦@HZ\OPRV(YP[H
小林 孝敏;HRH[VZOP2VIH`HZOP
産業用čŜĹsĨú車両čŜĹsĨàßä市場Ĵsģá応¾āÕ÷h3.3 kV 耐圧h1.2 kA 電流定格ä大容量 IGBT ŋ
ġŎsŔĈ開発ÍÜÃÕg今回hĺĬĚsġá IGBT ĸčĺŘsŋġŎsŔä技術Ĉ適用ÍÕŋġŎsŔĈ開発ÍÕg改
良前á比ïh内部čŜĩĘĨŜĢĈ 33 % 低減Íh絶縁基板間ä電流均一化ø良好ݸāgÉäŋġŎsŔÝhĺŘsĞč
ĘŔ試験Ĉ実施Íh十分à耐量Ĉ持ÚÉÞĈ確認ÍÕgôÕh製品ŒčŜċĬŀÞÍÜh3.3 kV-1.5 kA Àþé 3.3 kV- 0.8 kA
IGBT ŋġŎsŔĈ開発中ݸāg
Fuji Electric has developed a 3.3 kV-1.2 kA IGBT module in response to market needs for inverters suitable for industrial and vehicle
applications. The package of the newly developed module incorporates IGBT high-power module technology. Compared to previous modules,
internal inductance has been reduced by 33 % and the current flow to chips on each isolation substrates shows good uniformity. Power cycle
tests were implemented with this module, and sufficient durability was verified. 3.3 kV-1.5 kA and 3.3 kV-0.8 kA IGBT modules are also being
developed to expand the product lineup.
放熱特性ä向上hÁÚ耐環境性能Ĉ大幅á改善ÍÕ IGBT
まえがき
⑵
ĸčĺŘsŋġŎsŔĈ新Õá開発Íh製品展開Íܺāg
IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔ
åhÓä低損失性h駆動回路ä容易Ëh高破壊耐量Áÿ広
ÉäŋġŎsŔäĺĬĚsġåh低čŜĩĘĨŜĢÝh電
流ĹŒŜĢá優Ăܺāg
今回開発ÍÕ 3.3 kV 1.2 kA IGBT ŋġŎsŔáåhÉ
Å普及Íܺāg高耐圧j大容量分野áÀºÜøhÉĂô
Ý広Å適用ËĂÜÃÕ GTO}Gate
Turn-Off~ĞčœĢĨ
Áÿ IGBT ŋġŎsŔî置Ã換¾ÿĂÜÃÜÀĀh大容量
äĺĬĚsġ技術Ĉ適用ÍÕg3.3 kV IGBT ŋġŎsŔåh
産業用途äõàÿÐh車両用途îø適用ÝÃā仕様ÞÍÜ
čŜĹsĨú高圧čŜĹsĨ装置àßá広Å応用ËĂܺ
āg特á近年ä地球温暖化防止äÕ÷h新đĶŔės}風
図
3.3 kV 1.2 kA IGBT モジュールの外観
力j太陽光発電~ä市場Â急速á伸éÜÀĀhÉä分野
Ý適用ËĂāčŜĹsĨ装置ä大容量化Â進õh大容量
IGBT ŋġŎsŔäĴsģå大ºá拡大Íܺāg
富士電機ÝåhÉĂôÝ大容量分野îä適用Ĉ狙ÙÕ
IGBT ĸčĺŘsŋġŎsŔĈ製品展開ÍÜÃÕg2007 年
áåhÓĂôÝä 1.2 kV Àþé 1.7 kV 耐圧ä IGBT ĸč
ĺŘsŋġŎsŔäĪĬŀÀþéĺĬĚsġ設計j製造技
190 mm
術Ĉ 3.3 kV 耐圧ôÝ発展ËÑÜh性能á優ĂÕ 3.3 kV 耐
140 mm
⑴
圧h1.2 kA 電流定格ä大容量 IGBT ŋġŎsŔĈ開発ÍÕg
2008 年áåh1.2 kV Àþé 1.7 kV 耐圧áÀºÜh低損失化h
表
3.3 kV IGBT モジュールの目標仕様（1.5 kA，0.8 kA は開発中）
項 目
記 号
1MBI1200UE-330
1MBI1500UE-330
1MBI800UG-330
単 位
コレクタ電流
IC
1,200
1,500
800
A
パッケージサイズ
−
190×140
190×140
130×140
mm
V CE（sat）
3.15 V（標準値）
（150 ℃，1,200 A のとき）
3.15 V（標準値）
（150 ℃，1,500 A のとき）
3.15 V（標準値）
（150 ℃，800 A のとき）
V
VF
2.75 V（標準値）
（150 ℃，1,200 A のとき）
2.75 V（標準値）
（150 ℃，1,500 A のとき）
2.75 V（標準値）
（150 ℃，800 A のとき）
V
8.5
8.0
13.0
K/kW
17.0
15.0
25.0
K/kW
6.0
6.0
6.0
kV
コレクタ−エミッタ間
飽和電圧（補助端子）
順電圧（補助端子）
IGBT
R th（j-c）
熱抵抗
FWD
絶縁耐圧
V iso
371（ 15 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
3.3 kV IGBT モジュール
ºāg本稿Ýåh最新ä 3.3 kV IGBT ŋġŎsŔä概要h
œċ注入Ĉ調整ÏāÉÞÝh十分à短絡耐量Ĉ確保ÝÃā
性能áÚºÜ紹介Ïāg
þ¼áÍÕg
特 集
⑵ FWD}Free Wheeling Diode~ĪĬŀä特長
FWD ĪĬŀåh①低損失化h②低電流時ä逆回復áþ
3.3 kV IGBT モジュールの仕様
ā振動úĞsġ電圧ä抑制hĈ考慮ÍÜhďĐsĸ結晶ä
á 3.3 kV 1.2 kA IGBT ŋġŎsŔä外観Ĉ示Ïg
最適化Ĉ図Āh深ºĜŕĘĨ側 n＋層濃度ŀŖľĊčŔÞ
190 mm×140 mm äĺĬĚsġÝh他社ŋġŎsŔÞä
ÍÕgôÕh高º逆回復耐量}高 di/dt 耐量~Ĉ持ÕÑā
互換性Ĉ持Ùܺāg表
Õ÷hĔĦsIJ側å活性部đĬġ領域îä電流集中Ĉ抑制
図
áh3.3 kV ŋġŎsŔä目標仕
ÍÕ構造ÞÍÕg
様Ĉ示Ïg
電気的特性
V CE（sat）- I C 特性および V F - I F 特性
.
á VCE}sat~-IC 特性Ĉ示Ïg富士電機ä低耐圧ĘŒĢ
図
.
IGBT および FWD の特長
äıŕŜĪ IGBT 同様h正ä温度特性Â得ÿĂܺāg並
列接続時ä電流ċŜĹŒŜĢÂ緩和ËĂh大電流化á必要
⑴ IGBT ĪĬŀä特長
IGBT ĪĬŀåh飽和電圧 VCE}sat~- ĨsŜēľ損失 Eoff
à並列接続適用Â容易áàāg
ıŕsIJēľá優ĂÕıŕŜĪ構造ÞľČsŔIJĢıĬ
á VF-IF 特性Ĉ示ÏgFWD ä順電圧ø定格ä半分
図
ŀ}FS~構造U Ġœsģ IGBTĈ適用Íh3.3 kV 用á
ä電流以上Ý正ä温度特性Ĉ持ÙÜÀĀh並列接続Â容易
ĤŔĽĬĪàßĈ最適化ÍÜ低損失化Ĉ図ÙÕgôÕh大
áàāg
容量分野áÀºÜåh高信頼性äÕ÷ IGBT ĪĬŀÂ高
ºĢčĬĪŜę破壊耐量広º逆ĹčċĢ安全動作領域
.
}RBSOA~ú短絡耐量Ĉ持ÚÉÞå必須ݸāg広º
スイッチング特性
áĨsŜēŜÞĨsŜēľÀþé逆回復ĢčĬĪŜ
図
RBSOA Ĉ持ÕÑāÕ÷hĪĬŀä活性部đĬġ領域Ýä
ę波形Ĉ示ÏgķčģÂàÅh大ÃàĞsġ電圧ø発生Í
電流集中Ĉ抑制ÍÕ構造ÞÍÕgôÕhĜŕĘĨ側äĖŌ
ÜÀÿÐh問題àº波形ݸāg
図
V CE（sat）- I C 特性
パッケージ構造
3,000
大容量čŜĹsĨ装置á使用ËĂā大容量ŋġŎsŔá
åh高信頼性h高放熱能力}低熱抵抗~Â求÷ÿĂāgô
コレクタ電流 I （A）
C
2,500
T j =25 ℃
Õ大電流化äÕ÷áhŋġŎsŔ内äĪĬŀ間ä電流ċŜ
2,000
ĹŒŜĢ低減úĺĬĚsġ内ä発熱低減Â重要ݸāg
T j =150 ℃
1,500
.
1,000
パッケージ内部の概略構造
á 3.3 kV IGBT ŋġŎsŔ内部ä概略構造Ĉ示Ïg
図
500
0
3.3 kV ŋġŎsŔÝåh絶縁基板ä放熱能力向上äÕ÷h
0
1
2
3
4
5
6
図
飽和電圧 （V）
V CE（sat）
スイッチング波形
（V CC ＝ 1,800 V，I C ＝ 1,200 A，T j ＝ 150 ℃）
図
V F - I F 特性
0V
3,000
0V
V GE
V CE
IC
V GE
IC
V CE
順電流 I F（A）
2,500
2,000
0V
0A
0V
0A
T j =25 ℃
ターンオン波形
1,500
T j =150 ℃
V AK（ ）
V CE
1,000
500
0
V CE
I C ，I F
V GE
t
0V
0A
0
1
2
3
順電圧 V F（V）
372（ 16 ）
4
ターンオフ波形
5
IF
逆回復波形
：500 V/div
：500 A/div
：20 V/div
：1 s/div
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
3.3 kV IGBT モジュール
3.3 kV IGBT モジュールの内部の概略構造
図
絶縁基板間の電流分担測定結果
端子
特 集
エミッタ端子
コレクタ端子
シリコーンゲル
絶縁基板 2
はんだ層
ワイヤボンディング
チップ
はんだ層
メタル層
絶縁基板 1 上
のチップの電流
AlN 基板（絶縁基板）
メタル層
はんだ層
AlSiC ベース
絶縁基板 2 上
のチップの電流
絶縁基板 1
絶縁基板
図
改良前と改良後の主端子部
ベース
（a）改良前
3.3ｋV 1.2 kA IGBT モジュール
※ 絶縁基板上にチップが配置される。
インダクタンス
≒20 nH
（1 端子当たり）
インダクタンス
≒30 nH
（1 端子当たり）
絶縁基板 1 上の
チップの電流
絶縁基板 2 上の
チップの電流
（b）改良後
V CE：500 V/div
I C ：100 A/div
t ：5 s/div
低耐圧ŋġŎsŔÝ一般á採用ËĂܺāċŔňijú窒化
Ǻ素þĀ熱伝導率 2.5 v 8 倍高º AlN 基板Ĉ採用ÍÕg
Óä結果h表 1 á示Ï低熱抵抗Ĉ実現ÍÕg
łsĢ材料åh低耐圧ŋġŎsŔÝå一般á銅}Cu~
łsĢÂ採用ËĂܺāg3.3 kV IGBT ŋġŎsŔÝåh
⑵ 絶縁基板間ä電流ċŜĹŒŜĢ低減
高º信頼性Ĉ確保ÏāÕ÷áhAlSiC łsĢĈ採用ÍÕg
絶縁基板åŋġŎsŔä主端子配置ÁÿhđňĬĨ端子
AlSiC å Al Þ SiC ä複合材料ݸĀh熱膨張率 AlN 基
直下á位置ÏāøäÞĜŕĘĨ端子直下á位置ÏāøäÞ
板á近ºÕ÷hCu łsĢá比ïhĻsıĞčĘŔ寿命ú
á分ÁĂhÓĂÿĈ最短配線Ý並列接続ÍܺāäÝh絶
ĺŘsĞčĘŔ寿命Â数倍向上Ïāg
縁基板間Ý電流ä不均一Â生ÎúϺ構造ݸāgđňĬ
Ĩ端子ÀþéĜŕĘĨ端子内部ä電流経路Ĉ分析Íh均等
.
電流áàāþ¼á設計ÍÕg
主端子構造の改良
主端子ä設計Ýåh次ä 3 点Â重要ݸāg
図
á絶縁基板間ä電流分担Ĉ測定ÍÕ波形Ĉ示Ïg測
⒜ 内部čŜĩĘĨŜĢä低減
定ä結果h絶縁基板間ä電流分担å良好ݸÙÕg
⒝ 絶縁基板間ä電流ċŜĹŒŜĢ低減
⑶ 絶縁基板îä接続部ä応力緩和
⒞ 絶縁基板îä接続部ä応力緩和}ĻsıĞčĘŔú
ĺŘsĞčĘŔä寿命向上áÚàÂā~
今回h主端子Ĉ IGBT ĸčĺŘsŋġŎsŔÞ共通ä最
新構造á変更ÍÕg図
á改良前Þ改良後ä主端子部Ĉ示
絶縁基板îä接続部ä応力緩和äÕ÷h主端子部材å熱
処理ä最適化áþĀ軟ÿÁÅÍܺāgôÕh主端子å端
子ĚsĢÞ一体成形Íh主端子îä応力発生Ĉ抑制Íܺ
āg
Ïg
⑴ 内部čŜĩĘĨŜĢä低減
パワーサイクル耐量の確保
主端子ä足ä長ËĈ最短áÏāÞÞøáhĜŕĘĨ用ä
足ÞđňĬĨ用ä足ä通電部分Ĉ上下á配線Íh磁界ä相
高耐圧ŋġŎsŔåhÓä用途Áÿ高信頼性Â要求ËĂ
互作用Ĉ積極的á活用ÏāÉÞÝ配線čŜĩĘĨŜĢĈ低
āg市場Â重要視Ïā信頼性áåhĺŘsĞčĘŔ耐量Â
減ËÑÕg
¸āgĺŘsĞčĘŔ試験}断続通電試験~åhIGBT ŋ
測定ä結果h内部čŜĩĘĨŜĢĈ従来端子ä 30 nH Á
ġŎsŔĈ放熱ľČŜá固定ÍÕ状態Ý通電j遮断ä電気
ÿ 20 nH î低減ÍÕg内部čŜĩĘĨŜĢ L åhĢčĬ
的負荷Ĉ与¾hIGBT ĪĬŀä接合温度 Tj Ĉ上昇j下降
ĪŜę時ä電流変化 di/dt áþĀh端子接続部ÞĪĬŀ間
ËÑāÉÞáþĀ熱ĢıŕĢĈ発生ËÑh熱ĢıŕĢÝ破
áhǼV ＝ L・di/dt ä電圧Â発生ÏāäÝh内部čŜĩĘ
壊ÏāôÝ行¼gĺŘsĞčĘŔ試験áåh接合温度Ĉ比
ĨŜĢ低減åĪĬŀîä過電圧低減Þàāg
較的短時間ä周期Ý上昇j下降ËÑā ǼTj ĺŘsĞčĘ
373（ 17 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
3.3 kV IGBT モジュール
上ä ǼTc ĺŘsĞčĘŔ耐量Ĉ持Úg
ΔT j パワーサイクル試験結果
特 集
109
製品ラインアップ
8
10
現在h3.3 kV 1.2 kA IGBT ŋġŎsŔÞ同ÎĺĬĚs
7
寿命（サイクル）
10
ġ 外 形}190 mm×140 mm~ Ýh 搭 載 Ï ā IGBT À þ é
FWD äĪĬŀĞčģĈ大ÃÅÍÕ 3.3 kV 1.5 kA IGBT ŋ
106
ġŎsŔÞh130 mm×140 mm ĺĬĚsġ外形ä 3.3 kV
2 s オン /18 s オフ
800 A IGBT ŋġŎsŔø開発中ݸāg各 3.3 kV IGBT
5
10
ŋġŎsŔä目標仕様å表
ΔT j
á示ÍÕg
Tj
104
Tc
2s
18 s
F（ t ）=1% ライン
103
102
10
50
100
200
あとがき
今回hĺĬĚsġá IGBT ĸčĺŘsŋġŎsŔĈ適用
ÍÕ 3.3 kV 1.2 kA IGBT ŋġŎsŔĈ開発ÍÕg改良前
ΔT （K）
j
á比ïh内部čŜĩĘĨŜĢĈ 33 % 低減Íh絶縁基板間
ä電流均一化ø良好ݸāgÉäŋġŎsŔÝĺŘsĞ
図
čĘŔ試験Ĉ実施Íh十分à耐量Ĉ持ÚÉÞĈ確認ÍÕg
ΔT c パワーサイクル試験結果
3.3 kV 1.2 kA IGBT ŋġŎsŔåh2010 年製品化ä予定
107
ݸāg
寿命（サイクル）
106
参考文献
2 万サイクル以上
（破壊なし）
5
10
⑴ 古 閑 丈 晴 ñ Á. 3.3 kV IGBTŋ ġ Ŏ s Ŕ. 富 士 時 報. 2007,
vol.80, no.6, p.397-401.
104
⑵ 西 村 孝 司 ñ Á. IGBTĸ č ĺ Ř s ŋ ġ Ŏ s Ŕ. 富 士 時 報.
Al2O3 基板と Cu ベースのモジュール
F（ t）
寿命（ =20% のとき）
103
2008, vol.81, no.6, p.390-394.
3.3 kV 1.2 kA
（AIN 基板と AISiC ベース）
⑶ Morozumi, A. et al. Reliability of Power Cycling for IGBT
2
10
10
50
100
200
ΔT （K）
c
Power Semiconductor Module. Conf. Rec. IEEE Ind. Appl.
Cof. 36th. 2001, p.1912-1918.
Ŕ試験Þh長時間ä周期ÝĚsĢ温度 Tc Ĉ所定ä温度ô
古閑 丈晴
Ý上下ËÑā ǼTc ĺŘsĞčĘŔ試験¸āg
ĺŘs半導体İĹčĢä開発j設計á従事g現在h
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
ΔT j パワーサイクル評価結果
.
体統括部ŋġŎsŔ開発部g電気学会会員g
富士電機ÝåhIGBT ŋġŎsŔáÀÇāĺŘsĞčĘ
Ŕ試験後äŋġŎsŔ解析ÁÿhǼTj ĺŘsĞčĘŔ耐量
åĪĬŀ下äåĉÖÞċŔňĴďʼnŘčō接合部ä寿命Ý
⑶
決ôāÉÞĈ確認Íܺāg
図
á 3.3 kV ŋġŎsŔä ǼTj ĺŘsĞčĘŔ試験結
果Ĉ示Ïg3.3 kV ŋġŎsŔåh1.2 kV Àþé 1.7 kV 耐
有田 康彦
ĺŘs半導体İĹčĢä開発j設計á従事g現在h
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
体統括部ŋġŎsŔ開発部g
圧ä IGBT ĸčĺŘsŋġŎsŔÞ同様áhĪĬŀ下åĉ
Öá高剛性材料ä Sn-Ag åĉÖĈ適用ÍhôÕ絶縁基板
間電流Ĉ均等化ÍÕÉÞáþĀh1.2 kV Àþé 1.7 kV 耐
小林 孝敏
圧ä IGBT ĸčĺŘsŋġŎsŔÞ同等ä ǼTj ĺŘsĞ
IGBT ŋġŎsŔä構造開発j設計á従事g現在h
čĘŔ試験結果Ĉ確認ÍÕg
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
体統括部ĺĬĚsġ設計j実装技術部g
ΔT c パワーサイクル試験結果
.
図
á示Ïþ¼á ǼTc ＝ 80 K ä条件Ýh2 万ĞčĘŔ
以上ä実力Ĉ確認ÍÕg3.3 kV ŋġŎsŔåhAlSiC łs
ĢĈ適用ÍܺāäÝhCu łsĢä場合á対ÍÜ 3 倍以
374（ 18 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
高速 IGBT モジュール
特 集
/PNOZWLLK0.);4VK\SLZ
堀江 峻太:O\U[H/VYPL
小川 省吾:OVNV6NH^H
高久 拓;HR\;HRHR\
近年hMRI úⅩ線àßä医療用電源h溶接機úŀŒģŇĔĬĨ用電源ÞºÙÕ市場Â拡大ÍܺāgÉĂÿä機器ä
ĢčĬĪŜę周波数å 20 v 50 kHz ä領域ݸāgÉäþ¼à高ĢčĬĪŜę周波数領域Ýä使用á適ÍÕ高速 IGBT ŋ
ġŎsŔä開発Ĉ行ÙÕgIGBT ĪĬŀä裏面 p 層ä濃度ĜŜıŖsŔh表面ĤŔĽĬĪ間隔ä短縮hFWD ĪĬŀäı
ŕsIJēľä最適化áþĀĢčĬĪŜę損失ä低減Ĉ実現ÍÕgôÕhŋġŎsŔä放熱特性Ĉ改善ÍÕĺĬĚsġĈ採
用ÏāÉÞáþĀhĪĬŀä温度上昇Ĉ抑¾h高速ĢčĬĪŜęĈ可能áÍÕg
The market for power supplies, used in medical applications such as MRI and X-ray equipment and in welding and plasma cutting equipment, has expanded in recent years. The switching frequency of these devices is in the range of 20 to 50 kHz. High-speed IGBT modules have
been developed for use at this high switching frequency. Lower switching loss has been achieved by controlling the doping level of the p-layer on the rear face of the IGBT chip, shrinking the cell pitch interval on the front face, and optimizing the trade-off relation of the FWD chip.
Also, the use of a package that provides improved heat dissipating characteristics helps to suppress the temperature rise of the chip and enables high-speed switching.
まえがき
製品系列
近年h電気機器ä省đĶŔės対策ä重要性Â増ÍÜÀ
図
á製品ä外観Ĉ示Ïg開発ÍÕ高速 IGBT ŋġŎs
ĀhĺŘsđŕĘıŖĴĘĢĈ用ºÕ電力変換装置ä利
Ŕä製品系列Ĉ表 1 á示Ïg図
用分野ÂôÏôÏ拡大ÍܺāgËÿáh機器ä高効率
路用ä 2 個組ŋġŎsŔÞĪŐĬĺ用äŋġŎsŔĈ系列
á示ÏĸsľĿœĬġ回
化äÕ÷á新Õà回路方式ø提案ËĂhIGBT}Insulated
化ÍÕg電圧定格åh市場要求ä高º 1,200 V ݸāg電
Gate Bipolar Transistor~ŋġŎsŔá対ÏāĴsģåô
流定格å 2 個組ŋġŎsŔ 100 Ah150 Ah200 A ݸĀh
ÏôÏ多様化ÍܺāgÉĂôÝ機器ä性能向上á寄与
ĪŐĬĺ用ŋġŎsŔ 200 Ah300 Ah400 A ݸāg図
ÏāÕ÷á低ķčģh低損失à IGBT ŋġŎsŔä開発Â
á示Ïþ¼áhĺĬĚsġåĨsěĬı市場áÀºÜ広
行ąĂÜÀĀh今後øþĀºÙÓ¼ä特性改善îä期待
Å使用ËĂܺā標準ĺĬĚsġĈ採用ÍÕg表
á高速
⑴
Â高ôÙܺāg一方Ý IGBT ä特性øĠœĜŜ限界á近
IGBT Þ通常ĨčŀÞä特性比較Ĉ示Ïg高速 IGBT ä方
ÛºÜÀĀh装置ä高効率化Ĉ実現ÏāÕ÷áåċŀœ
ÂhIGBThFWD}Free Wheeling Diode~Þøá飽和電
ĚsĠŐŜÞ一体ÞàÙÕ製品設計Â必要ÞàÙÜÃܺ
圧Â高ÅàÙܺāÂhĢčĬĪŜę損失 40 v 50 % á
āg今後大幅à市場ä伸éÂ予測ËĂā MRI}Magnetic
低減Íܺāg
Resonance Imaging~ú X 線àßä医療用電源h溶接機
図
á高速 IGBT ä適用例ÞÍÜ溶接機ä回路Ĉ示Ïg
úŀŒģŇĔĬĨh誘導加熱装置àßä高周波動作á対応
Éäþ¼à回路áÀºÜåhčŜĹsĨ部á使用Ïā 2 個
ÍÕ高速 IGBT ŋġŎsŔĈ開発ÍÕgÉĂÿä機器å装
組ŋġŎsŔÞhPFC}Power Factor Correction~部á
置ä小型化j高効率化Ĉ実現ÏāÕ÷á 20 v 50 kHz ä
使用ÏāĪŐĬĺŋġŎsŔÂ必要ÞàāgÉä回路å
⑵h
⑶
ĢčĬĪŜę周波数Ý使用ËĂܺā
gŋsĨIJŒčĿ用
ä汎用čŜĹsĨàßäĢčĬĪŜę周波数}数 kHz v
図
製品の外観
20 kHz~á比ïÜ非常á高º周波数ä領域ݸāgÍÕ
ÂÙÜhĢčĬĪŜę損失ĈºÁá減ÿÏÁÂ重要Þàāg
ÓÉÝ高速 IGBT ŋġŎsŔåh装置ä動作条件á合ą
ÑÜ IGBT ä出力特性ÞĢčĬĪŜę損失äıŕsIJēľ
Ĉ最適化ÏāÉÞáþĀh機器Ýä発生損失Â最小Þàā
þ¼á設計ÍÕg
本稿Ýåh今回開発ÍÕ高速 IGBT ŋġŎsŔä特徴Þ
Óä技術áÚºÜ紹介Ïāg
375（ 19 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
表
高速 IGBT モジュール
高速 IGBT モジュールの製品系列
型 式
電圧定格
電流定格
特 集
2MBI100HB-120-50
100 A
2MBI150HH-120-50
150 A
2MBI200HH-120-50
200 A
内部回路
パッケージ寸法
45 mm×92 mm
２個組
1,200 V
図
1MBI200HH-120L-50
200 A
1MBI300HH-120L-50
300 A
1MBI400HH-120L-50
400 A
内部等価回路
図
C1
62 mm×108 mm
チョッパ
ハーフブリッジ回路の動作波形
C1
T
ハードターンオフ
V CE
IC
G1
NTC
E1
C2E1
C2E1
G2
G2
E2
E2
IF
TF
ソフトターンオン
E2
E2
2 個組
チョッパ
表
表
高速 IGBT モジュールの使用チップまとめ
高速 IGBT，FWD の特性比較（チョッパモジュール）
IGBT
FWD
IGBT
FWD
２個組
高速タイプ
通常タイプ
チョッパ
高速タイプ
高速タイプ
V CE（sat）
（V）
E off
（mJ）
VF
（V）
E rr
（mJ）
高速 IGBT
4
9.2
4.34
5.89
ø無視ÝÃāñß小˺gÓÉÝh開発製品åhčŜĹs
通常タイプ
（U4-IGBT）
2.1
20.2
1.8
16
Ĩ部á使用Ïā 2 個組ŋġŎsŔäĨsŜēľ損失ä低減
定格：200 A/1,200 V，接合部温度：125 ℃
ゲート電圧：±15 V，コレクタ電流：200 A，DC バス電圧：600 V，
ゲート抵抗：標準
á注力ÍhIGBT äõ高速ĨčŀĈ搭載ÍÕgPFC 部á使
用ÏāĪŐĬĺŋġŎsŔåhĸsIJĨsŜēŜ動作Þà
āÕ÷hFWD á対ÍÜø IGBT Þ同様áĢčĬĪŜę損
失ä低減Â必要ÞàāgÓäÕ÷hFWD ø高速ĨčŀĈ
図
開発ÍÕg表
溶接機の回路
áh使用ÍܺāĪĬŀäĨčŀĈôÞ÷
Õg
高速 IGBT 製品設計
今 回hIGBT Ī Ĭ ŀhFWD Ī Ĭ ŀ Ĉ 新 規 á 開 発 Íh
ĺĬĚsġå通常ĨčŀäĺĬĚsġá改善Ĉ施ÍÜ低熱
PFC部
インバータ部
抵抗化Ĉ実現ÍÕg以下áÓä詳細Ĉ示Ïg
.
高速 IGBT チップの開発
ĸsľĿœĬġ回路ÞàÙÜÀĀhčŜĹsĨ部 IGBT ä
ĢčĬĪŜę周波数 20 kHz Ĉ超¾āþ¼à使用領域
ĜŕĘĨ電流 IC ÞĜŕĘĨ−đňĬĨ間電圧 VCE ä波形
áÀºÜåhĢčĬĪŜę損失ĈºÁá減ÿÏÁÂ重要Ý
å図
¸āg 図
äþ¼áàāgT åĢčĬĪŜę周期hTF å FWD
導通時間ݸāg図
Áÿ分ÁāÞÀĀhIC Â流Ă始÷ā
ÞÃá VCE åÏÝá 0 áàÙܺāÕ÷hĸsľĿœĬ
á示Ïþ¼á IGBT ĪĬŀä飽和電圧 VCE}sat~
Þ IGBT ĪĬŀäĨsŜēľ損失 Eoff åıŕsIJēľä関
係ÞàÙܺāgÉäıŕsIJēľ上Ý低 Eoffh高 VCE}sat~
ġ部ä IGBT ÝåĨsŜēŜ損失åñÞĉß発生Íàºg
áĠľıÏāÉÞáþĀhĢčĬĪŜę損失Ĉ大幅á低減
FWD 通電時間ø IGBT á比ïåāÁá小ËÅh導通損失
ÏāÉÞÂ可能Þàāg今回åĢčĬĪŜę周波数 20 v
376（ 20 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
高速 IGBT モジュール
50 kHz áÀºÜ IGBT äısĨŔ損失}導通損失ÞĢčĬ
á⒜h⒝ä対策áþā IC Þ VCE 波形ä改善ä模式
図
図Ĉ示Ïg⒜ä対策åhĨsŜēľ時ä残留ĖŌœċĈ裏
低 Eoff 実現äÕ÷h図
面Áÿ排出ÍúÏÅÏā効果¸āgÓäÕ÷hIGBT 電
á示Ïþ¼á以下ä 2 点ä改良Ĉ
加¾h損失低減Ĉ図ÙÕg
流ä立下Ā時間Â短縮ÏāÞÞøáhįsŔ電流Â低減Ý
⒜ 裏面 p 層ä濃度制御
ÃāgÉĂáþÙÜĨsŜēľ電流下降時ä損失Â低減Í
⒝ IGBT 表面äĤŔĽĬĪ間隔ä短縮
Õg⒝ä対策ÝåhIGBT ä帰還容量Þ入力容量ä比率Â
変ąā効果¸āg電圧ä立上Ā時間Ĉ短縮ÍhĨsŜē
図
ľ電圧上昇期間ä損失Ĉ低減Ïāg以上 2 点ä改善áþĀh
IGBT トレードオフ
ısĨŔä Eoff Â大幅á低減Ïāg試作ÍÕ高速 IGBT ŋ
ġŎsŔÞh通常äŋġŎsŔÞäĨsŜēľ波形ä比
較Ĉ図
á示ÏgįsŔ電流Â低減ËĂܺāÉÞá加¾h
VCE ä立上ĀÂ高速áàÙÜÀĀh改善策ä効果Â現ĂÜ
ターンオフ損失（mJ）
通常の IGBT モジュール
図
ターンオフ波形の比較（200 A/1,200 V 品）
t : 100 ns/div
通常の IGBT
V CE : 200 V/div
高速 IGBT モジュール
I C : 50 A/div
IGBT 飽和電圧（V）
図
t : 100 ns/div
IGBT 構造の高速化
高速 IGBT
ゲート エミッタ
ゲート エミッタ
n+
n+
p
p
V CE : 200 V/div
ゲート エミッタ
n+
p
I C : 50 A/div
セルピッチ
短縮
n−ドリフト層
n−ドリフト層
n−ドリフト層
図
裏面濃度
低減
逆回復波形の改善（100 A/1,200 V 品）
通常の FWD
t : 100 ns/div
I C : 100 A/div
コレクタ
p+ コレクタ層 コレクタ
p+ コレクタ層 コレクタ
V CE : 200 V/div
図
ターンオフ波形の改善
（b）セルピッチの短縮
ターンオフ時間を短縮し
電圧の立上りを速くする。
高速 FWD
電圧波形
t : 100 ns/div
I C : 100 A/div
（a）裏面 p 層の濃度制御
電流の立下りを速くするとともに，
テール電流を減少させる。
V CE : 200 V/div
電流波形
377（ 21 ）
特 集
ĪŜę損失ä和~Â最小áàāþ¼áĪĬŀ設計Ĉ行ÙÕg
富士時報 Vol.82 No.6 2009
ºāgÉĂáþĀh 表
高速 IGBT モジュール
á示Ïþ¼áhEoff Ĉ通常Ĩčŀ
図 0 h 図 1 á 2 個 組 ŋ ġ Ŏ s Ŕ ä U4 Ġ œ s ģ
}U4 Ġœsģ~á対ÍÜ約 1/2 á低減ÏāÉÞÂÝÃÕg
}2MBI200U4H-120-50h 定 格 200 A/1,200 V~ Þ 高 速
.
高速 FWD チップの開発
損失比較Ĉ示Ïg
章Ý述ïÕþ¼áh2 個組ŋġŎsŔ
PFC 回路á適用Ïā IGBT ŋġŎsŔåhĸsIJĨs
á関ÍÜĨsŜēŜ損失åñÞĉß発生ÑÐhôÕ FWD
ŜēŜ動作ÞàāÕ÷hFWD ĪĬŀÝä逆回復損失 Err
Ýä導通損失ø全体損失á対ÍÜ無視ÝÃāñß小˺
ä全損失á占÷ā割合Â非常á大ÃÅàĀhFWD 特性Ĉ
Õ÷hĨsŜēľ損失Þ IGBT 導通損失ä比較Ĉ行ÙÕg
高速化ÏāÉÞÂ必要ÞàāgErr Þ FWD ä順電圧 VF
15 kHz 以 上 ä Ģ č Ĭ Ī Ŝ ę 周 波 数 Ý åh 高 速 IGBT ŋ
ä関係øhIGBT ä Eoff
ġŎsŔäısĨŔ発生損失Â低Åh40 kHz Ýå 25 % 低
-V
CE}sat~
ä関係Þ同様áıŕsIJ
ēľä関係áàÙܺāgÉĂĈ高周波用途á合ąÑh高
減ÝÃÕg
VFh低 Err áĠľıÏāÕ÷ä改善策ÞÍÜhŒčľĨč
ʼnĖŒsäIJsĽŜę量Ĉ最適化ÍÕg図
復時ä波形比較Ĉ示Ïg表
図 2 áh Ī Ő Ĭ ĺ ŋ ġ Ŏ s Ŕ ä U4 Ġ œ s ģ IGBT
á FWD 逆回
}1MBI200U4H-120Lh 定 格 200 A/1,200 V~ Þ 高 速 IGBT
á示Ïþ¼áhŒčľĨčʼn
}1MBI200HH-120L-50h定格 200 A/1,200 V~ä発生損失
ĖŒsä量Ĉ調整ÏāÉÞÝ逆回復電流Ĉ低減Íh通常Ĩ
比較Ĉ示Ïg
čŀä Err á対ÍÜ約 1/3 á低減ÏāÉÞÂÝÃÕg
fc ＝ 25 kHz ä条件áÀºÜh高速 IGBT ŋġŎsŔÝ
åısĨŔ発生損失Â 36 % 低減ÝÃÕg
.
発生損失
今回開発ÍÕ高速 IGBT ä 2 個組ŋġŎsŔÞĪŐĬĺ
.
ŋġŎsŔáÚºÜh通常ĨčŀÞ発生損失Ĉ比較ÍÕg
パッケージ技術
電 力 変 換 装 置 ä 小 型 化j 高 密 度 化 á 伴 ºhIGBT ŋ
ġŎsŔä放熱特性á対Ïā要求ø厳ÍÅàÙÜÃܺāg
図
２個組モジュールの発生損失比較（200 A/1,200 V）
特áh図 0 Áÿø分Áāþ¼áhĢčĬĪŜę周波数Â
500
ºāÂh低周波領域á比ï発生損失Â増加ÏāÕ÷hþĀ
トータル発生損失（W）
高º領域áÀºÜ発生損失å通常ä IGBT á比ï低減ÍÜ
放熱設計Â重要ÞàāgÓÉÝh今回開発ÍÕ高速 IGBT
400
通常の IGBT（U4-IGBT）
ŋġŎsŔÝåhDCB}Direct Copper Bonding~基板Ĉ
従来äċŔňij基板Áÿh富士電機äĸčĺŘsŋġŎs
300
⑷
Ŕáø使用Íܺā窒化Ǻ素基板á変更ÏāÉÞáþĀh
高速 IGBT
200
ŋġŎsŔä放熱特性Ĉ向上ËÑÕg表
á従来äċŔň
ij DCB 基板Þä特性比較Ĉ示Ïg熱伝導率Â 4 倍áàÙ
100
ÜÀĀh同ÎĪĬŀĞčģáÀºÜ比較ÍÕ場合äġŌŜ
0
0
10
20
30
40
ĘĠŐŜ−ĚsĢ間ä熱抵抗値 Rth}j
-c~
 30 % 低減Íܺ
スイッチング周波数（kHz）
図
図
チョッパモジュールの発生損失比較（200 A/1,200 V）
700
40 kHz における発生損失比較（200 A/1,200 V）
f c＝25 kHz
600
596 W
600
f c＝40 kHz
500
400
325 W
300
ターンオフ
損失
200
100
IGBT
導通損失
400
365 W
FWD
逆回復損失
FWD
導通損失
300
200
ターンオン
損失
100
ターンオフ
損失
IGBT
導通損失
0
0
高速 IGBT
通常の IGBT
（U4-IGBT）
コレクタ電流：100 A，DC バス電圧：600 V，
ゲート抵抗：標準，ゲート電圧：±15 V，通電率：0.5
378（ 22 ）
発生損失（W）
500
434 W
発生損失（W）
特 集
IGBT}2MBI200HH-120-50h定格 200 A/1,200 V~ä発生
高速 IGBT
通常の IGBT
（U4-IGBT）
コレクタ電流：60 A，DC バス電圧：600 V，
ゲート抵抗：標準，ゲート電圧：±15 V，通電率：0.5
富士時報 Vol.82 No.6 2009
表
高速 IGBT モジュール
1324.
アルミナ基板と窒化けい素基板の特性比較
窒化けい素
熱伝導率〔W/
（m･K）
〕
22
90
厚み（mm）
0.38
0.32
熱抵抗 R th（j-c）
（K/W）
0.23
0.19
⑶ Takasaki, Y. et al. Development of a potable spot-welding machine. IEEE International Magnetics Conference.
2003, p.HB-06.
⑷ 西 村 孝 司 ñ Á. IGBTĸ č ĺ Ř s ŋ ġ Ŏ s Ŕ. 富 士 時 報.
2008, vol.81, no.6, p. 390-394.
āgÉĂáþĀ高速 IGBT ŋġŎsŔÝäĪĬŀä温度上
昇Ĉ抑¾āÉÞÂÝÃÕg
堀江 峻太
ĺŘs半導体h電力変換ĠĢįʼnä設計j開発á
あとがき
従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体
事業本部半導体統括部ŋġŎsŔ開発部g
今回hMRI ú X 線àßä医療用電源h溶接機úŀŒģ
ŇĔĬĨh誘導加熱装置àßá最適化ÍÕ高速 IGBT ŋ
ġŎsŔä特徴ÞhÓä技術áÚºÜ紹介ÍÕg
小川 省吾
今後åh今回開発ÍÕ高速 IGBThFWD ĪĬŀúh開
ĺŘs半導体h電力変換ĠĢįʼnä設計j開発á
発á際ÍÜä技術ķďĸďĈ生ÁÍh太陽光čŜĹsĨú
従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体
UPS}無停電電源装置~ÞºÙÕh今後ä市場拡大ÂËÿ
事業本部半導体統括部ŋġŎsŔ開発部g
á大úÞ期待ËĂā応用分野ĈĨsěĬıÞÍÕ IGBT
ŋġŎsŔä開発á取Ā組ĉݺÅ所存ݸāg
高久 拓
参考文献
ĺŘs半導体h電力変換ĠĢįʼnä設計j開発j
⑴ Nakano, H. et al. The 6th generation 1,200 V Trench FS-
営業技術á従事g現在h富士電機ċŊœĔ社g博
IGBT module. PCIM China 2008.
士}工学~
g電気学会会員g
⑵ Theron, P.C. et al. Welding power supplies using the par93. 1993, vol.2, p.1319tial series resonat converter. IECON’
379（ 23 ）
特 集
アルミナ
富士時報 Vol.82 No.6 2009
IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化
高橋 孝太2V\[H;HRHOHZOP
吉渡 新一:OPUPJOP@VZOP^H[HYP
関野 裕介@\Z\RL:LRPUV
富士電機Ýåh最新世代äⅤĠœsģIGBT Ĉ用ºÕ製品ä系列化Ĉ進÷ܺāgⅤĠœsģ IGBT ŋġŎsŔ
åhĪĬŀ損失ä低減ÞĺĬĚsġ放熱性ä改善áþĀhIGBT ŋġŎsŔä小型化h高ĺŘs密度化Ĉ達成Íܺāgô
ÕhĪĬŀÀþéĺĬĚsġä特性向上áþĀ信頼性Ĉ高÷h175 ℃áÀÇā動作}ÕÖÍ非連続~Ĉ保証Íܺāg富士
電機Ýåh高ĺŘs密度ÁÚ信頼性ä高ºⅤĠœsģÞÍÜh大容量 2 in 1 ú小型化 7 in 1 àßä新規ĺĬĚsġä開発h
1,700 V îä系列拡大àßø進÷ܺāg
Fuji Electric is developing a series of products that use the latest generation{V-Series|IGBTs. V-Series IGBT modules realize lower
chip loss and improved package heat dissipation to achieve a smaller IGBT module size and higher power density. The chip and package characteristics have also been improved to enhance reliability and guarantee the maximum temperature of 175 ÝC. For these high power density
and highly reliable V-Series IGBTs, Fuji Electric has developed new packages, such as a large capacity 2-in-1 package and a small sized PIM
(Power Integrated Module) package. The product lineup will be expanded up to 1,700 V.
⑵
}Electromagnetic Compatibility~ķčģä原因ÞàāĨs
まえがき
ŜēŜĢčĬĪŜę時ä IGBT 電流Àþé FWD}Free
近年h産業分野áÀÇā省đĶŔėsÀþé二酸化炭
Wheeling Diode~電圧ä急激à変化Ĉ制御ÍúÏÅÍÕg
素削減ä重要àċčįʼnÞÍÜhčŜĹsĨä需要Âô
ÉĂáþĀ V Ġœsģ IGBT ŋġŎsŔåhEMC ķčģ
ÏôÏ拡大ÍܺāgčŜĹsĨá用ºāĺŘs半導体
ä低減Â容易ݸĀčŜĹsĨ設計äÍúϺ製品ÞàÙ
ÞÍÜåh損失h破壊耐量h駆動回路設計àßä観点Áÿh
Õg
IGBT}Insulate Gate Bipolar Transistor~ Â 主 á 適 用 Ë
Ăܺāg
IGBT モジュール「V シリーズ」の信頼性
富士電機áÀºÜøh1988 年ä製品化以来h着実á世
代交代Ĉ重ãÚÚh低損失化j小型化Ĉ成Í遂ÈāÉÞÝ
IGBT ŋġŎsŔ V Ġœsģå小型ÁÚķčģ制御性Â
市場ä要求á応¾ÜÃÕg近年Ýåh最新世代ä IGBT Ĉ
良ºÖÇÝàÅh高º信頼性Ĉ持ÚÉÞø特徴ݸāgV
用ºÕ IGBT ŋġŎsŔV ĠœsģĈ系列化ÏāÉÞ
ĠœsģÝåh瞬間的à異常状態áÚºÜå 175 ℃ôÝ
ÝËÿàā低損失Àþé小型化Ĉ果ÕÍÕgôÕhIGBT
ä非連続動作Ĉ保証ÍhķsŇŔà運転状態áÚºÜå
ŋġŎsŔ V ĠœsģåhĪĬŀÀþéĺĬĚsġä特
150 ℃ôÝä連続動作Ĉ保証ÍܺāgÉĂåhU Ġœs
性向上áþĀ信頼性Ĉ高÷h異常状態äĪĬŀ接合部温度
ģôÝÞ比較ÍÜÓĂÔĂ 25 ℃上昇ÍܺāgÉĂĈ可
T j ＝ 175 ℃áÀÇā動作}ÕÖÍ非連続~Ĉ保証Íܺāg
能ÞÏāÕ÷áhIGBT ĪĬŀä高温動作時ä信頼性Àþ
本稿ÝåhIGBT ŋġŎsŔ V Ġœsģä信頼性Þ系列
é破壊耐量Ĉ向上ÍhåĉÖúŘčōŅŜİČŜęĈåÎ
áÚºÜ解説Ïāg
図
IGBT チップサイズの低減
⑴
IGBT「V シリーズ」の特性
図
áhÉĂôÝ発売ËĂÕ IGBT ŋġŎsŔá搭載Ë
ĂÕ IGBT ĪĬŀĞčģä年代ÊÞä推移Ĉ示Ïg富士電
機Ýå 10 年Ý 1/2 äŃsĢÝĪĬŀä小型化Ĉ実現ÍÜ
ÀĀhV ĠœsģÝå U ĠœsģþĀËÿá 30 % äĪĬ
ŀ小型化ø達成ÍÕgV ĠœsģÝåĪĬŀä改良á加
¾h絶縁基板á熱伝導性ä良º窒化Ǻ素}SiN~基板Ĉ
用ºāÉÞÝ放熱性Ĉ高÷hIGBT ŋġŎsŔä高ĺŘs
密度化Ĉ行ÙܺāgÉĂáþĀhčŜĹsĨĠĢįʼn全
体ä小型化ÀþéĜĢıĩďŜá大ÃÅ貢献ÏāgôÕh
V ĠœsģÝå表面ěsı構造ä最適化áþĀhEMC
380（ 24 ）
チップ面積（a.u.）
（1,200 V L シリーズを 100 とした場合）
特 集
5L^3PUL\WVM=:LYPLZ0.);4VK\SLZ
120
L シリーズ
1,200 V/50 A IGBT
100
N
80
S
U
60
40
L シリーズ
N
V
T
S
U
20
0
1985
600 V/50 A IGBT
1990
1995
2000
（年）
V
2005
2010
富士時報 Vol.82 No.6 2009
IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化
÷ÞÏāĺĬĚsġä信頼性Ĉ向上ÍÕg以下ÝhÉĂÿ
低温Þàā熱ĞčĘŔĈ繰Ā返ÏÕ÷áĪĬŀ下äåĉÖ
ä成果áÚºÜ詳細á説明Ïāg
ÀþéŘčōŅŜİČŜę接合部Â熱膨張収縮áþāĢı
ŕĢĈ受ÇāgÉäĢıŕĢá対ÍÜh十分à耐量Ĉ持Ù
温Ýø安定的á耐圧Ĉ保持ÍhàÀÁÚ大電流ôÝ安定
ܺā必要¸āg 図
的áĢčĬĪŜęÝÃāĪĬŀ性能Ĉ必要ÞÏāgV Ġ
試験ä結果Ĉ示ÏgTj min＝25 ℃äŒčŜåh冷却ľČŜ
œsģÝåhķŜĖŒs IGBThFWD äŒčľĨčʼnĖ
温度Ĉ固定ÍÜh運転ĺĨsŜáÀÇā最大ĪĬŀ温度
ŒsÞÍÜ電子線Ĉ用ºāÉÞÝh200 ℃ôÝ熱暴走Ĉ起
Ĉ変化ËÑÕÞÃä寿命Ĉ表Ïg例¾æh䂫Tj＝30 ℃Þåh
á V ĠœsģäĺŘsĞčĘŔ
ÉËÐ安定的á耐圧Â保持ÝÃāÉÞĈ確認Íܺāgô
Õh高温ÝäĢčĬĪŜęáÚºÜåh200 ℃áÀÇā
図
1,200 V「V シリーズ」パワーサイクル試験結果
IGBT ĢčĬĪŜęÞ FWD ĢčĬĪŜęÂ可能ݸāÉ
ÞĈÓĂÔĂ確認Íܺāg 図
áĪĬŀ接合部温度 Tj
Tj
＝ 200 ℃h定格ä 2 倍ä電流Ĉ流ÍÕÞÃä IGBT äĨs
ΔT j
Tc
Ŝēľ波形Ĉ示Ïg以上áþĀhV Ġœsģå 175 ℃ôÝ
パワーチップ
ΔT c
Tf
ä異常状態Ýä動作Ĉ保証ÏāÉÞÂ可能ݸāg
t off =18 s
t on=2 s
150 ℃ôÝķsŇŔà運転動作Ĉ保証ÏāÕ÷áåh
Ī Ĭ ŀ 耐 圧 ä 長 期 的 à 信 頼 性 Þh å ĉ Ö ú Ř č ō Ņ Ŝ
Ic
ΔT j パワーサイクル通電パターンおよび温度推移
（T j：チップ接合部温度，T f：冷却フィン温度）
T
c：ケース温度，
İČŜęĈåÎ÷ÞÏāĺĬĚsġä信頼性Â必要ݸ
āgĪĬŀ耐圧ä長期的à信頼性áÚºÜåh電気炉Ý加
1010
熱ÍàÂÿ直流電圧Ĉ印加Ïā加速試験áþā確認Â一般
※破線は推定寿命を示す。
109
áhFWD ä信頼性試験結果Ĉ示ÏgTj ＝
寿命（サイクル）
的ݸāg図
175 ℃áÀºÜh定格電圧ä 80 % Ĉ 3,000 時間印加ÍÜø
耐圧ä劣化ÂàÅh十分à信頼性Ĉ持ÙܺāÉÞĈ確認
ÍÕgFWD Þ類似äđĬġ構造Ĉ持Ú IGBT øh同等ä
信頼性Ĉ持Ùܺāg
ĺ Ĭ Ě s ġ ä 信 頼 性 á Ú º Ü åh 一 般 的 á ĺ Ř s ŋ
108
T j min =25 ℃
107
106
105
ġŎsŔÝåēŜ状態ÝĪĬŀÂ高温ÞàĀhēľ状態Ý
104
T j max =150 ℃
0
40
20
60
80
100
ΔT j （℃）
図
1,200 V「V シリーズ」IGBT の高温スイッチング波形
V GE
IGBT ターンオフ波形
図
1,200 V「V シリーズ」PIM 系列および New Dual 系列
IC
PIM 系列
V CC ＝800 V, I C ＝300 A（定格の 2 倍）
R G ＝1.1Ω, V G ＝＋15/−15 V
V CE
1,200 V
10 A
1 s
1,200 V「V シリーズ」FWD の耐圧信頼性試験結果
U，U4 シリーズ
25 A
EP2
1,550
V シリーズ
EP2XT
EP3
EP3
50 A
EP3XT
75 A
FWD ＝175
℃ =960
V
Tj
Vr
100 A
1,540
耐圧 BV （V）
r
EP2
15 A
35 A
図
S シリーズ
150 A
1,530
New Dual 系列
1,200 V
1,520
150 A
1,510
200 A
1,500
S シリーズ
Standard
U，U4 シリーズ
New Dual
V シリーズ
New Dual XT
300 A
サンプル数：10 台
450 A
1,490
0
1,000
2,000
時間（h）
3,000
600 A
381（ 25 ）
特 集
175 ℃ôÝä異常状態Ýä動作Ĉ保証ÏāÕ÷áåh高
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化
「V シリーズ」の今後の系列展開
特 集
最大定格電流
（A） 10
主端子
15
25
35
50
75
100
200
225
150
PIM（EP2XT）
400
450
300
550
600
EP2/PC2
1,200
1,400
2,400
3,600
EP3/PC3
PIM（EP3XT）
ピン
900
6 in 1（PC2XT）
6 in 1（PC3XT）
従 来
端 子
2 in 1（DualXT）
Dual
新型 2 in 1
ねじ
開発中
制御端子
スプリング
はんだ
フリー
端 子
ねじ
2 in 1（DualXT）
Spring Dual
（a）1,200 V 系列
最大定格電流
（A） 10
主端子
15
25
35
50
75
100
150
200
225
300
EP2/PC2
PIM（EP2XT）
400
450
600
900
1,200
EP3/PC3
PIM（EP3XT）
ピン
6 in 1（PC2XT）
従 来
端 子
Dual
2 in 1（DualXT）
ねじ
（b）600 V 系列
冷却ľČŜ温度 25 ℃h最大ĪĬŀ温度 55 ℃ä運転ĺĨs
áþĀhčŜĹsĨĠĢįʼnä小型化Àþé設計ä簡素
ŜÞàāgTj max＝150 ℃äŒčŜåh運転ĺĨsŜáÀÇ
化Â可能ݸāgV ĠœsģÝåhPIM 系列Ĉ定格電流
ā最大ĪĬŀ温度Ĉ固定ÍÜh冷却ľČŜ温度Ĉ変化Ë
150 A ôÝ拡大ÍÕg
ÑÕÞÃä寿命Ĉ表Ïg例¾æh䂫Tj＝30 ℃äÞÃh冷却
200 A 以上ä定格電流Ý使用Ïā場合áåhNew Dual
ľČŜ温度 125 ℃h最大ĪĬŀ温度 150 ℃ä運転ĺĨsŜ
系列Ĉ用意ÍܺāgÉĂå 1 相分ä上下ċsʼn IGBT À
Þàāg
þé FWD Ĉ内蔵ÍÜÀĀ}2 in 1~
hŋġŎsŔ内部Ý 3
ęŒľá示ËĂܺāþ¼áh同一ä 䂫Tj Ýø冷却ľČ
ĪĬŀĈ並列Ý使用ÍܺāgĺŘs半導体Ĉ並列Ý使用
Ŝ温度ÀþéĪĬŀ温度Â高ºñß寿命Â短ÅàāgÏà
Ïā場合h一部äĪĬŀá電流Â集中Ïā電流ċŜĹŒŜ
ą×hTj max＝150 ℃äŒčŜå最悪ä運転条件Ĉ表ÍÜÀ
ĢÂ心配ݸāgNew Dual 系列å内部配線ĺĨsŜä工
ĀhV ĠœsģåÓä条件Ýø 䂫Tj＝100 ℃Ý寿命 50,000
夫áþĀh各ĪĬŀ間ä電流ċŜĹŒŜĢÂñÞĉßàÅh
ĞčĘŔ以上Þ十分à信頼性Ĉ持ÙܺāÉÞÂ確認ÝÃ
非常á使ºúϺİĹčĢÞàÙܺāgV ĠœsģÝåh
ÕgÉĂÿä結果ÁÿhĪĬŀÞĺĬĚsġä信頼性ä向
New Dual 系列Ĉ定格電流 600 A ôÝ拡大ÍÕg
上áþĀhV Ġœsģå 150 ℃ôÝķsŇŔà運転動作Ĉ
保証Íܺāg
今後の展望
以上hV Ġœsģå高温運転時ä信頼性Ĉ大ÃÅ向上Ë
ÑhčŜĹsĨä信頼性ä向上Àþé熱設計自由度ä向上
á大ÃÅ貢献Ïāg
V ĠœsģÝåh今後Þø系列拡大Ĉ行ÙܺÅg今後
ä系列展開Ĉ図
á示Ïg新規ĺĬĚsġÞÍÜ次ä開発
Ĉ進÷āg
注 1
IGBT モジュール「V シリーズ」の系列
⑴ 大容量ŋġŎsŔ}EconoPACK＋h新型 2 in 1~
注 2
⑵ 小型化ŋġŎsŔ}MiniSKiiP~
現在 V Ġœsģåh 図
á示Ï PIM}Power Integrat-
現在h風力発電àßä電力変換用途h電鉄用途àß大
ed Module~系列Àþé New Dual 系列Ĉ用意Íܺāg
PIM 系列å 3 相分ä上下ċsʼn IGBT Àþé FWDhĜ
Ŝ Ĺ s Ĩ ĩ č ē s IJh Ŀ ŕ s Ė IGBT Ĉ 内 蔵 Í Ü À Ā
}7 in 1~
h1 台Ý三相交流čŜĹsĨÂ構成ÝÃāgÉĂ
382（ 26 ）
注 1EconoPACKkInfineon Technologies AG. ä商標ôÕå登録
商標
注 2MiniSKiiPkSemikron ä商標ôÕå登録商標
富士時報 Vol.82 No.6 2009
IGBT モジュール「V シリーズ」の系列化
容 量 č Ŝ Ĺ s Ĩ ä 市 場 Â 拡 大 Í Ü À Āh É Ă ÿ ä 市
参考文献
EconoPACK＋Ýå 550 A/1,200 V 定格h新型 2 in 1 Ýå
⑴ 小野澤勇一ñÁ. UĠœsģIGBTŋġŎsŔ}1,200 V~
. 富
1,400 A/1,200 V 定格ôÝä系列化Ĉ行¼予定ݸāgô
Õ小容量向ÇÞÍÜhMiniSKiiP Ĉ開発ÍܺāgÉĂåh
士時報. 2002, vol.75, no.10, p.563-566.
⑵ 五十嵐征輝ñÁ. 電力変換装置Áÿ放射ËĂā電磁雑音ä
åĉÖ付ÇÂ不要Ý組立Â容易ݸĀhÁÚ PIM 系列Þ
解析Þ低減方法.産業応用部門誌. 1998, vol.118-D, no.6, p.757-
比ïÜ同等ä機能àÂÿ大幅à小型化Ĉ実現Íܺāg
766.
8 v 100 A/1,200 V 定格Ĉ系列化Ïā予定ݸāg
Ëÿáh1,700V 耐圧äĪĬŀ開発ø行ÙÜÀĀh新型 2
in 1hNew Dual àß大容量用途á順次展開ÍܺÅ予定
高橋 孝太
ݸāg
IGBT ŋġŎsŔä開発á従事g現在h富士電機
ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
ŋġŎsŔ開発部g
あとがき
最新世代ä IGBT ĪĬŀĈ適用ÍÕ IGBT ŋġŎsŔ
V Ġœsģä特徴Þ系列áÚºÜ解説ÍÕgV Ġœs
ģåĪĬŀ技術ÀþéĺĬĚsġ放熱性ä向上áþā小型
化Ĉ達成ÍhčŜĹsĨä小型化á大ÃÅ貢献ÝÃāgô
吉渡 新一
IGBT ŋġŎsŔä開発j設計á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部ŋġŎsŔ開発部Īsʼnœsĩsg
ÕĪĬŀÀþéĺĬĚsġä信頼性ä向上áþĀh175 ℃
áÀÇā動作Ĉ保証ÍܺāgÉĂáþĀčŜĹsĨä信
頼性ä向上Àþé熱設計自由度ä向上á大ÃÅ貢献Ïāg
今後h富士電機Ýå V Ġœsģä技術Ĉ 1,700 Vh大容
量ŋġŎsŔh小型化ŋġŎsŔá展開ÍܺÃhÀ客Ë
ôäĴsģá応¾ÜºÅ所存ݸāg
関野 裕介
IGBT ŋġŎsŔä開発j設計á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部ŋġŎsŔ開発部g
383（ 27 ）
特 集
場 á 対 応 Ï ā Õ ÷ á 大 容 量 ŋ ġ Ŏ s Ŕ ä 開 発 Ĉ 行 ¼g
富士時報 Vol.82 No.6 2009
インテリジェントパワーモジュール「V シリーズ IPM」
特 集
=:LYPLZ0U[LSSPNLU[7V^LY4VK\SLZ
清水 直樹5HVRP:OPTPa\
高橋 秀明/PKLHRP;HRHOHZOP
熊田 恵志郎2LPZOPYV\2\THKH
産業用ⅤĠœsģ IPM}Intelligent Power Module~
Ĉ開発ÍÕg本製品åhIPM 用á最適化ÍÕ高性能第 6 世代Ⅴ
ĪĬŀÞ新制御 IC Ĉ適用ÍÜ発生損失Ĉ低減ÍhĺĬĚsġä小型化Ĉ実現ÍÕg短絡保護機能ä高速化Ĉ行ºh定常損
失Þ短絡耐量äıŕsIJēľĈ改善ÏāÉÞÝĢčĬĪŜę損失Ĉ低減ÍÕgËÿá新制御 IC ÞĺĬĚsġä最適化áþ
ĀhĨsŜēŜ損失ä低減Þ放射ķčģä改善á成功ÍÕg従来ä保護機能á加¾hċŒsʼn要因ÊÞáċŒsʼnĺŔĢ
幅Ĉ変¾Ü出力Ïā機能Ĉ搭載ÍÕgôÕh小容量ĺĬĚsġÝø地絡保護Â可能ÞàÙܺāg
Fuji Electric has developed a series of intelligent power modules for industrial applications, known as V-Series IPMs. This product combines high-performance 6th-generation V-chip technology for the IPMs with a new control IC to realize lower loss and a smaller package size.
The short-circuit protection function was made to operate at faster speeds and the trade-off relation between conduction loss and short-circuit
withstand capability was improved to reduce switching loss. Additionally, the new control IC and the package were optimized to reduce turnon loss and improve radiation noise characteristics. In addition to the conventional protection functions, a new function that outputs different
alarm pulse widths for each alarm factor is also provided. Ground-fault protection can also be provided even in a small package.
まえがき
製品コンセプトと系列化
IPM}Intelligent Power Module~åhIGBT}Insulated
Gate Bipolar Transistor~ Ī Ĭ ŀ Þ FWD}Free Wheel-
V-IPM ä開発ĜŜĤŀıå次äÞÀĀݸāg
ing Diode~ĪĬŀĈ搭載ÍÕĢĨŜĩsIJ IGBT ŋġŎs
⑴ ısĨŔ発生損失ä低減
Ŕáh駆動j保護機能Ĉ内蔵ÍÕIJŒčĿ IC Ĉ搭載ÍÕ
⑵ ĢčĬĪŜę損失Þ放射ķčģäıŕsIJēľ改善
čŜįœġĐŜı型ĺŘsİĹčĢݸāg主áŋsĨ
⑶ İĬIJĨčʼn短縮
駆動装置NC}Numerical Control~工作機械h汎用čŜ
⑷ ċŒsʼn要因別出力
ĹsĨhĞsŅhđċĜŜhđŕłsĨàßú電源装置
⑸ ĺĬĚsġä小型化j薄型化
UPS}Uninterruptible Power Supply~
h太陽光発電用ä
⑹ 小容量ĺĬĚsġä地絡保護可能化
注
PCS}Power Conditioning System~àßàßä幅広º
⑺ RoHS 指令対応
分野ä装置á使用ËĂh小型化h高効率化h低ķčģ化h
詳細áÚºÜåh
長寿命化h高信頼性化Â要求ËĂܺāg
表
á
V-IPM
v
章áÜ説明Ïāg
ä製品系列Ĉ示ÏgV-IPM Ýå従来品
富士電機Ýåh1997 年á業界Ý初÷Ü IGBT ĪĬŀ過
þĀø電流容量Ĉ拡大Íh定格 600 V 品ä定格電流å 20
熱保護機能Ĉ内蔵ÏāÞÞøáhēsŔĠœĜŜ化áþā
v 400 Ah定格 1,200 V 品ä定格電流å 10 v 200 A ÞÍÜ
部品点数ä削減áþĀ高信頼性化Ĉ目的ÞÍÕR-IPM
ºāg新規開発ÍÕ 4 種類äĺĬĚsġ}P631 å開発中~
ĠœsģĈ開発ÍÕg2002 年áåhĪĬŀ構造Ĉ PT
åÏïÜ RoHS 指令á対応Íܺāg
}Punch Through~Áÿ NPT}Non Punch Through~á
変更ÍÕR-IPM3
ĠœsģĈ開発ÍÕg2004 年áåh
ıŕŜĪěsı構造ä NPT 型 IGBT ä開発Þ新構造ä
表
á特性Àþé内蔵機能Ĉ示Ïg小容量ĺĬĚsġ
}P629~åh新Õá上ċsʼnáÀÇā短絡保護}地絡保護~
Ĉ可能ÞÍÕgôÕh全系列Ý出力ËĂāċŒsʼnÊÞä
FWD ä開発Ĉ行ºhĢčĬĪŜę損失ä低減Þ放射ķč
ĺŔĢ幅Ĉ変¾āÉÞÝhċŒsʼn要因ä特定Ĉ可能áÍ
ģäıŕsIJēľä改善Ĉ行ÙÕU-IPM ĠœsģĈ
ܺāg
開発ÍÕg
今回hËÿàā損失Þ入力容量低減Ĉ達成ÍÕıŕŜ
V-IPM 用パワーチップの特長
Īěsı構造ä FS}Field Stop~型V ĠœsģIGBT
ĪĬŀ}V-IGBT~Ĉ開発ÍÕgôÕ微細化áþā小型化
第 6 世代 V-IGBT ĪĬŀĈ適用ÍܺāgV-IGBT åh
Ĉ実現ÍÚÚh温度特性Ĉ改善ÍhæÿÚÃĈ低減ËÑÕ
FZ}Floating Zone~ďĐsĸÝä薄ďĐsĸŀŖĤĢ技
IJŒčĿ IC ø開発ÍÕgÉĂÿä技術ÞĺĬĚsġä最
術Ĉ用ºÕıŕŜĪěsı構造ä FS 型 IGBT ݸāg図
適化áþĀhısĨŔ発生損失Þ放射ķčģäıŕsIJē
ľĈ改善ÍÕ新小型ĺĬĚsġäV Ġœsģ IPM
}VIPM~Ĉ開発ÍÕäÝ紹介Ïāg
384（ 28 ）
注RoHS 指令k電気電子機器á含ôĂā特定有害物質ä使用制限
áÚºÜä EU}欧州連合~ä指令
富士時報 Vol.82 No.6 2009
インテリジェントパワーモジュール「V シリーズ IPM」
V-IPM の製品系列
表
図
IGBT チップの断面構造比較（600 V-IPM）
（a）製品系列
20 A
30 A
50 A
75 A
100 A
150 A
200 A
300 A
エミッタ
400 A
エミッタ
エミッタ
P629＊
6 in 1
p
P626
600 V
P630
6 in 1
7 in 1
定 格 素子数
p
p
n+
＊
n+
ゲート
n+
ゲート
ゲート
P631＊
10 A
15 A
25 A
35 A
50 A
75 A
100 A
n−ドリフト層
150 A
n−ドリフト層
n−ドリフト層
p+ コレクタ層
p+ コレクタ層
200 A
n+フィールド
ストップ層
p+ コレクタ層
P629＊
6 in 1
P626
1,200 V
＊
（b）パッケージの種類
1
4
7
10 15
コレクタ
コレクタ
R-IPM3（第 4 世代）
NPT，プレーナ
U-IPM（第 5 世代）
NPT，トレンチ
P631
＊：既存品に対して容量アップ
P629
パッケージ
P626
パッケージ
1
P
5
P630
パッケージ
9 1319
N
1
5
V
W
N
U
V
P
W
表
1 4 7 10 16
9 1319
P
B
U
V
W
IGBT 技術の推移（600 V-IPM）
P
N
U
V
W
N
縦 × 横 × 高さ
（mm）
縦 × 横 × 高さ
（mm）
縦 × 横 × 高さ
（mm）
縦 × 横 × 高さ
（mm）
49.5×70×12
50×87×12
84×128.5
×14
110×142×
27（予定）
IGBT
技術
世代
第 3 世代
第 4 世代
第 5 世代
第 6 世代
IPM
R-IPM
R-IPM3
U-IPM
V-IPM
N-IGBT
T-IGBT
U-IGBT
V-IGBT
IGBT
ウェーハ
エピタキ
シャル
構 造
PT
ゲート構造
表
V-IPM の特性および内蔵機能
パッ
ケージ
ドライ
ブ回路
過電流
保 護
短 絡
保 護
チップ
過 熱
保 護
電源電
圧低下
保 護
アラー
ム出力
上
○
○
◎
○
○
−
下
○
○
○
○
○
◎
上
○
○
○
○
○
◎
下
○
○
○
○
○
◎
上
○
○
○
○
○
◎
下
○
○
○
○
○
◎
上
○
○
○
○
○
◎
下
○
○
○
○
○
◎
アーム
V-IPM（第 6 世代）
FS，トレンチ
P631
パッケージ
B
N
PU
コレクタ
P630＊
6 in 1
7 in 1
FZ
NPT
FS
プレーナ
トレンチ
ライフタイム
コントロール
あ り
な し
キャリア注入
高注入
低注入
輸送効率
低効率
高効率
P629
流Ĉ低減ÍhĦľıœĔĹœs化Ĉ実現Íܺāg
P626
特 性
P630
.
◎：既存品からの改善ポイント
トータル発生損失
IPM îä市場要求ÞÍÜ低損失化¸āgÉĂåh損
P631
失Ĉ低減ÏāÉÞÝh装置ä制御性向上Ĉ狙ÙÕĖŌœċ
周波数ċĬŀÞh同ÎĖŌœċ周波数Ýä出力電流ċĬŀ
ä 2 種類ä目的¸āgËÿáh従来ñß高º冷却能力Ĉ
åĪĬŀ断面構造Ĉ比較ÍÕøäݸĀh表
å IGBT
必要ÞÍàºäÝh装置äĜĢıĩďŜáøÚàÂāg
図
技術ä推移Ĉ示ÍÕøäݸāg
V-IGBT
ä特長åh表面構造ä最適化áþĀIJœľı
áhPWM čŜĹsĨ動作時ä発生損失比較例Ĉ示
ÏgV-IPM å R-IPM Þ 比 較 Í Ü 約 27 %hR-IPM3 Þ 比
層ä低抵抗化Þ薄膜化Ĉ実現ÏāÉÞÝhēŜ電圧 VCE}sat~
較ÍÜ約 17 %hU-IPM Þ比較ÍÜ約 10 % ä損失低減Ĉ
ä低減ÞĢčĬĪŜę損失Ĉ改善ÍܺāgËÿáh表面
実現Íܺāg
構造ä最適化ÞIJœľı層ä低抵抗化áþĀĨsŜēŜ
今回ä損失低減äņčŜıÞÍÜåhVCE}sat~-Eoff Þä
di/dt ä制御性ø改善ÝÃāÕ÷h従来素子Þ比較ÍÜ放
ıŕsIJēľ改善ÞĨsŜēŜ損失 Eon ä低減ݸāg次
射ķčģ低減ø実現Íܺāg
áÀäÀää低減技術áÚºÜ述ïāg
V-IPM
用 IGBT ĪĬŀåŋġŎsŔ用á対ÍÜh表面
構造ä微細化áþĀhVCE}sat~ ÞĨsŜēľ損失 Eoff äı
ŕsIJēľĈ改善ÍܺāgÕÖÍhVCE}sat~Ĉ低減ÏāÞh
短絡電流Â増¾Ü短絡破壊耐量Â低減ÏāÕ÷h適用á¸
ÕÙÜåh短絡保護Ĉ高速化ÏāÉÞÂ必要Þàāg
FWD åŒčľĨčʼnĜŜıŖsŔ改善áþā逆回復電
.
V CE（sat）-E off トレードオフ改善
ısĨŔ損失ä 50% 以上å IGBT ĪĬŀä定常損失Þ
Eoff Â占÷ܺāgÕÖÍh図
á示Ïþ¼áhIGBT ĪĬ
ŀä定常損失Ĉ決÷ā VCE}sat~hEoff Àþé短絡破壊耐量å
ıŕsIJēľä関係¸Āh最適化Â必要ݸāgIPM
385（ 29 ）
特 集
定 格 素子数
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
インテリジェントパワーモジュール「V シリーズ IPM」
トータル発生損失比較（シミュレーション結果）
図
ターンオン波形
条件：E d ＝300 V，V CC ＝15 V，I C ＝150 A，T j ＝125 ℃
特 集
（150 A の場合）
トータル発生損失（W）
100
リカバリー損失（FWD）
定常損失（FWD）
ターンオン損失（IGBT）
ターンオフ損失（IGBT）
定常損失（IGBT）
80
T j =125，E d =300 V，
V CC =15 V，I o =50 Arms
cos=0.8，
λ =1
88
U-IPM
V-IPM
75
70
70
62
60
60
V CE テール改善
56
52
50
46
42
38
40
E on ＝10.3 mJ
20
0
R-IPM R-IPM3 U-IPM V-IPM R-IPM R-IPM3 U-IPM V-IPM R-IPM R-IPM3 U-IPM V-IPM
f c =5 kHz
f c =10 kHz
f c =15 kHz
図
放射ノイズ比較（富士電機での相対比較試験結果）
ノイズレベル（dB）
90
図
E on ＝6.7 mJ
，チャネル 2：コレクタ電流 I C（50 A/div）
チャネル 1：V CE（100 V/div）
IGBT のトレードオフ関係
V CE（sat）
短絡保護の高速化
（IPM 特有の改善効果）
IGBT 短絡
破壊耐量
トレードオフ
改善
損失改善の
ポイント
第６世代 V-Ｉ
ＧＢＴの
最適化による改善
U-IPM（P611 パッケージ）
80
70
60
50
40
V-IPM（P630 パッケージ）
30
30
50
70
90
110
周波数（MHz）
ターンオフ
損失
パッケージ最適化による
ターンオフサージ低減
ģĈĽsĘ値Ý約 3 dB 低減ÍܺāgÉä V-IPM Ýåh
Eon Ĉ低減ÍÚÚh放射ķčģä低減Ĉ実現ÍÕg
.
デッドタイム改善
čŜĹsĨ回路áÀºÜhIPM ä上下ċsʼnäēŜ期
å短絡保護機能¸āÕ÷h短絡保護Ĉ高速化ÏāÉÞÝ
間ä重複Ĉ防止ÏāÕ÷áhİĬIJĨčʼn時間Ĉ設Çܺ
IGBT ĪĬŀä短絡破壊耐量Ĉ損失低減á振Ā向ÇāÉÞ
āgİĬIJĨčʼn時間ä短縮åh波形èÐõú回転öÿĈ
ÂÝÃāgV-IPM
改善ËÑā重要àċčįʼnݸāgV-IPM Ýåh制御 IC
Ýåh短絡保護ä高速化Ĉ実現ÏāÉ
ÞÝhVCE}sat~-Eoff äıŕsIJēľĈ改善Íh損失Ĉ低減
ÍÕg
äĢčĬĪŜę時間ä温度特性改善ÞæÿÚÃ低減áþĀh
ĢčĬĪŜę時間ä最適化Ĉ行ÙÕgÉĂÿä方法áþ
ôÕhVCE}sat~äıŕsIJēľ上ä狙ºÞÍÜåh従来Þ
同等äĞsġ電圧Ĉ維持ÍÚÚh損失Ĉ低減ÝÃāþ¼à
ĀhV-IPM Ýå IPM 入力部áÀºÜİĬIJĨčʼn最小値
＝ 1 μs Ĉ実現Íܺāg
最適化Ĉ実施Íܺāg
保護機能
.
ターンオン損失低減
IGBT ä入力容量低減h制御 IC ä新IJŒčĿ方式Àþ
é温度特性改善áþĀh図
á示Ïþ¼áhĜŕĘĨ−đ
.
短絡保護
.
節Ý述ïÕþ¼áhIPM å IGBT ĪĬŀä短絡破
ňĬĨ間電圧 VCE äįsŔĈ短ÅÍhEon Ĉ約 35 % 低減
壊耐量Ĉ損失低減á振Ā分ÇāÉÞáþĀhıŕsIJēľ
ÍÕg
Ĉ改善ÏāÉÞÂÝÃāg改善äÕ÷áåh短絡保護Ĉ高
速化Ïā必要¸āgV-IPM áÀÇā保護回路ä高速化
.
放射ノイズ比較
ä設計的àņčŜıåh短º不感時間Ý短絡保護動作Ĉ誤
放射ķčģÞ Eon åıŕsIJēľä関係á¸Āhdi/dt
動作àÍÝ行¼ÉÞݸāgÉäÕ÷áh保護回路ä認識
Ĉ大ÃÅÏāÞ損失Â低減ÝÃhdi/dt Ĉ小ËÅÏāÞ放
Ĉ行¼ĜŕĘĨ電流ŋĴĨ用äĤŜĢ電圧ä最適化Â必要
射ķčģÂ低減ÝÃāg図
Þàāg
á富士電機Ý測定ÍÕ相対比
較試験結果例Ĉ示Ïg疑似負荷試験装置Ĉ用ºÜh加減速
運転Ĉ行º測定ÍÕøäݸāg .
IGBT ÝåĤŜĢ比Ĉ調整ÏāÉÞÝĤŜĢ電流Ĉ減ÿ
節Ý述ïÕĨsŜē
ÍhĢčĬĪŜę時äĤŜĢ電圧Ĉ安定化ËÑÕgôÕh
Ŝ損失低減ä手法ÞĺĬĚsġä内部回路配線ĺĨsŜ最
制御 IC Ýå温度特性ä大ú MOSFET}Metal-Oxide-
適化áþā放射面積低減Ýh従来品Þ比較ÍÜ放射ķč
Semiconductor Field-Effect Transistor~äēŜ抵抗áþ
386（ 30 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
インテリジェントパワーモジュール「V シリーズ IPM」
āěsı抵抗方式Áÿ新IJŒčĿ方式á変¾ÕÉÞÝh特
ĺĬĚsġ外形ÞàÙܺāg従来ĺĬĚsġå立体交差
型äĹs配線Ĉ適用Íh配線距離ä短縮Ĉ図ÙܺÕg新
Āh損失Þ短絡破壊耐量äıŕsIJēľä改善á成功ÍÕg
ĺĬĚsġÝåċŔňŘčōÞ絶縁基板上ä銅ĺĨsŜ
äõÝ内部回路ä配線Ĉ行ºh薄型化Ĉ実現ÍÕgËÿáh
.
アラーム要因別出力
PN ŒčŜ並走化áþā相互čŜĩĘĨŜĢ効果áþÙÜ
従来ä IPM äċŒsʼnĺŔĢ幅åh2 ms ä 1 種類äõ
ÝhċŒsʼn要因ä識別åÝÃàÁÙÕÂhV-IPM
Ýå
内部čŜĩĘĨŜĢĈ減少ËÑÕgÓä結果h放射ķčģ
Â低減ÍhĨsŜēľĞsġÂ過大Þàÿàº効果Ĉ得Õg
Ó ä ñ Á ä 特 長 Þ Í Üh50 A/600 V 容 量 Ĉ P629 ä 薄
ċŒsʼn要因ÊÞáċŒsʼnĺŔĢ幅Ĉ変¾hıŒĿŔ
ĠŎsįČŜę時ä要因分析時間ä短縮化Ĉ可能áÍܺ
型ĺĬĚsġÝ実現ÍÕÕ÷h装置上ä高ËĈ一定Ýh
āg
P626 Þ並ïÜ使用ÏāÉÞÂ可能ݸāgôÕh対地間
絶縁距離Àþé相間絶縁距離Ĉ十分確保ÍÕĺĬĚsġ設
V-IPM äċŒsʼn要因ÊÞäċŒsʼnĺŔĢ幅Ĉ表
計ÞàÙܺāÕ÷h装置側Ý特別à絶縁設計Ĉ施ËÐáh
á示Ïg
装置ÞÍÜä絶縁距離ä確保Â可能ݸāgÏïÜäĺĬ
パッケージ
図
図
パッケージの外観
áĺĬĚsġä外観Ĉ示Ïg小容量ĺĬĚsġå
P629h中容量小型ĺĬĚsġå P626h中容量薄型ĺĬ
P630
Ěsġå P630 ÞàÙܺāg大容量ĺĬĚsġåh既存
ä P612 相当ä P631 Ĉ開発予定ݸāg
今回開発ÍÕ IPM åh装置ä薄型化要求á対応ÍÕ
P626
表
アラーム要因ごとのアラームパルス幅
アラーム要因
図
アラームパルス幅
過電流保護（短絡保護含む）
2 ms（標準値）
電源電圧低下保護
4 ms（標準値）
IGBT チップ過熱保護
8 ms（標準値）
P629
V-IPM のブロック図
P
VccU
Vin
ALMU
ドライバ
IC1
VinU
U
GNDU
U
GNDU
ALMV
ドライバ
IC1
ドライバ
IC
VinV
V
GNDV
V
GNDV
VccW
VccW
VinW
ドライバ
IC
VccV
VccV
VinV
P
VccU
ALMW
ドライバ
IC1
VinW
W
GNDW
Vcc
ドライバ
IC
W
GNDW
Vcc
VinX
VinX
VinY
VinY
ドライバ
IC2
VinZ
VinZ
ドライバ
IC
ドライバ
IC
ドライバ
IC
GND
GND
N
ALM
（a）小容量 IPM P629（6 in 1）
ALM
N
（b）中大容量 IPM P626，P630，P631（6 in 1）
387（ 31 ）
特 集
á高温条件ÝäĤŜĢ電圧Ĉ抑制ÍÕgÉĂÿä改善áþ
富士時報 Vol.82 No.6 2009
インテリジェントパワーモジュール「V シリーズ IPM」
ĚsġáÀºÜhRoHS 指令対応ä構造ÞàÙܺāg
with soft Recovery Characteristics by the new local lifetime
control technique. Proc. of ISPSDz
08. p.80.
特 集
. 富士時報.
⑶ 関川貴善ñÁ. UĠœsģIGBT-IPM}600 V~
IPM のブロック図
2004, vol.77, no.5, p.317-326.
図
á IPM äĿŖĬĘ図Ĉ示Ïg従来ä小容量Ĩčŀ
å N ŒčŜáĠŌŜı抵抗Ĉ入ĂÜ電流検出ĈÍܺÕ
Õ÷h下ċsʼn素子áäõ流Ăā地絡短絡àßä保護ÂÝ
ÃÕgV-IPM å全 IGBT ÂĤŜĢ電流Ý検出ÍܺāÕ
⑷ 仲野逸人ñÁ. 第6世代IGBTŋġŎsŔVĠœsģPIM
.
富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.388-392.
⑸ 森貴浩ñÁ. IPM用小型IJŒčĹIC. 富士時報. 2008, vol.81,
no.6, p.395-398.
÷h上ċsʼn素子ä短絡保護Â可能ÞàÙܺāgP626h
P630hP631 ĺĬĚsġåh上ċsʼnáøċŒsʼn端子Ĉ
設ÇÜÀĀh装置側îäċŒsʼn信号伝達Â可能ÞàÙÜ
清水 直樹
ºāgÕÖÍhP629 å従来品Þä取付Ç互換性Ĉ持ÕÑ
čŜįœġĐŜıĺŘsŋġŎsŔä開発á従事g
ÕÕ÷h上ċsʼnäċŒsʼn信号端子å設Çܺàºg
現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本
部半導体統括部ŋġŎsŔ開発部g
あとがき
ıŕŜĪěsı適用ä FS 型V ĠœsģIGBT ĪĬ
髙橋 秀明
ŀ}V-IGBT~Þ新制御 IC Ĉ新ĺĬĚsġá搭載ÍÕV
čŜįœġĐŜıĺŘsŋġŎsŔä構造開発j
Ġœsģ IPM
}V-IPM~Ĉ紹介ÍÕgÉä V-IPM å小
設計á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社
型化h高効率化Ĉ実現Íh市場ä期待á応¾ÿĂā製品á
半導体事業本部半導体統括部ĺĬĚsġj実装技
術部Īsʼnœsĩsg
àÙܺāg今後ø富士電機Ýåh市場要求Ĉ満足Ïā製
品開発á注力ÍܺÅ所存ݸāg
熊田 恵志郎
参考文献
ĺŘs半導体İĹčĢä開発j設計á従事g現在h
⑴ Onozawa, Y. et al. Development of the next generation
1,200 V
trench- gate
FS- IGBT
featuring lower EMI noise
and lower switching loss. Proc. of ISPSDz
07. p.13-16.
⑵ Onozawa, Y. et al. Development of the 1,200 V FZ-diode
388（ 32 ）
富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導
体統括部İĹčĢ技術部g
富士時報 Vol.82 No.6 2009
Superjunction MOSFET
特 集
:\WLYQ\UJ[PVU46:-,;
大西 泰彦@HZ\OPRV6VUPZOP
大井 明彦(RPOPRV6VP
島藤 貴行;HRH`\RP:OPTH[V\
不純物濃度制御á優ĂÕ多段đĽĨĖĠŌŔ技術Ĉ適用Íh定格 600 V/0.16 Ω}ĺĬĚsġkTO-220~ä Superjunction}SJ~MOSFET Ĉ 作 製 Í Õg 作 製 Í Õ SJ-MOSFET åhSJ 構 造 ä 不 純 物 濃 度 最 適 化 á þ Āh 従 来 MOSFET
SuperFAP-E3á対Í約 70 % ä RonjA 低減Ĉ達成ÍÕgÉĂå業界最高ŕłŔä RonjA ݸĀh従来 MOSFET ä理論
限界Ĉ超¾ā値ݸāgôÕhSJ 構造ä不純物濃度ŀŖľĊčŔhn 型ĹĬľĊ層ä最適化áþĀh定格電流以上ä L 負
荷ċĹŒŜĠĐ耐量Ĉ確保ÍÕg
600 V-class superjunction (SJ) MOSFETs (package: TO-220) with a maximum on-resistance of 0.16 Ω have been fabricated by using multiepitaxial growth technology which has an excellent capability for controlling the doping concentration. By optimizing the doping concentration
in the SJ structure, the fabricated SJ-MOSFET achieves an approximate 70 % reduction in specific on-resistance compared to that of a conventional MOSFET{SuperFAP-E3.|This is the industryz
s highest level of specific on-resistance, and its value exceeds the theoretical limit for
conventional MOSFETs. The avalanche withstand capability of the fabricated SJ-MOSFET has been also improved over the rated current by
optimizing the doping profile of the SJ structure in the depth direction and the thickness and resistivity of the n-buffer layer.
まえがき
パワー MOSFET の技術動向
近年h地球環境保護îä関心Â高ôā中hIT 分野Ý
図
á 600 V ĘŒĢäĺŘs MOSFET ä RonjA Þ Ronj
å省電力化ÞÍÜhęœsŜ IT îä注目Â高ôÙܺ
QGD äıŕŜIJĈ示Ïg前述ÍÕþ¼áĺŘs MOSFET
āgIT 機器ä電力損失Ĉ低減ÏāÕ÷áåhIT 機器Ý使
ä RonjA áå理論限界Â存在Ïā Õ÷áhÉĂôÝä開
⑴v⑸
用Ïā電力変換機器ä効率Ĉ上Èā必要¸Āh低損失
発åºÁá RonjA ĈĠœĜŜœňĬıá近ÛÇāÁÂ焦
àĺŘs MOSFET}Metal-Oxide-Semiconductor Field-
点ÞàÙܺÕgRonjA Ĉ低減ÏāÕ÷áhĠœĜŜœ
Effect Transistor~Â強Å求÷ÿĂܺāg電力変換機器
ňĬıÞàāIJœľı抵抗ä低減ÞIJœľı抵抗以外ä抵
Ý使用ÏāĺŘs MOSFET åhĢčĬĪŜęİĹčĢÞ
抗成分ä低減ÞĈ行ÙÜÃÕg後者å表面 MOSFET 部ä
ÍÜ動作ÍܺāÕ÷hÓä発生損失åĺŘs MOSFET
ĤŔ密度向上hĤŔ構造ä最適化áþāĪŌĶŔ抵抗ú
ÂēŜÍܺāÞÃä導通損失ÞēŜÁÿēľ状態hēľ
JFET}Junction Field-Effect Transistor~ 抵 抗 ä 低 減 Ý
ÁÿēŜ状態á変化ÏāÞÃäĢčĬĪŜę損失Áÿàāg
¸Āh前者å L 負荷ċĹŒŜĠĐ耐量Þ耐圧Ĉ確保Ïā
一般áhĢčĬĪŜę周波数Â低º用途Ýå導通損失Â支
IJœľı層ä抵抗率Þ厚Ëä最適化áþāIJœľı抵抗ä
配的ÝhĢčĬĪŜę周波数Â高º用途ÝåĢčĬĪŜę
低減ݸÙÕgL 負荷ċĹŒŜĠĐ耐量Ĉ確保ÏāÕ÷á
損失Â支配的áàāg導通損失ä性能指数ÞÍÜå単位面
p ďĐŔ構造Ĉ用ºÕ構造ÝåhIJœľı抵抗ä低減á限
積Ý規格化ÍÕēŜ抵抗 RonjA Ĉ用ºhĢčĬĪŜę損
界¸ÙÕÂh擬平面接合技術áþĀÉĂĈ低減ÏāÉ
失Ĉ示Ï性能指数ÞÍÜåhēŜ抵抗Ý規格化ÍÕěsı
ÞÂ可能ÞàÙÕg擬平面接合技術åhp ďĐŔŕĢ構造
⑶
−IJŕčŜ間電荷量 RonjQGD Ĉ用ºāgÓĂ故hĺŘs
MOSFET ä発生損失Ĉ低減ÏāÕ÷áåhÉĂÿ性能指
図
パワー MOSFET の R on・A と R on・Q GD のトレンド
数Ĉ小ËÅÏāÉÞÂ強Å求÷ÿĂāg
ÞåÝÃàºÞ考¾ÿĂܺÕgÉä問題ĈĿŕčĘĢ
Ŕ s Í Õ ä Â Superjunction}SJ~ 構 造 Ý ¸ Āh 劇 的 à
⑴h⑵
RonjA ä低減Â可能ÞàāÉÞÁÿh注目Ĉ浴éܺāg
本稿Ýåh業界最高水準ä低ēŜ抵抗hL 負荷ċĹŒŜ
ĠĐ耐量Ĉ達成ÍÕ 600 V ĘŒĢä SJ-MOSFET Ĉ開発
ÍÕäÝhÓä製造方法Àþé特性Ĉ紹介Ïāg
1.0
擬平面接合技術
1.0
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
規格化した R on・Q
GD（a.u.）
Â存在ÍÜÀĀhÉä理論限界Ĉ超¾ā RonjA Ĉ得āÉ
従来 MOSFET
規格化した （a.u.）
R on・A
論限界}ĠœĜŜä場合åĠœĜŜœňĬıÞ呼æĂā~
1.2
1.2
一方h耐圧Þ RonjA Þä間áå材料áþÙÜ決ôā理
SJ-MOSFET
0.0
1985
1990
1995
2000
2005
0.0
2010
（年）
389（ 33 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
Superjunction MOSFET
ݸĀhJFET 抵抗Ĉ上昇ËÑÐá p łsĢ間距離Ĉ狭Å
型ĹĬľĊ層ä厚Ëø加味Í n 型基板ä上áđĽĨĖĠŌ
特 集
ÏāÉÞáþĀIJœľı抵抗Ĉ低減Íhp łsĢ形状ä最
Ŕ成長ËÑā}ĢįĬŀ 1~
g次áh出来上ÂĀÝ n 型領域h
適化áþĀ p ďĐŔ構造Þ同等ä L 負荷ċĹŒŜĠĐ耐
p 型領域Þàā領域îĀĉ}P~ÞŅŖŜ}B~ĈčēŜ
量Ĉ確保Íܺāg擬平面接合技術áþĀ従来 MOSFET
注入Í}ĢįĬŀ 2~
h続ºÜ不純物濃度ä低º n 型層Ĉ
ä RonjA åĠœĜŜœňĬıä 110 % áôÝ改善ÍhRonj
đĽĨĖĠŌŔ成長ËÑā}ĢįĬŀ 3~
g出来上ÂĀä
QGD ø RonjA ä低減Àþé狭º p łsĢ間隔áþĀ大Ã
n 型領域hp 型領域ä不純物濃度åhčēŜ注入用äŕġ
Å改善ÝÃÕg富士電機ÝåÉä擬平面接合技術Ĉ適用Íh
Ģı寸法ÞčēŜ注入ä精度áþÙÜ決定ËĂāäÝh不
SuperFAP-G ĠœsģĈ製品化Íh後継ÞÍÜ使ºú
ÏËĈ追求ÍÕSuperFAP-E3
ĠœsģĈ製品化ÍÜ
純物濃度ä制御Â容易Þàāg所定äIJœľı層厚áàā
ôÝĢįĬŀ 2 ÞĢįĬŀ 3 Ĉ繰Ā返Íh最後á熱拡散á
⑷
þÙÜ連続ÍÕ n 型領域hp 型領域Ĉ形成ÏāgÉä後å
ÃÕg
近 年h Ġ œ Ĝ Ŝ œ ň Ĭ ı Ĉ Ŀ ŕ č Ę Ģ Ŕ s Ï ā
MOSFET Â注目ËĂܺāgSJ-MOSFET å図
SJ-
á示Ï
図
多段エピタキシャル成長方式の SJ 構造形成プロセスフ
ロー
þ¼á従来 MOSFET äIJœľı層Ĉ p 型領域Þ n 型領
域ÞÂ交互á並ĉÖ構造á置Ã換¾ÕøäݸĀhn 型領
域ä不純物濃度Ĉ高ÅÏāÉÞÂÝÃāÉÞÁÿhRonjA
n 型エピタキシャル層
ステップ 1
Ĉ劇的á低減ÝÃāgôÕhRonjA Â低減ÝÃāÞ同Îē
n 型基板
Ŝ抵抗Ýø活性面積Ĉ小ËÅÝÃāäÝhRonjQGD ø低減
P+
ÝÃāÉÞáàāg
SJ-MOSFET の開発
B+
P+
B+
P+
n 型エピタキシャル層
ステップ 2
n 型基板
.
多段エピタキシャル成長技術
SJ 構造åh劇的à低 RonjA Â可能Þàā一方ÝhĪŌs
n 型エピタキシャル層
ġ補償型構造äÕ÷ n 型領域Þ p 型領域ÞäĪŌsġĹ
ステップ 3
ŒŜĢĈ確保ÝÃàÇĂæ耐圧Â保持ÝÃàÅàā欠点
n 型エピタキシャル層
¸āgĪŌsġĹŒŜĢÂ崩ĂāÞ耐圧Â極端á低下
n 型基板
ÍÜÍôºh定格電圧Â確保ÝÃàÅàÙÜÍô¼gSJMOSFET Ĉ製造Ïā上Ýhn 型領域Àþé p 型領域ä不
純物濃度Ĉ精度良Å制御ÏāÉÞÂ重要Þàāg耐圧æÿ
ÚÃĈ改善ÏāÕ÷áåhp 型領域ä深Ë方向ä不純物濃
n
度á分布Ĉ持ÕÑāÉÞø必要ÞàāgÓÉÝhSJ 構造
p
n
p
n
ステップ 4
ä作製方法ÞÍÜh不純物濃度制御á優ĂÕčēŜ注入á
þā所定領域îä不純物導入ÞđĽĨĖĠŌŔ成長Þä繰
⑸
n
Ā返Íáþā多段đĽĨĖĠŌŔ成長方式Ĉ採用ÍÕg図
n 型基板
á多段đĽĨĖĠŌŔ成長方式áþā SJ 構造形成äŀ
ŖĤĢľŖsĈ示ÏgôÐh不純物濃度ä低º n 型層Ĉ n
図
従来 MOSFET と SJ-MOSFET の構造
ゲート
n+
p+
ソース
p
ゲート
n+
n
n+
図
p+
n
p
ソース
SiO2
p+
p
n
p
n
p
n
p
n+
ドレイン
ドレイン
（a）従来 MOSFET
（b）SJ-MOSFET
390（ 34 ）
SJ-MOSFET の断面 SCM 像
n 型バッファ層
n
富士時報 Vol.82 No.6 2009
Superjunction MOSFET
通常ä DMOSFET}Double Diffused MOSFET~ŀŖĤ
ĢĈ使用ÍhDMOSFET Ĉ SJ
á多段đĽĨĖĠŌŔ成長方式Ý
高ŕłŔä RonjA Ýø¸āgRonjQGD ä比較Ĉ 図
示
ÏgSJ-MOSFET
ä RonjQGD ø
SuperFAP-E3
⒝á
á比ï
約 69% ä低減ÞàÙܺāgôÕhSJ-MOSFET ä表面
作製ÍÕ SJ-MOSFET ä断面構造Ĉ SCM}Scannig Ca-
MOSFET 構造å SuperFAP-E3 Þ同ÎĜŜĤŀıݸĀh
pacitance Microscopy~像Ý示Ïgp 型hn 型領域Þø深
使ºúÏËø踏襲Íܺāg 図
Ë方向á接続ÍhSJ 構造Â形成ËĂܺāÉÞÂ確認Ý
MOSFET ä出力特性Ĉ示Ïg
á VGS}th~＝3.0 V ä SJ-
Ãāg
.
R on・A の改善
.
L 負荷アバランシェ耐量の改善
SJ-MOSFET ä L 負 荷 ċ Ĺ Œ Ŝ Ġ Đ 破 壊 電 流 å 従 来
多段đĽĨĖĠŌŔ成長方式Ĉ用ºÜ定格 600 V/0.16 Ω
MOSFET Þ比較ÏāÞ低ºÉÞÂ指摘ËĂܺāg今回
⒜ á 示 Ï þ ¼ áh 開
開発ÍÕ SJ-MOSFET å SJ 構造ä深Ë方向áÀÇā不純
発 Í Õ SJ-MOSFET ä RonjA å 従 来 MOSFET Ý ¸ ā
物濃度ŀŖľĊčŔÀþé n 型ĹĬľĊ層ä最適化áþ
SuperFAP-E3
ĀhĪŌsġĹŒŜĢ条件Ýø 150 A/cm2 ä L 負荷ċĹ
ä
SJ-MOSFET
Ĉ 開 発 Í Õg 図
á対Íh約 73 % 低減ÍÕgÉĂå業界最
ŒŜĠĐ耐量Ĉ確保ÍÕg 図
従来 MOSFET と SJ-MOSFET の性能指数比較
R on・A
規格化した （a.u.）
図
á SJ-MOSFET ä代表的
à L 負荷ċĹŒŜĠĐ波形Ĉ示Ïg
1.2
実機評価
1.0
0.8
TO-220 ĺĬĚsġÝ組õ立ÜÕ多段đĽĨĖĠŌŔ成
73% 低減
0.6
長方式ä SJ-MOSFET}定格 600 V/0.16 Ω~Ĉ 400 W Ę
0.4
ŒĢ ATX 電源}ATX 規格á準拠ÍÕĞsĹ用電源~ä
0.2
力率改善回路} 図
0.0
評価Ĉ行ÙÕgĺŘs MOSFET 部ä損失比較Ĉ図
SuperFAP-E3
（従来 MOSFET）
SJ-MOSFET
~á搭載Íh損失Àþé温度上昇ä
Ïg比較対象åhTO-3P
á示
ĺĬĚsġÝ最øēŜ抵抗ä小
R on・Q
規格化した GD （a.u.）
（a）R on・A
SJ-MOSFET の L 負荷アバランシェ波形
図
1.2
1.0
0.8
定格 600 V/0.16Ω
室温
69％低減
0.6
時間：5 s /div
0.4
V DS
0.2
0.0
SuperFAP-E3
（従来 MOSFET）
SJ-MOSFET
（b）R on・Q GD
ID
SJ-MOSFET の出力特性
0
60
定格 600 V/0.16Ω
室温
V GS =10.0 V
8.0 V
50
7.0 V
図
40
I D（A）
図
I D：10 A/div
V DS ：200 V/div
実機評価電源回路
力率改善回路
30
6.0 V
20
10
5.0 V
0
0
5
10
15
20
V DS（V）
391（ 35 ）
特 集
MOSFET ÞÏāg図
構造ä表面á形成ÍhSJ-
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
Superjunction MOSFET
パワー MOSFET の発生損失比較（入力 AC100 V/ 出力
400 W）
参考文献
特 集
⑴ Fujihira, T. Theory of Semiconductor Superjunction
1.2
Devices. Jpn. J. Appl. Phys. Oct. 1997, vol.36, p.6254-6262.
⑵ Deboy, G. et al. A new generation of high voltage
発生損失（a.u.）
1.0
14％低減
ターンオフ
損失
0.8
MOSFETs breaks the limit line of silicon. Proc. IEDM. 1998,
p.683-685.
⑶ Kobayashi, T. et al. High-Voltage Power MOSFETs
0.6
ターンオン
損失
0.4
0.2
Reached Almost to the Si limit. Proc. ISPSD. 2001, p.99102.
⑷ Niimura, Y. et al. A Low Loss, Low Noise and Robust
導通損失
500 to 900V Class Power MOSFET with Multiple RESURF
0.0
「FMH23N60ES」
SJ-MOSFET
Guardring Edge Structure. Proc. PCIM. China, June 2009,
p.150-155.
⑸ Onishi, Y. et al. 24mΩjcm2 680 V Silicon Superjunction
3
˺ SuperFAP-E Ġœsģä製品FMH23N60ES
}定
MOSFET. Proc. ISPSD. June 2002, p.241-244.
格 600 V/0.28 Ω~ÞÍÕg損失åh従来製品äFMH23N
60ESá対Íh導通損失Ý 16 % 低減ÍÜÀĀhısĨŔ
損失Ý約 14 % 低減ÍܺāgôÕh温度上昇å約 5 ℃ä
大西 泰彦
低減Ĉ確認ÍÜÀĀhısĨŔä電力変換効率Ýå約 0.5 %
ĺŘs MOSFEThIGBT ä研究j開発á従事g現
ä改善Ĉ確認ÍÕgTO-220 Þ TO-3P Þä違ºå¸āÂh
在h富士電機ńsŔİČŜęĢ株式会社技術開発
SJ-MOSFET îä置換¾ÖÇÝh発生損失低減j効率ä
本部先端技術研究所İĹčĢ技術研究ĤŜĨsİ
ĹčĢ開発部g
改善Â十分á期待ÝÃāg
あとがき
大井 明彦
多段đĽĨĖĠŌŔ成長技術Ĉ適用ÍÕ定格 600 V/0.16
現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本
ĺŘsİĹčĢjIC äŀŖĤĢ研究j開発á従事g
Ω}ĺĬĚsġkTO-220~ä SJ-MOSFET Ĉ開発ÍÕg
部半導体統括部ŀŖĤĢ開発部g工学博士g
SJ-MOSFET å SJ 構造ä不純物濃度ä最適化hn 型ĹĬ
ľĊ層ä最適化áþĀh業界最高ŕłŔä低 RonjAh高 L
負荷ċĹŒŜĠĐ耐量Ĉ達成ÍÕg今後h本稿Ý紹介ÍÕ
島藤 貴行
低損失à SJ-MOSFET Ĉ製品化Íh地球環境保護á貢献
ĺŘs MOSFEThŇŔĪĪĬŀİĹčĢä開発j
ÍܺÅ所存ݸāg
設計á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社
392（ 36 ）
半導体事業本部半導体統括部İĹčĢ技術部g
富士時報 Vol.82 No.6 2009
第 2 世代宇宙用高信頼性パワー MOSFET
特 集
/PNO9LSPHIPSP[`7V^LY46:-,;ZMVY:WHJL(WWSPJH[PVUZ
井上 正範4HZHUVYP0UV\L
小林 孝;HRHZOP2VIH`HZOP
丸山 篤([Z\ZOP4HY\`HTH
人工衛星àßä宇宙機Ýä使用Ĉ可能ÞÍÕ第 2 世代宇宙用高信頼性ĺŘs MOSFET Ĉ開発ÍÕg一般用途ä MOSFET
Þä大Ãà違ºåh高đĶŔės荷電粒子Þ電離放射線á対Ïā耐性Ĉ持ÕÑÕ点ݸāg耐量Ĉ持ÕÑāÕ÷á電気特性
Ĉ犠牲áÍÜÃÕg第 2 世代Ýåh高đĶŔės荷電粒子á対Ïā耐量Ĉ持ÕÑāÕ÷áhIJœľı拡散ŋİŔá修正Ĉ行
ºŊĔĴģʼnäĠňŎŕsĠŐŜÂÝÃāþ¼áÍÕgÓä結果h対策ÞÍÜh低比抵抗äđĽĨĖĠŌŔ層Ĉ厚Å設Çā
ÉÞÝ SEB}Single Event Burnout~耐量Ĉ確保Íh世界ıĬŀŕłŔä宇宙用ĺŘs MOSFET Ĉ製品化ÍÕg
We have developed highly reliable and radiation-hardened power MOSFETs for use in outer space applications in satellites and space
stations. The largest difference between these newly developed Rad-Hard Power MOSFETs and general-use MOSFETs is that they have excellent durability against high energy charged particles and ionizing radiation. To provide increased durability, electrical characteristics had
been sacrificed in the past. With this device, however, to provide durability against high energy charged particles, a drift diffusion model was
modified so as to enable simulation of the mechanism. A power MOSFET designed for use in outer space applications and having the worldz
s
top level performance is realized by providing a thick epitaxial layer with low specific resistance as a countermeasure to ensure durability
against SEB (single event burn-out).
まえがき
宙 開 発 事 業 団}NASDAkNAtional Space Development
通 信 衛 星h 気 象 衛 星hGPS}Global Positioning Sys-
集Í純国産ŖĚĬı{H-Ⅱ|ä開発á取Ā組ĉÖÞÉă
tem~
h地球観測àß宇宙利用ä恩恵Â私Õ×ä生活ä中á
Áÿ始ôÙܺāg富士電機å高信頼性ä BJT}Bipolar
浸透ÍܺāÉÞå周知äÉÞݸāg
Junction Transistor~ Ĉ 開 発h 供 給 Íh1994 年 ä 1 号 機
Agency of Japan~ä主導Ý日本ŊsĔsä技術力Ĉ結
人工衛星á搭載ËĂܺā電子機器úĢčĬĪŜę電
ä打×上È成功á貢献ÍÕg
源áåh宇宙空間Ýä限ÿĂÕ電力Ĉ有効á利用ÏāÕ
一方hċŊœĔhŖĠċh日本hĔijĩh欧州Â協力Í
÷ä高効率化úĠĢįʼnÞÍÜä信頼性Ĉ確保ÏāÕ÷
Ü軌道上á建設Ĉ進÷ܺā国際宇宙ĢįsĠŐŜáø富
ä部品点数削減Â求÷ÿĂܺāgÉĂĈ受ÇhĺŘs
士電機製ä第 1 世代宇宙用ĺŘs MOSFET Â搭載ËĂÜ
MOSFET}Metal - Oxide - Semiconductor Field - Effect
ºāg日本ä実験ŋġŎsŔ{Ãò¼|á約 3,000 個Â搭
⑴
Transistor~áå低損失Àþé宇宙環境Ýå電離放射線ú
載ËĂh2008 年 3 月ä軌道投入Áÿ現在ôÝ正常à動作
⑵
高đĶŔės荷電粒子á対Ïā耐性àßä高信頼性Â必須
Ĉ続Çܺāg
要求ݸāg特á半導体部品ä多Åå宇宙空間Ýå電気特
性ä劣化Â著ÍÅh地上Ý一般的á使ąĂܺā製品Ýå
第 2 世代宇宙用パワー MOSFET の開発
信頼性Â確保ÝÃàºg
富士電機Â宇宙用ĺŘs MOSFET ä開発á着手ÍÕ当
前述ä第 1 世代宇宙用ĺŘs MOSFET åh電離放射線
時hĺŘs MOSFET ä電離放射線áþā特性劣化ú対策
á対ÍÜå十分à耐量Ĉ持ÙܺÕgÍÁÍhSEB 耐量
⑴h
⑵
áÚºÜ多Åä研究ÂàËĂܺÕgÍÁÍh高đĶŔ
Ĉ確保ÏāÕ÷á素子耐圧Ĉ上ÈÜ対応ÍܺÕg素子耐
ės荷電粒子ä影響Ý瞬時á焼損ÍÜÍô¼現象}SEBk
Single Event Burnout~áÚºÜåŊĔĴģʼnÂ明ÿÁ
図
製品の外観
á à Ù Ü º à Á Ù Õg É ä Õ ÷ 第 1 世 代 宇 宙 用 ĺ Ř s
MOSFET Ýå SEB 耐性Ĉ持ÕÑāÕ÷á電気特性Ĉ犠
牲áÍܺÕÂh後述Ïāþ¼á SEB ŊĔĴģʼnĈ推定
Íh一般用ĺŘs MOSFET Þ同等ä電気特性Ĉ持Ú第 2
世代宇宙用高信頼性ĺŘs MOSFET Ĉ開発ÍÕg図
製品ä外観h表
á
á主要特性Ĉ示Ïg
本稿ÝåÓä成果áÚºÜ述ïāg
富士電機の宇宙開発への貢献
富士電機ä宇宙開発îä貢献å 1980 年代h当時ä宇
393（ 37 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
表
製品一覧
特 集
＊1
第 2 世代宇宙用高信頼性パワー MOSFET
型 式
V DSS
（V）
ID
（A）
R DS（on）＊1
max.
（Ω）
P D＊2
（W）
V GS
（V）
V GS（th）
（V）
Qg
max.
（nC）
放射レベル
（krad）
パッケージ
タイプ
JAXA R 2SK4217
100
42
0.013
250
±20
2.5 ∼ 4.5
220
100
SMD-2
JAXA R 2SK4218
100
42
0.028
150
±20
2.5 ∼ 4.5
100
100
SMD-1
JAXA R 2SK4219
100
15
0.064
70
±20
2.5 ∼ 4.5
50
100
SMD-0.5
JAXA R 2SK4152
130
42
0.017
250
±20
2.5 ∼ 4.5
220
100
SMD-2
JAXA R 2SK4153
130
39
0.039
150
±20
2.5 ∼ 4.5
100
100
SMD-1
JAXA R 2SK4154
130
15
0.089
70
±20
2.5 ∼ 4.5
50
100
SMD-0.5
JAXA R 2SK4155
200
42
0.026
250
±20
2.5 ∼ 4.5
220
100
SMD-2
JAXA R 2SK4156
200
32
0.062
150
±20
2.5 ∼ 4.5
100
100
SMD-1
JAXA R 2SK4157
200
14
0.148
70
±20
2.5 ∼ 4.5
50
100
SMD-0.5
JAXA R 2SK4158
250
42
0.038
250
±20
2.5 ∼ 4.5
220
100
SMD-2
JAXA R 2SK4159
250
26
0.091
150
±20
2.5 ∼ 4.5
100
100
SMD-1
JAXA R 2SK4160
250
12
0.223
70
±20
2.5 ∼ 4.5
50
100
SMD-0.5
JAXA R 2SK4188
500
23
0.18
250
±20
2.5 ∼ 4.5
300
100
SMD-2
JAXA R 2SK4189
500
10
0.48
150
±20
2.5 ∼ 4.5
120
100
SMD-1
JAXA R 2SK4190
500
4.5
1.15
70
±20
2.5 ∼ 4.5
48
100
SMD-0.5
R DS（on）：V GS ＝ 12 V，＊2 P D：T C ＝ 25 ℃
表
宇宙用途のパワー MOSFET への要求
図
宇宙用パワー MOSFET の内部構造
実力・目標
第 1 世代
の実力
第 2 世代
の目標
250 V
500 V
250 V
○
△
○
長期信頼性
△
○
○
電離放射線耐性（TID）
×
○
○
高エネルギー荷電粒子耐性（SEB）
×
○
○
耐圧（V）
TO-254
宇宙用 MOSFET
一般の
MOSFET
の実力
要求項目
SMD-2
SMD-1
電気特性
オン抵抗
SMD-0.5
○：要求を満たす △：要求にやや未達 ×：要求に未達
圧Ĉ上ÈāÉÞåēŜ抵抗ä増加áÚàÂĀh損失ä増加
対策Â第 2 世代宇宙用ĺŘs MOSFET ä特徴ݸāg
Þàāg
第 2 世代宇宙用ĺŘs MOSFET ÝåhSEB 耐量Ĉ向
⑴ ĸsŊĪĬĘĠsŔĺĬĚsġä適用áþā長期信頼
上ËÑÜ一般用ĺŘs MOSFET Þ同等ä電気的特性Ĉ
性対策
実現ËÑāÉÞĈ目標ÞÍÕg 表
金属äĸsŊĪĬĘĠsŔĺĬĚsġ}気密性ĺĬĚs
á宇宙用途äĺŘs
MOSFET îä要求Ĉ示Ïg
ġ~Ĉ使用ÍÜ信頼性ä向上Ĉ図ÙܺāgĺĬĚsġä
ľŕsʼn}MOSFET ĪĬŀĈ搭載Ïā部分~áåhĠœ
.
宇宙用途のパワー MOSFET の技術課題
ĜŜ}MOSFET ĪĬŀä素材~Þ熱膨張率Â非常á近º
一般用ĺŘs MOSFET åh電気特性áå優ĂܺāÂ
銅ĨŜęĢįŜ}Cu-W~焼結体Ĉ採用ÍÜ温度ĞčĘŔ
電離放射線ú高đĶŔės荷電粒子îå対応ÝÃàºg第
耐性Ĉ向上ËÑܺāgôÕĸsŊĪĬĘĠsŔĺĬĚs
1 世代宇宙用ĺŘs MOSFET å SEB 耐量Â不十分ݸ
ġ内å図
āÕ÷á耐圧Ĉ 500 V ôÝ上ÈÌāĈ得ÐhēŜ抵抗Ĉ犠
Ý封入ÍÜ外因的à劣化ŋsIJÁÿĺŘs MOSFET ĪĬ
牲áÍܺāg
ŀĈ保護Íܺāg
第 2 世代宇宙用ĺŘs MOSFET áÀºÜåēŜ抵抗Ĉ
低減ËÑÚÚ SEB 耐量Þ TID}Total Ionizing Dose~耐
量ä確保Àþé長期信頼性ä確保Â課題ݸāg
á示Ïþ¼á中空áàÙÜÀĀh乾燥窒素ĕĢ
⑵ 低温ŀŖĤĢä適用áþā TID 対策
一般的á地上Ý使ąĂܺāĺŘs MOSFET Ĉ電離放
射線ä環境下Ý使用ÏāÞh耐圧低下úĺŘs MOSFET
後 述 Ï ā ⑴h ⑵ á Ú º Ü åh 第 1 世 代 宇 宙 用 ĺ Ř s
äēŜ−ēľ制御Ĉ行¼ěsıäÍú値電圧 Vth Ġľı
MOSFET Ý要求Ĉ満ÕÏÉÞÂÝÃܺāg⑶ä SEB
Â発生ÏāgTID áþā特性劣化å酸化膜á電荷ÂıŒĬ
394（ 38 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
第 2 世代宇宙用高信頼性パワー MOSFET
⑶
服ÍÕgĠňŎŕsĠŐŜä解析Áÿ次äÉÞÂ分Áāg
ŀËĂāÕ÷á起Éā現象ݸāg
宇宙用ĺŘs MOSFET å酸化膜形成後ä熱処理Ĉ低温
図
åh電界強度分布Þ電子正孔対発生ä分布ݸāg
高đĶŔės荷電粒子ä軌跡á沿ÙÜ電子正孔対Â生成Ë
道上Ý 10 年分ä電離放射線ä被æÅ量á相当Ïā 1,000 Gy
ĂāgÓĂÂ n＋型基板Þ衝突Ïā付近á高電界領域Â形
ä TID 耐性Ĉ持ÕÑÕg
成ËĂh大量ä電子正孔対Â発生ÍܺāgđĽĨĖĠŌ
⑶ 2 段đĽĨĖĠŌŔ層構造ä適用áþā SEB 対策
Ŕ層Þ基板ä境界ôÝ過剰正孔Â増加ÍhÓä先端Ý電界
⑷
1986 年ÊăÁÿ高đĶŔės荷電粒子例¾æĴĬĚ
Â強Å電子正孔対生成ø活発áàÙܺāg
Ŕ}Ni~čēŜàßáþā半導体İĹčĢä誤動作ú
Éä結果ÁÿhSEB äŊĔĴģʼnå以下äþ¼á推定
突然破壊á至ā現象Â報告ËĂÖÍÕgÕÙÕ 1 個ä高đ
ÝÃāg
ĶŔės荷電粒子áþÙÜ起Éā現象ݸāÕ÷総ÎÜ
⑴ 入射ÍÕ高đĶŔės荷電粒子áþÙÜh生成ÍÕ電
SEE}Single Event Effect~Þ呼æĂܺāgSEE ä¼×h
子正孔対ä¼×正孔ÂłsĢ電流ÞÍÜ供給ËĂh寄生
ĺŘs MOSFET áÀºÜåİĹčĢÂ瞬時á焼損Ïā
npn ıŒŜġĢĨÂ動作Ïāg
SEB Â報告ËĂܺāg
⑵ 入射ÍÕ高đĶŔės荷電粒子ä軌跡á沿ÙÜ過剰正
第 2 世代宇宙用ĺŘs MOSFET ä開発á着手ÍÕ当時
孔Â増加Í}図
~
h寄生 npn ıŒŜġĢĨäłsĢÂ
}1992 年~
hSEB 現象Ĉ説明ͼāŊĔĴģʼnå明ÿÁá
押Í出ËĂÕ形áàāg実効的łsĢ端å n＋型基板Ý
ËĂܺàÁÙÕÕ÷hĠňŎŕsĠŐŜĈ用ºÜŊĔĴ
行Å手Ĉ阻ôĂāÕ÷á高電界領域Â形成ËĂāgÉä
ģʼnä解析á着手ÍÕg
領域áå極÷Ü高密度ä電流Â流ĂāäÝh耐圧以下ä
電圧Ýø容易áĩčijňĬĘċĹŒŜĠĐÂ起ÉĀ電子
.
SEB 推定メカニズム
正孔対Â生成Ïāg
SEB 現象ĈĠňŎŕsĠŐŜÝ取Ā扱¼際áh従来ä
⑶ 発生ÍÕ正孔å再éłsĢ電流ÞÍÜ供給ËĂh寄生
npn ıŒŜġĢĨä動作Ĉ促進Ïāg
ĠňŎŕsĠŐŜŋİŔÝå SEB 現象Â再現ÝÃàÁÙ
ÕÂhIJœľı拡散ŋİŔá修正Ĉ加¾āÉÞÝÉĂĈ克
⑷ ɼÍÜh基板ÞđĽĨĖĠŌŔ層Þä境界付近ä高
電界領域áÀÇāĩčijňĬĘċĹŒŜĠĐáþā正孔
ä生成åhĞčœĢĨÞ類似ä正帰還動作Ĉ引Ã起ÉÍ
電界強度分布と電子正孔対発生の分布
破壊á至āg
Ni+
2
2.4
2.8
3.2
高エネルギー荷電粒子
3.6
4
4.4
4.8
5.2
5.6
電界（V/cm）
SEB 対策構造の提案
前述äŊĔĴģʼnĈ考慮ÍÜ次ä SEB 対策構造Ĉ提案h
n−型エピタキシャル層
実施ÍÕg
łsĢÂ押Í出ËĂÜø n＋型基板ôÝá十分à距離Ĉ確
図
高エネルギー荷電粒子入射時の電位分布
n+ 基板
46.49
100
200
264.2
ソース
（ m）
ゲート
（GND）
（a）電界強度分布
アルミニウム電極
21.2
21.6
22
22.4
22.8
23.2
23.6
24
24.4
24.8
電子正孔の発生（/cm3s）
相間絶縁膜
ポリシリコン
n+
n−型エピタキシャル層
p−
R ch
R j fet
R epi
n−型エピタキシャル層
39.96
100
200
n+ 基板
262.6
図
R sub
n+ 型基板
（ m）
（b）電子正孔対発生の分布
ドレイン（＋）
395（ 39 ）
特 集
化ÏāÉÞÝ酸化膜ä電荷ıŒĬŀĈ低減ËÑÜh静止軌
富士時報 Vol.82 No.6 2009
第 2 世代宇宙用高信頼性パワー MOSFET
保ÏĂæĩčijňĬĘċĹŒŜĠĐĈ起ÉÏñßä高電界
一方ÝhÉä対策åĺŘs MOSFET ä重要特性ݸā
ēŜ抵抗特性Ĉ犠牲á}増加Ïā~ÍÜÍô¼g図
ĺŘs MOSFET äēŜ抵抗構成ø示Íܺāgn− 型đ
Ĉ試作ÍÜ実験Ĉ行ÙÕgÓä結果ÞÍÜh図
ĽĨĖĠŌŔ層åĺŘs MOSFET ĈēŜ動作ËÑÕÞÃ
á SEB 発
áå
ä電流経路á¸ÕĀhēŜ抵抗ä増加á直結Ïāgn− 型
生電圧äđĽĨĖĠŌŔ層ä厚Ë依存性Ĉ示Ïg
本構造Ýå 250 V ä耐圧Ĉ得āÕ÷á必要àđĽĨĖ
ĠŌŔ層ä厚Ëå約 29 μm ݸāÂhÉä設計Ýå耐圧
đĽĨĖĠŌŔ層äēŜ抵抗 Repi å大Ãà割合Ĉ占÷ÜÀ
Āh例¾æ 250 V 定格品Ý約 80 % Ĉ占÷ܺāg
ä 60 % 程度ä電圧}約 200 V~Ý SEB Â発生ÍÕgÓĂ
ÉĂĈ回避ÏāÕ÷ä方法ÞÍÜ単áđĽĨĖĠŌŔ層
á対ÍÜđĽĨĖĠŌŔ層Ĉ厚ÅÍÕİĹčĢÝå SEB
ä厚ËĈ厚ÅÏāäÝåàÅh低比抵抗ä n−型đĽĨĖ
発生電圧Â上ÂÙÜÀĀh狙ÙÕ効果Â得ÿĂÕÉÞÂ分
ĠŌŔ層 Repi2 Ĉ設ÇÕ 2 段đĽĨĖĠŌŔ層構造}図
~
⑷
ÁāgÉä実験結果ÁÿđĽĨĖĠŌŔ層ä厚ËĈ 32 μm
Ĉ考案ÍÕ g
Éä構造áþĀh低比抵抗äđĽĨĖĠŌŔ層ݸÙÜ
áÏāÉÞÝ目標ä SEB 発生電圧Â得ÿĂܺāg
ø n＋型基板þĀ高º比抵抗áÏāÉÞÝđĽĨĖĠŌŔ
図
SEB 耐量の n−型エピタキシャル層の厚さ依存性
層Ĉ厚ÅÍÕ場合Þ同様ä効果Â得ÿĂāÞ考¾ÿĂāg
ôÕh寄生 npn ıŒŜġĢĨÁÿ注入ËĂā大量ä電子
400
ÞđĽĨĖĠŌŔ層ä不純物濃度}＝比抵抗~ä相対的à
300
đĽĨĖĠŌŔ層ä不純物濃度Ĉ高Å}比抵抗Ĉ低Å~Ï
濃度差áþÙÜłsĢÂ押Í出ËĂ高電界Ĉ形成ÏāÕ÷h
SEB 発生電圧（V）
目標：250 V 以上
āÉÞÝ高電界ä発生Ĉ抑制Ïā効果ø期待ÝÃāg
図
200
áđĽĨĖĠŌŔ層ä電気抵抗Þ SEB 発生電圧ä
関係Ĉ示Ïg考案ÍÕ 2 段đĽĨĖĠŌŔ層構造Ýåhđ
一般用 MOSFET のエピタキシャル層厚さ
100
図
SEB 耐量のエピタキシャル層の電気抵抗依存性
400
0
10
20
30
40
50
シングルエピタキシャル層
の構造
60
図
SEB 発生電圧（V）
エピタキシャル層厚さ（ m ）
2 段エピタキシャル層構造を適用した第 2 世代宇宙用
パワー MOSFET の活性部断面
ソース
2 段エピタキシャル層
の構造
300
目標 250 V
200
一般の MOSFET の設計
100
ゲート
（GND）
0
0
10
20
30
40
エピタキシャル層の電気抵抗（mΩcm2）
アルミニウム電極
（エピタキシャル層の比抵抗 ×エピタキシャル層の厚さ）
相間絶縁膜
ポリシリコン
図
p−
R ch
R j fet
R epi1
n−型エピタキシャル層
R epi2
低比抵抗 n−型エピタキシャル層
R sub
n+ 型基板
オン抵抗の耐圧依存性
10
R on
指標化した （一般 MOSFET を 1 とした場合）
特 集
áåàÿÐhSEB ä発生Ĉ抑制ÝÃāÞ考¾ÿĂāgÉä
検証áå実際áđĽĨĖĠŌŔ層ä厚ËĈ変¾Õ MOSFET
396（ 40 ）
㻃
8
7
6
5
4
一般の MOSFET および
第 2 世代宇宙用
パワー MOSFET
3
㻃
2
SEB を確保するために
取っていたマージン
1
0
100
ドレイン（＋）
第 1 世代宇宙用パワー MOSFET
9
200
300
400
耐圧（V）
500
600
富士時報 Vol.82 No.6 2009
第 2 世代宇宙用高信頼性パワー MOSFET
ĽĨĖĠŌŔ層全体ä抵抗Ĉ 50 % 程度下ÈÜø目標ä
Heavy Ions of Californium-252. IEEE Trans. Nucl. Sci. Dec.
SEB 発生電圧Ĉ達成ÝÃܺāg
1986, vol.NS-33, no.6, p.1710-1713.
⑶ 田上三郎ñÁ. 宇宙用MOSFETäĠŜęŔčłŜıĹsŜ
耐量Ĉ確保ÍhÁÚēŜ抵抗ä増加Ĉ最小限}3 % 以下程
ċďı}SEB~ä3次元İĹčĢĠňŎŕsĠŐŜ. 電気学会
度~á抑¾āÉÞÂ可能ÞàÙÕg図
電子İĹčĢj半導体電力変換合同研究会資料EDD-01-75,
å耐圧Þ Ron äı
ŕsIJēľĈ示Ï図ݸāgSEB 耐量Ĉ確保ÏāÕ÷á
取ÙܺÕ耐圧ŇsġŜĈàÅÍh低ēŜ抵抗特性á優Ă
SPC-01-80. 2001-10-25.
⑷ 田上三郎, 小林孝. 特許k半導体装置. 特開2003-338624.
Õ第 2 世代宇宙用高信頼性ĺŘs MOSFET Â開発ÝÃÕg
あとがき
井上 正範
ĺŘs半導体素子ä開発j設計á従事g現在h富
SEB ŊĔĴģʼnÂ推定ÝÃÕÉÞÝēŜ抵抗ä増加Ĉ
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部İĹčĢ技術部g
最小限á抑¾h一般用ĺŘs MOSFET Þ同等ä電気的特
性Ĉ持Ú宇宙用高信頼性ĺŘs MOSFET Ĉ製品化ÍÕg
本稿Ýå 250 V ĘŒĢáÚºÜ述ïÕÂhÉä技術Ĉ適用
ÍÜ 100 Vh130 Vh200 Vh500 V ĘŒĢä製品ø系列化
Íܺāg
第 2 世代宇宙用高信頼性ĺŘs MOSFET å世界ıĬŀ
ŕłŔä性能Ĉ実現Íܺāg今後ø世界ä宇宙開発á貢
小林 孝
ĺŘs半導体İĹčĢä研究j開発á従事g現在h
富士電機ńsŔİČŜęĢ株式会社技術開発本部
先端技術研究所İĹčĢ技術研究ĤŜĨsİĹč
Ģ開発部長g
献ÍܺÅ所存ݸāg
参考文献
丸山 篤
⑴ Gover, J. E. Basic Radiation Effects in Electronics Tech-
半導体製品ä¼×主áİČĢĘœsı製品äĺĬ
nology. Colorado Springs, CO, Proc. 1984 IEEE NSREC Tutorial Short Course on Radiation Effects. July 22, 1984.
Ěsġ設計á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ株
式会社半導体事業本部半導体統括部ĺĬĚsġj
実装技術部g
⑵ Waskiewicz, A. E. et al. Burnout of Power MOSFET with
397（ 41 ）
特 集
Éä 2 段đĽĨĖĠŌŔ層構造Ĉ適用ÏāÉÞÝ SEB
富士時報 Vol.82 No.6 2009
超低 I R ショットキーバリアダイオード
特 集
<S[YHSV^09:JOV[[R`IHYYPLYKPVKL
北村 祥司:OVQP2P[HT\YH
一ノ瀬 正樹4HZHRP0JOPUVZL
中沢 将剛4HZH`VZOP5HRHaH^H
ĢčĬĪŜę電源ä小型j低損失j高効率j高温動作ä要求á対Íh高耐圧ĠŐĬıĖsĹœċĩčēsIJ}SBD~ä
ĹœċŊĨŔä種類ÞÓä形成方法Ĉ改善ÍÕg現行品á対Í VF ä増加Ĉ抑¾ÚÚhIR Ĉ 1/10 以下ÞÍÕ 100 Vh120 Vh
150 Vh200 V 耐圧ä超低 IR-SBD ĠœsģĈ開発ÍÕgSBD ä弱点ݸā高温動作時ä逆損失増大áþā熱暴走äœĢĘ
Ĉ軽減ÍÕg接合部温度 175 ℃保証áþĀ高温環境化Ýä安定動作Ĉ実現ÍhĻsıĠŜĘä小型化áþā電源ä小型j高
密度実装化á貢献ÝÃāg
In response to requests for switching power supplies that are smaller in size, have lower loss and higher efficiency and support high
temperature operation, we improved the types of barrier metals and the fabrication methods available for high-voltage Schottky barrier diodes
(SBD). We developed a 100 V, 120 V, 150 V and 200 V series of ultra-low IR SBDs that achieve an IR of less than 1/10th that of conventional
SBDs while preventing an increase in VF. The risk of thermal runaway due to increased reverse loss during high temperature operation is a
weakness of SBDs, but this risk has been mitigated. Guaranteed operation at junction temperatures of up to 175 ÝC enables stable operation to
be achieved in high temperature environments, and miniaturization of the heatsink enables smaller size and higher density packaging to be
realized.
能力Â不足Ïā傾向á¸āg集積度向上j電子機器ä実装
まえがき
密度ä増大áþĀh熱設計ä改善Â電子機器ÖÇÝàÅ部
近年h地球環境保護意識ä高ôĀĈ背景áh省đĶŔ
品単体áø求÷ÿĂāþ¼áàÙÜÃÕgÉäþ¼à動向
ėsä動ÃÂ高ôÙܺāg一方hĺĦĜŜúľŒĬı
Áÿh部品ú基板ä放熱性能ä向上h部品自体ä発熱抑制h
ĺĶŔİČĢŀŕčh太陽光発電hIDC}Internet Data
高温環境下Ýä安定動作Â求÷ÿĂܺāg
⑷
Center~関連分野ĞsĹh無停電電源装置}UPS~
h通
富 士 電 機 Ý åh É ä 高 効 率j 高 温 動 作 要 求 á 合 ą Ñ
信基地局電源h自動車h鉄道àßÝ使用Ïā電子機器å高
100 Vh120 Vh150 Vh200 V 耐圧ä超低 IR-SBD Ġœsģ
機能j多機能化Â急速á進õh高出力化ä流Ăá¸āgÉ
}図
~Ĉ開発ÍÕäÝ紹介Ïāg
Ăÿ電子機器Ý使用ÏāĢčĬĪŜę電源áåh電流容量
Â増加Ïā中h高効率化規制j高密度実装化j小型化á伴
特 徴
ºh損失低減j動作温度限界向上ä要求¸āg電力変換
ä高効率化äÕ÷á低損失半導体İĹčĢä開発åhĖs
ÉĂôÝ富士電機Ýåh20 v 100 V 耐圧ä SBD}低 VF
įĘķŖġsݸāgÉĂôÝ富士電機Ýåh各種電源要
Ĩčŀ~
h45 v 150 V 耐圧ä SBD}低 IR Ĩčŀ~ä開発
求á合ąÑÕ整流ĩčēsIJÞÍÜh低損失高速ĩčēs
系列化Ĉ推進ÍÜÃÕgSBD åh低 VFhĦľıœĔĹ
⑴
⑵h⑶
IJ}LLD~úĠŐĬıĖsĹœċĩčēsIJ}SBD~àß
œs性h低ķčģàßä特徴¸ĀhĢčĬĪŜę電源ä
ä製品化j系列化Ĉ行ÙÜÃÕg
二次側整流用途á広Å使用ËĂܺāgpn ĩčēsIJá
一般的á二次側ĢčĬĪŜę電源ä整流İĹčĢá
åhSBD Â広Å使用ËĂܺāÂh高効率化á伴ºh低
図
SBD チップの断面構造
VF}順電圧~
h低 IR}逆電流~Â求÷ÿĂāg電源ä動向
ÞÍÜåhľĊŜŕĢ化j密閉化Â進õh電子機器ä冷却
図
ショットキー電極
（バリアメタル）
ガードリング
超低 I R-SBD シリーズの外観
エピタキシャル層
シリコン基板
398（ 42 ）
酸化膜
富士時報 Vol.82 No.6 2009
超低 I R ショットキーバリアダイオード
比ïh一般的á IR Â高ºÕ÷hAC ċĩŀĨäþ¼à密
熱暴走äœĢĘĈ軽減Íh高温Ýä高信頼性Ĉ実現
閉機器j大電流高密度実装機器àßä近年ä高温動作化Â
⒝ 接合部温度 Tj ＝ 175 ℃保証Ĉ実現h高温側ä動作
限界温度ĈËÿá向上
Ëÿàā低 IR 化Â必要ÞàāÂh低 IR 化ÏāÞ VF Â増
⒞ ĻsıĠŜĘä小型化áþā電源ä小型j高密度実
⑸
装化á貢献
加Ïā課題¸ÙÕg
図
⒟ VF å富士電機ä従来品水準
á SBD ä基本構造Ĉ示Ïg今回開発ÍÕ超低 IR-
⒠ 200 V 耐圧Ĉ系列化
SBD ä設計Ýåh耐圧構造áĕsIJœŜę方式Ĉ採用Íh
SBD ĹœċŊĨŔä種類ÞÓä形成方法Ĉ改善ÍÕgÉ
ĂáþĀh現行ä低 IR Ġœsģá対Í VF ä増加Ĉ抑¾Ú
素子特性
ÚhIR Ĉ 1/10 以下ÞÍh電源ä小型j高効率j高温動作
àßä市場Ĵsģá対応ÍÕg
方向特性比較Ĉ 図
⒜ SBD ä弱点ݸā高温動作時ä逆損失増大áþā
方向ä損失ä合計ݸĀhÉä損失Ĉ減ÿÏÉÞÂ課題Ý
á示ÏgSBD ä損失åh順方向Þ逆
超低 I R-SBD と従来品との逆方向特性比較
105
105
105
T j =150 ℃
T j =150 ℃
104
104
104
T j =150 ℃
102
100 V
超低 -SBD
IR
T j =150 ℃
102
150 V
超低 -SBD
IR
T j =100 ℃
101
100
T j =100 ℃
103
20
40
60
80
100
100
T j =100 ℃
0
50
T j =175 ℃
103
200 V LLD
T j =100 ℃
T j =150 ℃
102
200 V
超低 -SBD
IR
101
0
逆電流 I R（ A）
T j =100 ℃
逆電流 I R（ A）
逆電流 I R（ A）
150 V 従来品
100 V 従来品
103
T j =150 ℃
T j =175 ℃
T j =175 ℃
100
150
T j =100 ℃
101
100
0
50
100
150
200
逆電圧 V R（V）
逆電圧 V R（V）
逆電圧 V R（V）
（a）100 V/10 A チップ
（b）150 V/10 A チップ
（c）200 V/10 A チップ
超低 I R-SBD と従来品との順方向特性比較
T j =100 ℃
T j =100 ℃
T j =25 ℃
100
100 V
超低 -SBD
IR
10−1
200 V
超低 -SBD
IR
101
100 V 従来品
101
150 V 従来品
順電流 I F（A）
101
順電流 I F（A）
図
áh順
主à特徴å次äÞÀĀݸāg
T j =25 ℃
100
10−1
順電流 I F（A）
図
超低 IR-SBD Þ従来品Þä逆方向特性比較Ĉ図
T j =100 ℃
100
200 V LLD
10−1
T j =25 ℃
150 V
超低 -SBD
IR
10−2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
10−2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
10−2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
順電圧 V F（V）
順電圧 V F（V）
順電圧 V F（V）
（a）100 V/10 A チップ
（b）150 V/10 A チップ
（c）200 V/10 A チップ
399（ 43 ）
特 集
求÷ÿĂā機器áÀºÜh熱暴走Ĉ起ÉÏ可能性¸Āh
富士時報 Vol.82 No.6 2009
超低 I R ショットキーバリアダイオード
¸āg特á高温時áå IR 増加áþā逆損失増大Ĉ考慮á
ä IR å LLD þĀ小˺Õ÷h順逆共á低損失ÞàĀh高
入ĂàÇĂæàÿàºg今回開発ÍÕ超低 IR
効率Â達成ÝÃÕg
-SBD
áÀº
章Ý述ïÕþ¼áh新規ĹœċŊĨŔ採用ÞÓ
図
h図
á損失ĠňŎŕsĠŐŜ検討ä一例Ĉ示Ïg
ä形成ŀŖĤĢä最適化áþĀhIR å全動作温度範囲á
ŋİŔåh液晶įŕļ 24 V/5 A 出力電源ݸāg従来ä
ÀºÜ従来品ä 1/10 以下áôÝ低減ËÑh高温時ä損失
低 IR 品hÀþé LLD å高温領域Ý損失Â増大Ïāäá対
Ĉ大幅á低減ÝÃÕg100 v 150 V 品ä VF å定格電流域
Íh超低 IR 品å高温領域Ýä逆損失Â低Å温度上昇ÞÞ
Ý全動作温度範囲áÀºÜ従来品Þ同等ä水準h200 V 品
øá損失å低減ÏāÕ÷h高温環境下Ýø安心ÍÜ使用Ý
ä VF å同定格ä LLD þĀ低 VF}全動作温度範囲áÀº
Ãāg
Üh定格電流áÜ LLD þĀ約 10 % 低減~Ĉ達成ÍÕg
発生損失検討
Þ図
図
図
損失シミュレーション（150 V 耐圧品）
á汎用電源á実装ÍÕÞÃäĚsĢ温度上
4.0
条件： V R＝120 V，
I F＝8.6 A，オンデューティ＝0.53
昇Þ電源効率Ĉ示Ïg実装電源å 75 W}24 V/3.2 A~出
力äøäÝhĢčĬĪŜę周波数å 125 kHz ݸāg標
3.0
損失（W）
準 搭 載 Ë Ă Õ 200 V 耐 圧 ä LLD Þ 150 V ä 超 低 IR-SBD
Þä比較Ĉ行ÙÕg超低 IR 150 V 品å 200 V LLD á対Íh
ĚsĢ温度å 15.6 ℃低減h効率å 0.24 ņčŜı向上ÍÕg
ôÕhĨsŜēľ時ä跳ã上ÂĀ電圧åh200 V LLD ä
129 V á対Íh150 V 超低 IR
-SBD
2.0
150 V 従来低 -SBD
IR
1.0
Ýø同等ä 127 V ݸÙ
150 V 超低 -SBD
IR
ÕgÉĂåhSBD 特有äĦľıœĔĹœs性áþĀ跳ã
0
0
25
50
上ÂĀ電圧Ĉ低Å抑¾ÿĂÕÕ÷Ýh耐圧ŕłŔĈ 1 ŒŜ
75
100
125
150
175
T （℃）
j
Ę下ÈāÉÞÂ可能Þàāg1 ŒŜĘ耐圧ä低ºİĹčĢ
Ĉ使用ÏāÉÞÝ VF ø低下ÝÃÕgËÿá超低 IR-SBD
図
損失シミュレーション（200 V 耐圧品）
4.0
電源実装評価時のケース温度上昇（実測値）
95
89.2
85
80
200 V LLD
200 V 超低 -SBD
IR
70
0
65
200 V/20 A
LLD
（YG906C2R）
0
25
50
75
100
125
150
175
T （℃）
j
150 V/20 A
IR
超低 -SBD
（YG875C15R）
図
図
2.0
1.0
73.6
75
条件： V R＝160 V，
I F＝8.6 A，オンデューティ＝0.53
3.0
75 W 電源負荷 100％
90
損失（W）
ダイオードケース温度 T C（℃）
図
高温印加信頼性試験評価結果
電源実装評価時の電源効率（実測値）
100
試験条件： V R ＝ V RRM
T a＝175 ℃，
84.0
83.0
75 W 電源負荷 100％
82.95
82.71
10
200 V-LLD
150 V 低 -SBD
IR
1
82.0
81.0
200 V/20 A
LLD
（YG906C2R）
400（ 44 ）
200 V 超低 -SBD
IR
150 V 超低 -SBD
IR
I R（ A ）
効率（％）
特 集
Üåh
150 V/20 A
超低 -SBD
IR
（YG875C15R）
0.1
0
250
500
試験時間（h）
750
1,000
富士時報 Vol.82 No.6 2009
表
超低 I R ショットキーバリアダイオード
超低 I R-SBD の絶対最大定格と電気的特性一覧
最大定格
電気的特性
I FSM
（A）
V FM（V）
I F＝0.5×I o
（T j＝25 ℃）
I RRM
（µA）
V R=V RRM
10（T c=146 ℃）
125
0.82
15
3.5
20（T c=131 ℃）
145
0.86
20
2.5
TO-220F
30（T c=122 ℃）
160
0.86
30
2
TO-220F
10（T c=143 ℃）
125
0.84
15
3.5
20（T c=127 ℃）
145
0.88
20
2.5
30（T c=116 ℃）
160
0.88
30
2
10（T c=144 ℃）
125
0.86
15
3.5
20（T c=130 ℃）
145
0.89
20
2.5
定 格
パッケージ
YG872C10R
100 V/10 A
TO-220F
YG875C10R
100 V/20 A
TO-220F
YG878C10R
100 V/30 A
YG872C12R
120 V/10 A
V RRM
（V）
100
120
R th（j-c）
（K/W）
YG875C12R
120 V/20 A
TO-220F
YG878C12R
120 V/30 A
TO-220F
YG872C15R
150 V/10 A
TO-220F
YG875C15R
150 V/20 A
TO-220F
YG878C15R
150 V/30 A
TO-220F
30（T c=120 ℃）
160
0.89
30
2
YG872C20R
200 V/10 A
TO-220F
10（T c=143 ℃）
125
0.89
15
3.5
YG875C20R
200 V/20 A
TO-220F
20（T c=127 ℃）
145
0.93
20
2.5
YG878C20R
200 V/30 A
TO-220F
30（T c=116 ℃）
160
0.93
30
2
YA872C10R
100 V/10 A
TO-220
10（T c=158 ℃）
125
0.82
15
2
YA875C10R
100V/20 A
TO-220
20（T c=144 ℃）
145
0.86
20
1.75
YA878C10R
100 V/30 A
TO-220
30（T c=142 ℃）
160
0.86
30
1.25
YA872C12R
120 V/10 A
TO-220
10（T c=158 ℃）
125
0.84
15
2
YA875C12R
120V/20A
TO-220
20（T c=144 ℃）
145
0.88
20
1.75
YA878C12R
120 V/30 A
TO-220
30（T c=141 ℃）
160
0.88
30
1.25
YA872C15R
150 V/10 A
TO-220
10（T c=157 ℃）
125
0.86
15
2
YA875C15R
150 V/20 A
TO-220
20（T c=143 ℃）
145
0.89
20
1.75
YA878C15R
150 V/30 A
TO-220
30（T c=140 ℃）
160
0.89
30
1.25
YA872C20R
200 V/10 A
TO-220
10（T c=157 ℃）
125
0.89
15
2
YA875C20R
200 V/20 A
TO-220
20（T c=141 ℃）
145
0.93
20
1.75
YA878C20R
200 V/30 A
TO-220
30（T c=138 ℃）
160
0.93
30
1.25
150
200
100
120
150
200
富士電機åh今後Ëÿàā耐圧系列ä拡充}40 v 80 V~
高温保証
ú ĺ Ĭ Ě s ġ 系 列 ä 拡 充 Þ 特 性 改 善 Ĉ 図 Āh 省 đ Ķ Ŕ
ėsj地球環境保護á貢献ÍܺÅ所存ݸāg
図
á信頼性評価結果ä一例Ĉ示Ïg周囲温度 175 ℃á
Ü定格電圧Ý DC 印加ÍÕ信頼性結果ݸāg従来ä低 IR
参考文献
品Àþé LLD Ýåh印加直後á熱暴走破壊}ĠŐsı~
⑴ 森本哲弘ñÁ. 600 V低損失高速ĩčēsIJSuperLLD3Ġ
á至ÙÕäá対Íh超低 IR-SBD å 1,000 時間ôÝ IR ä変
動åàÅh高温環境化Ýä高信頼性Ĉ実現h接合部温度
175 ℃保証Ĉ達成Íܺāg以上h超低 IR-SBD ä概要Ĉ
紹介ÍÕg本開発品ä絶対最大定格Þ電気的特性一覧Ĉ表
á示Ïg
œsģ
. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.428-431.
⑵ 北村祥司ñÁ. 高耐圧ĠŐĬıĖsĹœōĩčēsIJ. 富士
時報. 2002, vol.75, no.10, p.589-592.
⑶ 一ķ瀬正樹ñÁ. 電源二次側整流器用ĩčēsIJ低IRSBDĠœsģ
. 富士時報. 2004, vol.77, no.5, p.334-337.
⑷ 国峰尚樹. 熱設計Ĉ無理àÅ進÷āÕ÷ä機器開発体系Þ
あとがき
最新技術動向. NEċĔİňs.
http://techon.nikkeibp.co.jp/NE/academy/090213.html.
本製品åhĺĦĜŜúľŒĬıĺĶŔİČĢŀŕčàß
⑸ 滝沢勝. ACċĩŀĨàßä高温環境下áÀÇā特性ú高耐
ä民生分野åøÞþĀh動作限界温度Â高ºÕ÷高温環境
圧Ĵsģá対応ÍÕ150 V超低IR-SBDä高耐圧j超低IR化á
Ýä高信頼性Â要求ËĂā太陽光発電ĺĶŔäĹčĺĢĩ
þā高効率化. 電子技術. 2003, vol.45, no.5, p.102-104.
čēsIJ用途úh低損失性j小型化j高温使用äŊœĬı
Â大úÞ考¾ÿĂā IDC 関連分野}ĞsĹhUPS àß~
h
通信基地局電源h自動車h鉄道àßh幅広º分野Ýä普及
Â期待ÝÃāg
401（ 45 ）
特 集
Io
（A）
型 式
富士時報 Vol.82 No.6 2009
北村 祥司
中沢 将剛
特 集
ĺŘsĩčēsIJä開発j設計á従事g現在h富
ĺŘsĩčēsIJä開発j設計á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部İĹčĢ技術部g
統括部İĹčĢ技術部g
一ノ瀬 正樹
ĺŘsĩčēsIJä開発j設計á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部İĹčĢ技術部g
402（ 46 ）
超低 I R ショットキーバリアダイオード
富士時報 Vol.82 No.6 2009
特 集
EPA5.0 規格対応カレントモード PWM 制御 IC
「FA5592 シリーズ」
-( :LYPLZVM,7(JVTWSPHU[*\YYLU[4VKL7>40*Z
朴 虎崗2VRV\)VR\
藤井 優孝4HZHUHYP-\QPP
山根 博樹/PYVRP@HTHUL
電気製品全般Ýä低消費電力化Þ高周波数規制ä要求Â厳ÍÅàĀÚÚ¸āg2009 年 7 月á米国環境保護庁発効ä
EPA5.0 規格á適合ÏāÕ÷h従来以上á電源 IC ä軽負荷時特性Ĉ高÷ā必要¸āg富士電機Ýåh低消費電力化á有
効à起動素子内蔵ĨčŀäĢčĬĪŜę電源用制御 IC ä系列化Ĉ進÷ܺāgĔŕŜıŋsIJ PWM-ICFA5592 Ġœs
ģåhEPA5.0 規格á対応Íh750 V 起動素子ä内蔵h軽負荷時周波数低減特性ä改善h低 EMI ķčģh保護機能ä充実
àßä特長¸āg
In recent years, requests for lower power consumption and for harmonic regulation have intensified for all electrical products. To meet
the United States Environmental Protection Agencyz
s EPA5.0 standard, which became effective as of July 2009, it is necessary to improve the
light load performance of an IC in a power supply. Fuji Electric has been developing switching mode power supply control ICs. These ICs contain an internal start-up element which is effective for reducing the power consumption. In this paper, we introduce Fuji Electricz
s FA5592
series of current mode PWM-ICs that comply with the EPA5.0 standard. This series features an internal 750 V start-up element, improved frequency-lowering performance when operating under light load conditions, lower EMI noise, and enhanced protection functions.
要求Â強ôÙܺāgķsıĺĦĜŜŊsĔsĈåÎ÷Þ
まえがき
Ïā各電気機器ŊsĔsåh2009 年 7 月á米国環境保護
近年h地球環境ä温暖化Â世界的à問題ÞÍÜ取Ā上È
庁発効ä EPA5.0 規格á適合ÏāÕ÷従来以上á電源用制
ÿĂh電気製品全般Ý省đĶŔės化ÂôÏôÏ重要Þ
御 IC ä低待機消費電力特性向上îä要求Ĉ強ÅÍÜÃÜ
àÙܺāg特á常時ĜŜĤŜıá接続ËĂܺāįŕļ
ºāg
úēsİČē製品hķsıĺĦĜŜhŀœŜĨàßä周辺
富士電機ÝåÉĂôÝ商用交流電源}100 Vh240 V~Ĉ
機器Ýå実使用以外ä待機状態ä時間Â長ºgÓäÕ÷待
直流電源á変換ÏāĢčĬĪŜę電源用ä制御 IC Ĉ系
機時ä消費電力Ĉ削減ÏāÉÞÂ必須ÞàĀhÓĂÿä機
列化Íܺāg今回å従来þĀø低待機消費電力特性Þ
器Ý使用Ïā電源á対ÍÜø年々待機時ä消費電力ä削減
EMI}Electromagnetic Interference~ķčģ低減機能Ĉ
表
低待機電力対応 PWM 制御 IC シリーズの特性一覧
周波数
拡散
シリーズ
型 式
パッ
ケージ
動作
周波数
拡散幅
FA5528
FA5528
SOP-8，
60 kHz
DIP-8
−
DSS
（Dynamic
Self
Supply）
機能
−
FA5547
−
±7 kHz
二次
側短
絡保
護
無負荷時
入力電力（W）
（V IN ＝ AC
264 V のとき）
タイマ
ラッチ
+1.0 V
−
ラッチ
○
−
−
0.30
− 0.67/
− 1.0 V
○
ラッチ
○
○
−
0.17
− 0.67/
− 1.0 V
○
ラッチ
○
○
−
− 0.3/
− 0.5V
○
ラッチ
○
○
○
− 0.5V
−
ラッチ
○
○
○
自動
復帰
±5 kHz
−
タイマ
ラッチ
0.09
自動
復帰
FA5596
FA5597
ブラ
ウン
アウ
ト
タイマ
ラッチ
FA5595
SOP-8，
65 kHz
DIP-8
外部
ラッチ
（過熱
保護）
○
FA5594
FA5592
過電圧
自動
復帰
FA5593
SOP-8，
65 kHz
DIP-8
ピーク
負荷
対応
タイマ
ラッチ
FA5592
SOP-8，
100 kHz
DIP-8
最大入力
しきい値
電圧
−
FA5547
低待機電力
過負荷
保護
自動
復帰
FA5546
SOP-8，
60 kHz
DIP-8
保護機能
±5 kHz
−
タイマ
ラッチ
注：−は機能なし
403（ 47 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
EPA5.0 規格対応カレントモード PWM 制御 IC「FA5592 シリーズ」
特 集
強化Íh各種製品á最適à保護機能Ĉ付加ÍÕ 8 ĽŜäĔ
⑶ 軽負荷時周波数低減特性ä改善
ŕ Ŝ ı ŋ s IJ PWM}Pulse Width Modulation~ 制 御 IC
⑷ 低 EMI ķčģ
FA5592 ĠœsģĈ開発ÍÕäÝÓä概要Ĉ紹介Ïāg
⑸ 保護機能ä充実
.
製品の概要
機能の詳細
⑴ EPA5.0 規格対応
富 士 電 機 Ý åh30 V 耐 圧 ä CMOS}Complementary
EPA5.0 規格対応äÕ÷á電源ä平均効率Þ待機電力特
Metal-Oxide-Semiconductor~ŀŖĤĢĈ使用ÍÕ低待機
性ä向上Ĉ図Ùܺāg軽負荷時周波数œĴċ低減Ĉ行Ù
電力対応ä電源 IC Ĉ系列化ÍܺāgÓä系列一覧Ĉ 表
ÜÀĀh60 % 以下ä負荷ŕłŔá対ÍÜ周波数低減Ĉ行
á示Ïg今回開発ÍÕ FA5592 Ġœsģåh過負荷保護
¼ÉÞÝ 25 % Þ 50 % 負荷領域Ýä効率Ĉ改善Íܺāg
動作ÞÍÜŒĬĪ/自動復帰方式ÞĽsĘ負荷対応àßĈ
ÓĂáþĀ EPA5.0 ä平均効率規格Ĉ達成Íܺāg
系列化ÍܺāgôÕh軽負荷時ıŒŜĢä補助巻線電圧
⑵ 750 V 起動素子内蔵
Â不足ÍÜø起動回路Áÿ電流Ĉ流Í IC ä電源端子Ĉ保
待機時消費電力削減äÕ÷á起動回路Ĉ内蔵Íܺāg
持Ïā機能}DSSkDynamic Self Supply~ø系列化ÍÜ
Óä耐圧Ĉ従来ä 500 V Áÿ 750 V 保証áÏāÉÞÝ電源
事情ä悪º国îä対応Ĉ図Ùܺāg従来þĀ起動電流Ĉ
ºāg
増加ËÑāÉÞÝ電源起動時間ä短縮Ĉ図ÙܺāgËÿ
FA5592 Ġœsģåh従来機種þĀ低待機電力特性j低
EMI ķčģ特性ä向上Àþé保護機能ä充実化Ĉ図ÙÜ
áh軽負荷時á補助巻線電圧Â不足ÍÜø VCC 端子電圧
ºāg
Ĉ保持ÏāÉÞøÝÃāg
⑶ 軽負荷時周波数低減特性ä改善
.
特 徴
従来機種áÀºÜåh入力電圧Â高ºÞÃå軽負荷時ä
今回開発ÍÕ FA5592 äĿŖĬĘ図Ĉ図
á示ÏgôÕh
動作周波数Â低ÅàĀ音鳴ĀÂ問題ݸÙÕgôÕh入力
Óä特徴Ĉ以下á列挙Íh後áÓä詳細Ĉ説明Ïāg
電圧Â低ºÞÃå動作周波数Â十分落×Ð平均効率Â低下
⑴ EPA5.0 規格対応
ÏāÉÞÂ問題ݸÙÕg今回開発ÍÕ FA5592 Ġœsģ
⑵ 750 V 起動素子内蔵
åh100 V 系Þ 200 V 系ä周波数低減特性Ĉ同一áÍÜ従
図１ 「FA5592」のブロック図
起動
回路
ＶＨ
VCC
＋
基準電圧
UVLO
＋
オン
−
内部
電源
−
DBL
ドライバ
リセット
D max
リセット
ブランキング
パルス
OSC
5V
RSFF
S
LAT
Q
R QB
スロープ
＋
FB
OFF
起動回路
制御
−
＋
−
モニタ
制御
オン
PWM
＋
＋
−
IS
ＶＣＣ
保持
OVP
LAT
＋
−
GND
ラッチ
ラッチ
セット
リセット
OLP タイマ
S
Q
R QB
R
リセット
BO
ブラウンアウト BO
タイマ
（50 ms）
404（ 48 ）
RSFF
S
OLP
OUT
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
EPA5.0 規格対応カレントモード PWM 制御 IC「FA5592 シリーズ」
軽負荷時周波数低減方法の改善
図
「FA5592」の負荷短絡保護機能のシーケンス
特 集
電源
出力電圧
二次側短絡保護
固定周波数
待機電力大
スイッチング周波数
T olp（200 ms）
FB
従来機種
100 V 系
FA5592 シリーズは
100 V 系と 200 V 系
の特性を統一
VCCdet
VCCOFF
f min
25％
0
60％
VCCdet ：負荷短絡保護しきい値電圧
：過負荷遅延時間
T olp
：過負荷停止時間
T off
：フィードバック信号
FB
：出力信号
OUT
：IC 電源電圧
VCC
VCCOFF ：IC リセット電圧
負荷
図
T off（1,600 ms）
VCC
従来機種
200 V 系
音鳴り
20 kHz
OUT
「FA5592」の内蔵デジタル周波数拡散方式
図
起動電流の「FA5592」VCC 端子電圧依存性
70 kHz
18
起動電流（mA）
Δf ＝±5 kHz
65 kHz
16
14
FA5592（VH＝120 V のとき）
12
10
VCC 短絡時
起動電流を絞る
8
60 kHz
6
従来機種（VH＝120 V のとき）
4
0
f m＝125 Hz（8 ms）
来ä問題Ĉ解決ÍÕg図
4
8
12
16
20
VCC 電圧（V）
œsģÝå負荷短絡状態Ĉ検出Íh過負荷遅延時間þĀ
á 100 V 系Þ 200 V 系ä周波数
低減特性Ĉ示Ïg
短º時間内Ýø強制停止Ïā機能Ĉ内蔵Íܺāg図
⑷ 低 EMI ķčģ
áÓäĠsĚŜĢĈ示Ïg負荷短絡状態Ĉ VCC 端子電
圧Ý検出ÍÜ IC ÂœĤĬıËĂā前áĢčĬĪŜę動
電源ä EMI ķčģ}雑音端子間電圧~低減äÕ÷áİ
ġĨŔ周波数拡散機能Ĉ内蔵Íܺāg 図
作Ĉ止÷āÕ÷過負荷停止期間Â正常á取ĂāgÓäÕ
áÓä動作
Ĉ示Ïg周波数拡散幅 Ǽf å 65 kHz 固定周波数ä場合 ＋
−
÷負荷短絡時áĺŘs MOSFET Ĉ保護ÝÃāg
5 kHz ÞÍh周波数拡散周期å 8 ms}125 Hz~Ýh動作周
⒝ 低 VCC 時h起動電流制限機能
波数åÓä周期内Ý階段状á変化ËÑܺāgôÕh周波
VCC 端子Þ GND ĠŐsı時ä発熱Ĉ抑¾āÕ÷h
数拡散幅 Ǽf Ĉ ＋
− 5 kHz áÏāÉÞÝh電源ä EMI ķč
VCC 電圧Â低ºÞÃá起動電流Ĉ制限Ïā機能Ĉ追加
ģ}雑音端子間ķčģ~測定時á十分低減効果Â達成ÝÃ
ÍÕg図
ܺāg
VCC 端子電圧Â高ºÞÃh起動電流å全領域Ý従来機
⑸ 保護機能ä充実
種þĀ大úÂhVCC ＝ 0 V 時å起動電流制限機能á
á従来機種Þä起動電流ä比較結果Ĉ示Ïg
þĀ従来機種Þñò同等àŕłŔá制限Íܺāg
⒜ 負荷短絡保護機能
従来機種áÀºÜ負荷短絡時á VCC 端子電圧Â低
電源回路への適用効果
下ÍhIC ÂœĤĬıËĂh間欠動作Ĉ繰Ā返ÍܺÕg
ÓäÕ÷過負荷停止時間Â十分取ĂÐĺŘs MOSFET
}Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor~
.
ÞÍÜ VCC 端子ä電解ĜŜİŜĞä容量Ĉ大ÃÅÍÜ
VCC 端子電圧ä低下Ĉ防Æ必要¸ÙÕgFA5592 Ġ
評価用電源回路の構成
FA5592 Ĉ使用ÍÕĢčĬĪŜę電源ä特性Ĉ説明Ïāg
á長時間大電流Â流Ăh熱破壊Ïā恐øÙÕg対策
図
á FA5592 Ġœsģä応用電源回路図Ĉ示Ïg
電源仕様å次äÞÀĀݸāg
405（ 49 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
「FA5592」の評価用電源回路
1 MΩ
6
HS1
C29
2,200 pF
D4
ERA92-02
D3
7
6
5
VH （NC） VCC OUT
FA5592
FA5593
IC1
LAT
FB
IS
GND
1
2
3
4
＊
R24
オープン
＋
C35
470 F
F
＋
C40
0.01 F
CN2
R33
220Ω
HS2
R36
51 kΩ
PC1 A
R5
0.1Ω
R34
1 kΩ
R37
4.7 kΩ
C37 0.1
C38
0.1
R21
10Ω
＋
R22
1 kΩ
C16
0.1 F
F
R35
F 20 kΩ
R38
4.7 kΩ
IC2
2
R23
1MkΩ
C11
0.01 F
PC1 B
＋
ERA92-02
D6
1
C14
47 F
8
19 V/3.4 A
＋
R6
4.7 kΩ
R8
10Ω
C13
0.1 F
R11
2.2 kΩ
C9
3.3 F
8,9
FMV11N60
TR1
R7
220Ω
図
DS2
YG902C2R
D2
ZNR1
CN1
L3
3.3 H
T1
10,11
R3
100 kΩ
C36
C2
0.22
R2
C5
220 F
C6
0.01 F
＋
0.1
1 MΩ
4
F
R1
C1
0.47 F
AC 90 ∼
264 V
D5SBA60
DS1
TH1
Ｌ1
12 mH
C34
470 F
F1
3.15 A
R31
470 pF 33Ω
C33
470 F
特 集
C31
C30
2,200 pF
C32
470 F
図
EPA5.0 規格対応カレントモード PWM 制御 IC「FA5592 シリーズ」
＊：R24 は以下 2 とおりの接続可能
①VCC-IS 間に接続
②OUT-IS 間に接続
R24 で発生するロスを削減する場合
C12 R16
330 pF（オープン）
「FA5592」の電源効率の負荷電流依存性
図
無負荷時入力電力の入力電圧依存性
出力 65 W/19 V
90
0.20
0.18
電力（W）
効率（％）
86
82
従来機種
0.14
FA5592
0.12
78
0.10
FA5592（115 V のとき）
74
FA5592（230 V のとき）
0.08
50
従来機種（115 V のとき）
従来機種（230 V のとき）
70
0.16
0
25
50
75
100
150
200
250
300
入力電圧（V）
100
負荷率（%）
Ĉ図
表
á同 Î Å 無負
荷時ä入力電力ä比較結果Ĉ示Ïg無負荷時入力電力å
従来機種
全入力電圧範囲áąÕÙÜ従来機種þĀ低減ÍÜÀĀh
負荷率
25%
50%
75%
100%
25%
50%
75%
100%
115
87.89
87.76
87.45
86.75
83.71
86.12
87.16
86.57
230
87.93
88.27
87.91
87.81
84.32
86.49
87.69
87.50
AC
入力
電圧
（V）
á示ÏgFA5592 Ġœsģå 115 V 入力電圧
ä 平 均 効 率 規 格 87 % Â 達 成 Ý Ã Õg 図
電源効率（％）
FA5592
Þ表
Ý平均効率 1.6 %h230 V 入力電圧Ý 1.5 % 向上ÍhEPA5.0
「FA5592」と従来機種との効率比較
AC90 V 入力Ý約 110 mW Þ減Ùܺāg
.
EMI ノイズ抑制効果
図
Þ 図 0 áÓĂÔĂ周波数拡散機能ä有無áÚºÜ
EMI ķčģ}雑音端子電圧~ä測定結果Ĉ示Íh 表
á
ôÞ÷ÕgEMI 規格äĘŒĢ B œňĬıá対Í FA5592
™入力電圧kAC90 v 264 V
Ġœsģä QP}Quasi Peak~ŇsġŜå従来機種þĀ約
™電源出力kDC19 V
2 dB 向上ÍhAV}Average~ŇsġŜå約 13 dB 向上Í
™出力電力k65 W
ܺāg周波数拡散機能áþā EMI 伝導ķčģä低減効
果áþĀ電源ä入力側äľČŔĨĈ削除ôÕå小容量化ø
.
電源効率と無負荷時入力電力特性
負荷電流Þ電源効率ä関係Ĉ従来機種Þ比較ÍÕ結果
406（ 50 ）
可能ÞàÙܺāg
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
EPA5.0 規格対応カレントモード PWM 制御 IC「FA5592 シリーズ」
従来機種の EMI 測定結果
図１ 「FA5592」負荷短絡時の保護動作
：2.501 ms
t1
：154.7 ms
t2
Δt ：152.2 ms
1/Δt ：6.572 Hz
80
70
QP
V）
60
AV
Vo
50
（dB
3
V CC
40
負荷短絡検出VCCしきい値電圧
30
V DS
150 ms
2
20
50 ms
過負荷停止期間
10
0
0.15 0.2
0.3
0.5 0.7
1
2
3
5
7
10
20
30
Ch1 100 V
Ch3 10.0 V
周波数（MHz）
Ch2 10.0 V
BW
BW
M 200 ms 125 kS/s 8.0
A Ch3 ∼ 11.2 V
V DS：パワー MOSFET のドレイン電圧
V CC ：IC 電源電圧
s/pt
V o：電源出力電圧
図１ FA5592 の EMI 測定結果
（LA）PEAK： QP： AV： （LB）PEAK： QP： AV： 90
特性j低 EMI ķčģ特性Ĉ重視ÍÕĢčĬĪŜę電源á
80
適ÍܺāgôÕ EPA5.0 ä平均効率規格ĈþĀŇsġŜ
Ĉ持ÙÜĘœċÝÃh充実ÍÕ保護機能áþĀ電源ä安全
70
QP
性Ĉ高÷ܺāg今後øËÿá低待機電力消費j低 EMI
（dB
V）
60
AV
50
ķčģä要求å高ôÙÜÅāÕ÷h市場要求á応ÎÕ電源
40
制御 IC ä製品開発h系列化Ĉ進÷ܺÅ所存ݸāg
30
参考文献
20
⑴ 藤井優孝ñÁ. 多機能低待機電力PWM電源IC
10
0
0.15 0.2
FA5553/5547Ġœsģ
. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.4360.3
0.5 0.7
1
2
3
5
7
10
20
30
周波数（MHz）
440.
⑵ 丸山宏志ñÁ. 低待機電力擬似共振電源ICFA5571Ġœs
ģ
. 富士時報. 2008, vol.81, no.6, p.415-418.
表
「FA5592」と従来機種との EMI マージン比較
規格に対するマージン
FA5592
従来機種
QP（dB）
8.4
6.5
AV（dB）
11.1
− 2.2
朴 虎崗
ĢčĬĪŜę電源 IC ä開発á従事g現在h富士電
機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括
部İČĢĘœsıjIC 開発部g
.
過負荷動作時の電源出力短絡保護特性
自動復帰版 IC ä負荷短絡時ä保護動作Ĉ図
á示Ïg
負荷短絡状態Ý VCC 端子電圧 IC äÍú値電圧þĀ
藤井 優孝
下ÂÙÕÿhIC 固定仕様ä過負荷遅延時間}200 ms~以
ĢčĬĪŜę電源 IC ä開発á従事g現在h富士電
内Ýø即動作停止ÏāgVCC 端子電圧ä低下áþā IC ä
機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括
部İČĢĘœsıjIC 開発部g
œĤĬı動作å発生ÑÐh過負荷停止期間å正常á取ĂÜ
ºāgÓäÕ÷ĺŘs MOSFET á長時間大電流Â流Ăà
ºäÝ熱破壊Â防止ÝÃāg
山根 博樹
あとがき
ĢčĬĪŜę電源 IC ä開発á従事g現在h富士電
機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括
部İČĢĘœsıjIC 開発部g
新規開発ÍÕĔŕŜıŋsIJ PWM 制御 ICFA5592
ĠœsģáÚºÜ紹介ÍÕgÉĂÿä IC å低待機電力
407（ 51 ）
特 集
（LA）PEAK： QP： AV： （LB）PEAK： QP： AV： 90
富士時報 Vol.82 No.6 2009
特 集
多機能ボルテージモード PWM 制御 IC
「FA5604 シリーズ」
4\S[PM\UJ[PVU=VS[HNL4VKL7>4*VU[YVSSLY
佐藤 紘介2VZ\RL:H[V
丸山 宏志/PYVZOP4HY\`HTH
本井 康朗@HZ\YV4V[VP
電源装置áå小型化h低待機電力化h高効率化h高安全性Â求÷ÿĂܺāgÉĂÿä要求á対応ÏāÕ÷ 8 ĽŜŅŔ
įsġŋsIJ PWM-IC Ĉ開発ÍÕg主à特徴ÞÍÜh電源電圧絶対最大定格 35 Vh低ĢĨŜĹč電力機能h軽負荷時制御
系電源維持機能h過負荷時ĻĔĬŀ機能h定電流垂下機能à߸āg特áh定電流垂下特性Ĉ少àº外付Ç部品Ý実現
ÝÃāÉÞÁÿhĹĬįœàß定電流特性Â求÷ÿĂā負荷á接続ËĂā電源Ĉ含÷hËôÌôà用途ä電源îä応用Â
可能ݸāg
Power supply units are requested to be smaller in size, consume less standby power, and provide higher efficiency and improved safety.
In response to such requests, Fuji Electric has developed an 8-pin voltage mode PWM controller, the main features of which include a maximum power supply voltage rating of 35 V, a low standby power function, a control system power maintenance function for operation at light
loads, hiccup function at overload, and a constant current droop function. Because the current drooping characteristic can be obtained with a
few external parts, this IC can be used in power supplies for various applications, such as a power supply connected to batteries or other load
requiring a constant current characteristic.
ä定電流垂下特性Ĉ少àº外付Ç部品Ý実現ÝÃāgôÕ
まえがき
Éä特性Ĉ定電流源ÞÍÜ利用ÏĂæhĹĬįœ充電用電
近年h電源装置áå小型化h低待機電力化h高効率化à
ßÂ求÷ÿĂܺāgÉĂÿä要求á対応ÏāÕ÷h富士
源àßh定電流動作Â求÷ÿĂā電源îä応用ø可能ݸ
āg
電機Ýå高効率Ý低ĢĨŜĹč電力機能Ĉ内蔵ÍÕĔŕŜ
⑴v⑶
ıŋsIJ電源制御 IC Ĉ製品化ÍÜÀĀhĺĦĜŜúľŒĬ
製品の概要
ıįŕļàßîä採用ø進ĉݺāg
一方Ý通信ú産業用途á使ąĂā大中容量ŏĴĬı電源
.
áåhķčģ耐性á優ĂhēŜİŎsįČä制御範囲ä
製品の特徴
今回開発ÍÕ FA5604 Ġœsģä外観Ĉ図
広ºŅŔįsġŋsIJ PWM}Pulse Width Modulation~
Ĉ表
制御 IC Â多Å使用ËĂܺāgÉĂÿä電源å過負荷時
Ĉ次á列挙Íh後áÓä詳細Ĉ説明Ïāg
hĿŖĬĘ図Ĉ図
h主à仕様
á示ÏgôÕh特徴Þàā機能
áĺŘs MOSFET}Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor~àßä部品ú負荷ä発熱ú破損Ĉ防Æ
保護機能Â重要視ËĂܺāg特á過負荷時á過大à電流
表
「FA5604 シリーズ」の主な仕様
Â流Ăàºþ¼á定電流垂下Ïā保護動作Â好ôĂāg電
源装置ä小型化äÕ÷áø保護機能Ĉ IC á内蔵ÍhþĀ
少àº部品ÝÉĂÿä保護動作Ĉ実現ÝÃāÉÞÂ望ôĂ
項 目
FA5604
電源電圧の絶対最大定格
35 V
スイッチング周波数
ICFA5604 ĠœsģĈ開発ÍÕg本 IC åh過負荷時
図
軽負荷動作
ú各種保護機能Ĉ内蔵ÍÕŅŔįsġŋsIJ PWM 制御
最大デューティ
46%
周波数低減
最小オン幅
400 ns
保護機能
一次側過電流保護
ヒカップ動作
二次側
過負荷保護
周波数低減
タイマラッチ機能
動作周囲温度
パッケージ
408（ 52 ）
70%
定格負荷時のスイッチング周波数の
1/3 まで低減可能
低電圧誤動作防止（UVLO）
「FA5604 シリーズ」の外観
FA5606
100 ∼ 300 kHz
（外部設定可能）
ܺāg
ÓÉÝh小型 8 ĽŜĺĬĚsġÝ低ĢĨŜĹč電力機能
FA5605
17.5 Ｖ /9.7 Ｖ
パルスバイパルス
（IS 端子，マイナス検出）
1：7
1：15
1：7
定格負荷時のスイッチング周波数の
1/9 まで低減可能
CS 端子電圧＞ 7.3 V
50 µs 検出遅延あり
− 40 ∼＋ 85 ℃
SOP-8/DIP-8
富士時報 Vol.82 No.6 2009
「FA5604 シリーズ」のブロック図
オン−オフ
3.6 V
−
UVLO
低電圧
誤動作
防止回路
0.75 V/0.60 V
＋
5 V制御
電源
−
17.5 V/9.7 V
ラッチ
5V
37.5 V
＋
内部電源
＋
S
Q
R
QB
−
7.3 V
UVLO
出力イネーブル信号
S
Q
R
QB
−
FB（2）
−
PWM
＋
出力ドライバ
ワンショット
パルス
発生回路
電圧制御発振器
S
Q
R
QB
OUT（5）
D max
＋
−
＋
出力電流
制限回路
過負荷
検出回路
−
3.5 V/3.3 V
VF（7）
RT（1）
⑴ ŅŔįsġŋsIJ PWM 制御
−0.17 V
GND（4）
IS（3）
ēľ期間Ĉ延長ÏāÉÞÝ周波数低減動作Ĉ実現Íܺāg
⑵ 電源電圧ä絶対最大定格 35 V
ÉĂáþĀh周波数低減時á過負荷状態î負荷急変ÍÕ場
⑶ 低ĢĨŜĹč電力機能
合áh広ºēŜĺŔĢÂ出力ËĂāÉÞáþā一次側ĺ
⑷ 軽負荷時制御系電源維持機能
Řs MOSFET á過電圧ú過電流ÞºÙÕĢıŕĢÂÁÁ
⑸ 過負荷時ĻĔĬŀ機能
āÉÞĈ防ÆÉÞÂÝÃāg
⑹ 過負荷時周波数低減機能Þ定電流垂下特性
⑷ 軽負荷時制御系電源維持機能
PWM 制御äĢčĬĪŜę電源Ýåh軽負荷時áåēŜ
.
機能の詳細
⑴ ŅŔįsġŋsIJ PWM 制御
ĺŔĢ幅Â狭ÅàĀh補助巻線Áÿ十分à電圧Ĉ得ÿĂÐh
IC ä電源Â確保ÝÃàÅàāgÓäÕ÷h電源装置å起
本 IC ÝåŅŔįsġŋsIJ PWM 制御方式Ĉ採用ÍÜ
動Þ停止Ĉ繰Ā返Ï不安定動作ÞàāgÓä対策ÞÍÜ出
ºāgÉĂáþĀĔŕŜıŋsIJÞ比較Íhķčģ耐性á
力端áĩňs負荷àßĈ接続Íhĩňs負荷á電流Ĉ流Ï
優ĂhĿŒŜĖŜęĨčʼnÂàºÕ÷ēŜĺŔĢ幅Ĉ小Ë
ÉÞÝ安定動作ÝÃāþ¼áÍܺāgÍÁÍhÉĂÂ軽
ÅÏāÉÞÂ可能ÝēŜİŎsįČä制御範囲Â広ºg
負荷時ä効率向上ä妨ÈÞàÙܺāÉÞø多ºg
⑵ 電源電圧ä絶対最大定格 35 V
本 IC Ýåh軽負荷時ä IC äēŜĺŔĢ幅ä最小値Ĉ
本 IC Ýåh電源電圧ä絶対最大定格Ĉ従来機種þĀ
400 ns ÞÍܺāgÉĂáþĀh軽負荷時á補助巻線Áÿ
5 V 高º 35 V á対応Íh電源電圧範囲Ĉ広ÅÍܺāg
ä電圧Ĉ確保ÏāÉÞÂÝÃāgÓäÕ÷hĩňs負荷
ÓäÕ÷hIC ä電源ĈıŒŜĢä補助巻線Áÿ取ā場合h
入力電圧変動ú負荷変動á対Í IC ä電源電圧安定化部品
}抵抗àß~Â削除可能Ýh軽負荷時ä効率Ĉ改善ÝÃāg
àÀh軽負荷時áēŜĺŔĢ幅Â最小値ÞàÙÜø周
Â不要Þàāg
波数低減機能áþĀ PFM}Pulse Frequency Modulation~
⑶ 低ĢĨŜĹč電力機能
制御ÞàāÕ÷hËÿá軽負荷ÞàÙÜø出力ä制御å可
軽負荷時äĢčĬĪŜę損失低減äÕ÷áh負荷á応Î
能ݸāgôÕhĔŕŜıŋsIJäĿŒŜĖŜęĨčʼnÞ
ÜĢčĬĪŜę周波数Ĉ低下ËÑāgĢčĬĪŜę周波数
å異àĀhĺŔĢĹčĺŔĢä電流制限動作å常時有効Ý
å最低Ý定格負荷時ä約 1/3 Þàāg
¸āgÍÕÂÙÜh過電流検出時å最小ēŜĺŔĢ幅ä制
本 IC å従来機種Þ異àĀh最大ēŜĺŔĢ幅å一定Ý
限åàÅh400 ns 以下äēŜĺŔĢ幅áÏāÉÞÂÝÃāg
409（ 53 ）
特 集
VCC（6）
ヒカップ動作用
発振器およびカウンタ
CS（8）
15.5 V
図
多機能ボルテージモード PWM 制御 IC「FA5604 シリーズ」
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
多機能ボルテージモード PWM 制御 IC「FA5604 シリーズ」
「FA5604」の評価用電源回路
T1
特 集
C29 R35
220 pF 47Ω
F1
250 V/5 A
C1
0.47 F
C5
C4
DS1
L2 0.22 F 1,000 pF
C2
L1 1,000 pF
TH1
C7
1,000
C22
1,000 pF
F
L3
24 V/6.3 A
R1
AC 85 ∼
132 V
＋
R2
D1
R21
47Ω
CN1
680 kΩ×3
ZT1
C3
1,000 pF
C6
1,000 pF
R5
100 kΩ
D3
Q1
2SK3752-01R
500 V/0.46Ω
R3
R7
47 kΩ
DS3
C24
1 F
＋
C30
R36
220 pF 47Ω
R8
150Ω
R17
0.47Ω
PC2B
R6
0.047Ω
R22
470Ω
D4
D5
8
R11
10 kΩ
CS
7
VF
6
R25
27 kΩ
R26
6.8 kΩ
C25
1,000 pF
C27
0.1 F
VCC OUT
C26 R27
0.1 F 10 kΩ
FA5604
IC1
RT
FB
IS
GND
1
2
3
4
ZD1
27 V
C12
0.1 F
IC2
R28
3.9 kΩ
R20
680Ω
C10
4.7 nF
C9
10 nF
R24
1 kΩ
R29
1 kΩ
CN2
PC1 A
R15
2.2Ω
5
C23
C33
2,200 F 2,200 F
R23
2.4 kΩ
PC2 A
R18
10 kΩ
＋
C16
680 pF
R19
3.3Ω
R9
22Ω
R10
22 kΩ
DS2
ESAD92M-02R
C20
1,000 pF
＋
R13
33Ω
R12
C11
12 kΩ 1,000 pF
PC1B C13
R14 C14 C15 R40
1,000 pF 2.4 kΩ 0.1 F 10 F 22 kΩ
⑸ 過負荷時ĻĔĬŀ動作機能
図
効率，スイッチング周波数−負荷率特性
ä期間比率Ý行¼ĻĔĬŀ動作Ĉ行¼gÓĂáþĀh過
負荷時äĺŘs MOSFET ä温度上昇Ĉ防ºÝºāg特áh
100
200
90
180
（入力電圧 AC100 V
80
のとき）
二次側同期整流Ĉ採用Íܺā場合áh二次側ä整流Ĉ行
効率（％）
¼ MOSFET ä温度上昇Ĉ防Æäá有効ݸāgĢčĬĪ
Ŝę動作期間ÞĢčĬĪŜę停止期間ä比率åhFA5604/
FA5606 å 1k7hFA5605 å 1k15}内部固定~ݸāg
IC 内部á CS 端子á接続ÍÕĜŜİŜĞá対ÍÜ定電流
Ý充放電Ĉ繰Ā返Ï発振回路Þ発振波形ĈĔďŜıÏāĔ
140
60
120
50
100
40
80
30
60
20
ďŜĨĈ内蔵ÍÜÀĀhÉĂÿáþĀĻĔĬŀ動作ä周期
FA5604
FA5514（ダミー負荷あり）
10
Ĉ決定ÍܺāgÍÕÂÙÜhCS 端子á接続ÏāĜŜİ
0
0.1
ŜĞ容量áþĀĻĔĬŀ動作ä周期Â設定ÝÃāg
160
70
1
10
40
スイッチング周波数（kHz）
過負荷時hĢčĬĪŜę動作ÞĢčĬĪŜę停止Ĉ一定
20
0
100
負荷率（％）
⑹ 過負荷時周波数低減機能Þ定電流垂下特性
VF 端子áå電源出力á応ÎÕ信号Ĉ入力ÍÜÀÃh過
負荷Ĉ検出ÍÕ際áå VF 端子電圧á応ÎÜĢčĬĪŜę
設定ÍܺāgVF 端子áåĺŘs MOSFET äěsı駆
周波数Ĉ低減Ïāg周波数低減動作å軽負荷時Þ同ÎÝh
動信号}IC_OUT 信号~Ĉ平滑ÍÜ入力Íܺāg本 IC
最低ĢčĬĪŜę周波数å定格負荷時ä約 1/9 ÞàāgÉ
ä評価áÀºÜh従来機種ÞÍÜ類似ÍÕ電気的特性Ĉ持
ä動作áþĀ電源出力ä V- I 特性å定電流垂下特性Þà
×h軽負荷時Àþé過負荷時ä周波数低減機能Þ軽負荷
āgôÕhÉä周波数低減動作áþĀ過負荷時á高周波Ģ
時制御系電源維持機能Ĉ持ÕàºFA5514Þä比較Ĉ
čĬĪŜęÏāÉÞáþāĺŘs MOSFET ä発熱àßä
行Ùܺāg
ĢıŕĢĈ軽減ÝÃāg
.
電源への適用効果
軽負荷動作および効率
図
á評価電源回路ä入力電圧å AC100 V äÞÃä負
荷率}定格出力電流Ĉ 100 % ÞÏā~á対Ïā効率ÞĢ
.
評価用電源回路の構成
図
á評価用電源回路Ĉ示Ïg一般的àľĒŘsIJ方式
ä電源構成ÞÍܺāgĢčĬĪŜę周波数å 190 kHz á
410（ 54 ）
čĬĪŜę周波数ä関係Ĉ示Ïg
図
ÁÿhFA5604 å負荷率約 3.5 % ÁÿĢčĬĪŜę
周波数Ĉ低減Í始÷āÉÞÝh周波数低減機能äàº従来
富士時報 Vol.82 No.6 2009
多機能ボルテージモード PWM 制御 IC「FA5604 シリーズ」
品äFA5514þĀ効率Â改善ÝÃܺāg
ôÕhFA5604 å軽負荷時制御系電源維持機能áþĀ無
ĀhĢčĬĪŜę動作期間kĢčĬĪŜę停止期間å 1k
7 ÞàÙܺāg
ĢčĬĪŜę再開時åh 図
以下Ýå補助巻線Áÿ制御系回路îä電圧供給Â十分á
á示Ïþ¼á CS 端子電圧
得ÿĂÐhIC ä電源電圧Â UVLO}Under Voltage Lock
Ĉ一度 0 V 近傍ôÝ低下ËÑÕ後hĦľıĢĨsıĈÍà
Out~電圧ôÝ低下Íh起動Þ停止Ĉ繰Ā返Ï不安定動作
ÂÿĢčĬĪŜę動作Ĉ再開Ïāg
ÞàāgÉä不安定動作Ĉ回避ÏāÕ÷áh出力端á 800
⑵ 周波数低減動作機能Þ定電流垂下特性
Ω äĩňs負荷Ĉ接続Íܺāgĩňs負荷ä有無áþ
á出力電圧−負荷電流率特性}過負荷検出時ä出力
図
ĀhFA5604 ä効率ä方Â負荷率 10 % 以上Ýå約 2 %h負
電流値Ĉ 100 % ÞÏā~Ĉ示ÏgôÕh図
荷率 10 % 未満ä軽負荷時áå 5 v 20 % 高ºg
Ŝę周波数Ĉ示ÏgàÀhÉä特性ä測定時áå CS 端子
àÀhFA5604 äĢčĬĪŜę周波数Â設定ÍÕ周波数
ä 1/3 以下ôÝ低下Íܺāäåh間欠ĢčĬĪŜę動作
áåĢčĬĪ
− GND 間áĭĐijsĩčēsIJĈ接続ÍÜĻĔĬŀ動作
機能Â有効áàÿàºþ¼áÍܺāg
ÞàÙܺāÕ÷ݸāg
Áÿh周波数低減機能äຠFA5514 å過負荷時á
図
出力電流Â大ÃÅàÙÜÍô¼äá対ÍhFA5604 å出力
.
過負荷時保護機能
電流Ĉ制限Íh垂下特性ÞàÙܺāÉÞÂ分Áāgô
ÕhĺŘs MOSFET äěsı駆動信号}IC_OUT 信号~
⑴ ĻĔĬŀ動作機能
á過負荷時äĻĔĬŀ動作波形Ĉ示Ïg通常動作
Ĉ平滑áÏā抵抗 R11 Þ並列á R18 Þ D5 Ĉ接続Íh周
時hCS 端子åĦľıĢĨsı完了後h約 3.6 V ÝĘŒŜ
波数Ĉ低減ÍúÏÅÏāÉÞáþÙÜ垂下特性曲線Ĉ補正
ŀËĂāg過負荷検出後hCS 端子å約 4 V Þ約 6 V ä間
ÏāÉÞÂÝÃāgÕÖÍhĻĔĬŀ動作Ĉ併用Ïā場合
Ý発振動作ÍhÉä発振波形Ĉ IC 内部ÝĔďŜıÍÜ
å周波数低減ÍúÏÅàāÉÞáþĀh電源ä起動直後á
ºāgCS 端子á接続ÏāĜŜİŜĞ容量Â 10 nF ä場合h
ĻĔĬŀ動作á入ÙÜÍôºh起動ÍÛÿÅàÙÕĀ起動
図
ĢčĬĪŜę動作期間å約 260 ms}64 ĔďŜı分~
hĢ
図
図
出力電圧−負荷電流率特性
ヒカップ動作（CS 端子接続コンデンサ容量 10 nF）
30
（入力電圧 AC100 V のとき）
スイッチング停止
約 1,800 ms
25
出力電圧（V）
スイッチング動作
約 260 ms
IC_OUT
10 V/div
FB
5 V/div
VF
2 V/div
20
15
FA5604
10
FA5604
（R18，D5 を使った
補正あり）
5
FA5514
0
CS
2 V/div
25
50
75
100
125
150
175
200
負荷電流率（％）
図
スイッチング周波数−負荷電流率特性
再起動時波形（CS 端子接続コンデンサ容量 10 nF）
200
180
スイッチング周波数（kHz）
図
0
400 ms/div
IC_OUT
10 V/div
FB
5 V/div
VF
2 V/div
ソフトスタート動作
しながら再起動
CS
2 V/div
140
120
100
80
FA5604
60
FA5604
（R18，D5 を使った
補正あり）
40
20
0
10 ms/div
（入力電圧 AC100 V
のとき）
160
FA5514
0
25
50
75
100
125
150
175
200
負荷電流率（％）
411（ 55 ）
特 集
負荷Ýø安定動作ÝÃāäá対ÍhFA5514 å負荷率 0.5 %
čĬĪŜę停止期間å約 1,800 ms}448 ĔďŜı分~Þà
富士時報 Vol.82 No.6 2009
ÝÃàÅàāÉÞ¸āÕ÷h部品定数ä設定å重要ݸ
āg以上äþ¼áh垂下特性Â容易á実現ÝÃāÉÞáþ
多機能ボルテージモード PWM 制御 IC「FA5604 シリーズ」
⑶ 園部孝二ñÁ. 臨界型PFC電流共振統合電源ICFA5560
M
. 富士時報. 2008, vol.81, no.6, p.419-423.
特 集
ĀhĹĬįœàßä定電流特性Â重要Þàā負荷á接続Ë
Ăā電源àßh幅広º分野ä電源îä応用Â可能Þàāg
佐藤 紘介
あとがき
電源制御 IC ä開発á従事g現在h富士電機ĠĢį
ʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部İČĢ
ĘœsıjIC 開発部g電気学会会員h日本磁気学
新規á開発ÍÕ多機能ŅŔįsġŋsIJ PWM 制御 IC
会会員g
FA5604 Ġœsģä概要áÚºÜ紹介ÍÕgÉä IC åh
小型ä 8 ĽŜĺĬĚsġݸĀàÂÿh低ĢĨŜĹč電力
機能ú多Åä保護機能Ĉ内蔵Íܺāg通信Àþé産業用
丸山 宏志
市場ä拡大á伴¼電源装置ä小型化h高効率化h安全性à
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発j設計á従事g現
ßä要求Ĉ満足ÏāÉÞÂÝÃāøäÞ考¾āg
在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部
半導体統括部İČĢĘœsıjIC 開発部g
本製品ä市場展開Àþé系列機種開発áþĀhÉĂÿä
市場äËÿàā要求á応¾ÜºÅ所存ݸāg
参考文献
本井 康朗
⑴ 藤井優孝ñÁ. 多機能低待機電力PWM電源ICFA5553/
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発j設計á従事g現
FA5547Ġœsģ
. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.436-440.
⑵ 丸山宏志ñÁ. 低待機電力擬似共振電源ICFA5571Ġœs
ģ
. 富士時報. 2008, vol.81, no.6, p.415-418.
412（ 56 ）
在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部
半導体統括部İČĢĘœsıjIC 開発部g
富士時報 Vol.82 No.6 2009
特 集
低ノイズ電流連続モード PFC 制御 IC
「FA5610/FA5611」
3V^UVPZL*VU[PU\V\Z*\YYLU[4VKL7-*0*
藪崎 純1\U@HI\aHRP
陳 建2LU*OPU
境 保明@HZ\HRP:HRHP
ĢčĬĪŜę電源ä普及á伴ºh高調波電流Â問題áàÙܺāgÓä対策ÞÍÜċĘįČĿľČŔĨ方式ä PFC
}Power Factor Collection~回路Â広Å使ąĂܺāgPFC 回路áåh高効率j小型化á加¾h低ķčģj低ĜĢıÂ強Å
要求ËĂÜÃܺāg今回h8 ĽŜ小型ĺĬĚsġĈ採用ÍàÂÿhĢčĬĪŜę周波数Ĉ独自ä方式Ý分散ÏāÉÞáþ
ā低ķčģh高力率hËÿáå起動時ú負荷変動時àßá発生Ïā音鳴Ā対策ú負荷変動時ä出力電圧低下対策àßh使
ºúÏËĈ向上ÍÕ電流連続ŋsIJ PFC 用ä制御 ICFA5610/FA5611Ĉ開発ÍÕg
With the widespread use of switching converters, harmonic currents have become a problem. As a countermeasure, PFC (Power Factor Collection) circuits are used widely. PFC circuits are strongly requested to be highly efficiency, have a small size, and recently, to have low
noise and a low cost. We have developed new continuous current mode PFC-ICs{FA5610/FA5611|that are housed in a SOP-8 small package
and achieve low-noise and high-efficiency operation through our propriety method for distributing switching frequency, and that incorporate
measures against noise at startup and during load fluctuations, and measures against output voltage drooping during load fluctuations to improve the ease of use.
⑷ 高入力時ä電力制限
まえがき
電子機器ä小型化j軽量化j高機能化á伴ºĢčĬĪŜ
ę電源ä利用Â不可欠ݸāgĢčĬĪŜę電源ÝåĜŜ
.
機能の詳細説明
⑴ 低ķčģ
İŜĞčŜŀĬı型ä整流j平滑回路Â採用ËĂh変換時
本 IC ä発振器áåh独自ä方法áþĀĢčĬĪŜę周
á大量ä電源高調波電流Ĉ発生ÏāÉÞÂ問題ÞàÙÜ
波数Ĉ分散ËÑā機能Ĉ持ÕÑh従来ä固定周波数方式Þ
ºāg対策ÞÍÜhŘsŔIJŘčIJ入力á対応ÝÃh高効
比較ÍķčģĈ低減ÝÃÕgÉĂáþĀh入力ķčģľČ
率j小型化Â可能àċĘįČĿľČŔĨ方式ä PFC}Pow-
ŔĨĈ簡素化ÏāÉÞÂ可能ÞàĀh効率ä向上h周辺部
er Factor Correction~回路Â広Å使ąĂܺāg
品削減áþā電源ĠĢįʼnäĜĢıĩďŜáøÚàÂāg
富士電機åÉĂôÝáhPFC 回路用ä制御 IC ÞÍÜ
ĢčĬĪŜę周波数ä分散機能Ýåh入力電圧ú出力電
小 容 量 電 源 向 Ç á 電 流 臨 界 ŋ s IJFA5500/FA5501
力条件áþĀķčģ低減効果Â最適Þàā周波数Ĉ設定Íh
FA5590/FA5591
h大容量電源向Çá電流連続ŋsIJ
広º範囲Ýķčģ低減Â実現ÝÃāgôÕhĢčĬĪŜę
FA5502
FA5550/FA5551Ĉ製品化ÍÕg最近Ýåh
周波数Ĉ分散ËÑā範囲Ĉ限定ËÑāÉÞáþĀh周辺部
高効率ú小型化á加¾h低ķčģ化h周辺部品削減áþā
品定数ä選択ø容易ÞàÙܺāg
電源ĠĢįʼnäĜĢıĩďŜ要求ÂËÿá強ÅàÙÜÃÜ
⑵ 音鳴Ā対策
ºāgÉĂÿäĴsģá応¾āÕ÷h8 ĽŜ小型ĺĬĚs
本 IC Ýåh起動時h負荷変動時h入力電圧瞬停時ä音
ġĈ採用ÍàÂÿh低ķčģh高力率hËÿáå音鳴Ā対
鳴ĀĈàÅÏÕ÷áhĩčijňĬĘ過電圧保護}OVP~
策ú負荷変動時ä出力電圧低下対策àßh使ºúÏËĈ
機能Ĉ内蔵Íܺāg図
向上ÍÕ電流連続ŋsIJ PFC 制御 ICFA5610/FA5611
ňĬĘ OVP 機能Âàº場合h出力電圧äēsĹĠŎsı
äþ¼á起動時間Â短Åĩčij
Ĉ開発ÍÕg次áÓä概要Ĉ紹介Ïāg
図
「FA5610/FA5611」の外観
製品の概要
.
製品の特徴
今回開発ÍÕ FA5610/FA5611 ä外観Ĉ図
Ę図Ĉ 図
áhFA5502 Þä機能比較Ĉ 表
áhĿŖĬ
á示Ïg特徴
Þàā機能Ĉ次á挙ÈhÓĂÔĂä機能áÚºÜ詳細à説
明Ĉ行¼g
⑴ 低ķčģ
⑵ 音鳴Ā対策
⑶ 負荷急変時ä出力電圧低下対策
413（ 57 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
低ノイズ電流連続モード PFC 制御 IC「FA5610/FA5611」
「FA5610/FA5611」のブロック図
特 集
UV
VCC
8
0.3 V
UVLO
内部バイアス電圧
：5 V
VREF
VDET
VIN
検出器
3
SP
＋
ICMP
VD
5
CUR. AMP
PWM COMP
UV
SP
＋
VCMP
−
2
−
FB
ゲート
ドライバ
乗算器
2.5 V
OUT
7
＋
OSC
＋
ジッタリング
−
FB
ERR.AMP
1
ダイナミック OVP
OVP
2.5 MΩ
12 kΩ
IS
5.0 V
28 kΩ
4
表
GND
スタティック OVP
6
VD
IL
検出器
OCP
従来機種「FA5502」との機能比較
項 目
①発振周波数
②音鳴り対策
出力過電圧保護
ダイナミック・スタティック OVP
FA5610/FA5611
SOP-8
平均電流制御
FA5502
SOP-16
平均電流制御
60 kHz±10% の周波数分散
CT 端子により調整（固定周波数）
ダイナミック
V DOVP=1.050 V REF
（FB 端子電圧）
③負荷急変時出力低下対策
④過電流保護レベル
スタティック
V SOVP=1.09 V REF
（FB 端子電圧）
スタティックのみ（独立端子）
V THOVP ＝ 1.64 V
（OVP 端子電圧）
○
×
AC200 V
V OCPH= − 0.4 V±6.3%
（IS 端子電圧）
AC100 V
V OCPL= − 0.5 V±5%
（IS 端子電圧）
V THOCP ＝− 1.1V±9%
（IS 端子電圧）
V FBOL=0.3 V
（FB 端子電圧）
×
⑥ UVLO
FA5610：V UVLO=9.6 V
FA5611：V UVLO=13.0 V
（VCC 端子電圧）
V THUON ＝ 16.5 V
（VCC 端子電圧）
⑦ソフトスタート
○
位相補償コンデンサで対応
○
独立端子
×
○
⑤出力低電圧保護
⑧外部同期機能
：新製品 ○：機能あり ×：機能なし
áþĀĢĨįČĬĘ OVP 機能Â働ÃhMOSFET}Metal-
ä機能åh起動時ÖÇÝàÅh負荷変動時h入力電圧瞬停
Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor~äĢčĬ
時ä出力電圧ēsĹĠŎsıáø有効Ýh¸ÿüā動作条
ĪŜęĈ停止ÍÜÍô¼ÉÞ¸āgčŜĩĘĨ電流Â流
件Ý音鳴ĀäÍáź電源Â提供ÝÃāg
ĂܺāÞÃá MOSFET Ĉ停止ÍÜÍô¼ÞhčŜĩĘ
⑶ 負荷急変時ä出力電圧低下対策
Ĩ電流ä振動Â起ÉāgÉä振動周波数Â 20 kHz 以下Þ
àāÞ音鳴ĀÞÍÜ聞ɾāg
FA5610/FA5611 ÝåhĩčijňĬĘ OVP 機能Ĉ内蔵
通常 PFC 回路ÝåhAC 入力電圧ä変動áþā力率ä
低下Ĉ抑¾āÕ÷h応答速度周波数Ĉ 10 Hz 程度ôÝ落Þ
ÍÜ動作ËÑܺāgÉäÕ÷h高速ä負荷変動á対応Ï
ÍܺāäÝh出力電圧ēsĹĠŎsı時á MOSFET ä
āáå出力ĜŜİŜĞä容量Ĉ大ÃÅÏā方法Â採ÿĂÜ
ĢčĬĪŜęĈ停止ÏāÉÞàÅh徐々áēŜİŎsįČ
ºÕg出力ĜŜİŜĞĈ大容量化ÏāÞh起動時áå大Ã
Ĉ低下ËÑh出力ä上昇Ĉ抑¾āÉÞÂÝÃāgÓäÕ÷h
àŒĬĠŎ電流Â流ĂāÕ÷hŒĬĠŎ電流Áÿ部品Ĉ保
čŜĩĘĨ電流ä振動Â起ÃàÅàĀ音鳴ĀåÍàºgÉ
護Ïā回路Ĉ必要ÞÏā場合h電源ĠĢįʼnäĜĢıċĬ
414（ 58 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
ダイナミック OVP がない PFC との起動時の動作波形の比較
AC 入力電流（A）
10
−10
音鳴りなし
−10
音鳴りあり
50
50
30
10
30
10
−10
PFC 出力電圧（V）
PFC 出力電圧（V）
10
−30
−10
図
30
−30
インダクタ電流（A）
インダクタ電流（A）
30
特 集
AC 入力電流（A）
図
低ノイズ電流連続モード PFC 制御 IC「FA5610/FA5611」
500
400
300
200
100
0
50
100
150
500
400
300
200
100
0
50
100
時間（ms）
時間（ms）
（a）
「FA5610/FA5611」
（b）ダイナミック OVP 機能なし
150
OCP 切替えによる出力電力の違い
電源への適用効果
OCP 制限電力（W）
5,000
FA5610/FA5611 åh200 W 以上ä比較的大容量ä用途
4,000
á適Íܺāg次áh本 IC ä適用事例á基ÛºÜÓä特
OCP 切替えなし
3,000
性áÚºÜ説明Ïāg
2,000
OCP 切替えあり
.
1,000
0
50
評価用電源回路の構成
図
100
150
200
AC 入力電圧（V）
250
300
á評価用電源回路Ĉ示Ïg周波数分散áþāķčģ
低減効果áþĀhFA5502 Ý 2 段必要ÖÙÕ入力ľČŔĨ
 1 段Ý構成可能ÞàÙÕg入力ľČŔĨä簡略化åh単
á電源ĠĢįʼnä部品点数Þ実装面積ä削減áþāĜĢı
ĩďŜÖÇÝàÅh入力ķčģľČŔĨÝä損失Â低減Ý
Ãh変換効率ä向上áøÚàÂāg
ŀáÚàÂÙܺÕg
本 IC Ýåh出力電圧ÂÍú値以下ÞàÙÜøh通常
þĀø高速Ý応答Ïā機能Ĉ持ÕÑ出力電圧低下Â抑¾ÿ
ĂāgÓäÕ÷h出力ĜŜİŜĞä低容量化Â可能ݸāg
⑷ 高入力時ä電力制限
.
低ノイズ
図
á AC 入力電圧 100 Vh出力電力 600 W Ýä伝導ķ
čģ}QP 値~Ĉh固定ĢčĬĪŜę周波数ݸā FA5502
本 IC áåh入力電圧ä大ÃËáþĀ過電流保護}OCPk
Þ 比 較 Í Õg 周 波 数 分 散 ä 効 果 Ĉ 分 Á Ā ú Ï Å Ï ā Õ
Over Current Protection~ Í Ã º 値 Ĉ 変 ¾ ā 機 能 Â ¸
÷h入力ķčģľČŔĨĈß×ÿø 2 段ÞÍ同一条件Ýä
āg通常äčŜĩĘĨĽsĘ電流Ĉ制限Ïā OCP 機能Ý
比較ÞÍÕgFA5502 ÝåhĢčĬĪŜę周波数ä 3 倍ä
åh入力電圧ä大ÃËáþĀ OCP 動作時ä出力電力Â大
周波数付近á大ÃàĽsĘÂ発生ÍܺāgÉĂá対Íh
ÃÅ変ąÙÜÍô¼g 図
á示Ïþ¼áhAC 入力電圧
FA5610/FA5611 Ýå周波数分散ä効果áþĀķčģĽs
 100 V Þ 200 V Ýåh同ÎčŜĩĘĨĽsĘ電流Ýø出
ĘÂ抑¾ÿĂhFA5502 þĀ 6 dBμV 程度低ÅàÙܺāg
力電力Â 2 倍ä差ÞàÙÜÍô¼g入力電圧áþÙÜå
図
á規制値á対ÏāķčģŇsġŜä比較Ĉ示Ïg入
出力電力Â過剰á高ÅàāÕ÷h本 IC Ýå AC 入力電圧
力ķčģľČŔĨĈ 1 段ÞÍÕÞÃä FA5610/FA5611
180 V 以上Ý OCP Íú値Ĉ 20 % 下Èā機能Ĉ追加ÍÕg
ä ķ č ģ Ň s ġ Ŝ åh 入 力 ķ č ģ ľ Č Ŕ Ĩ Â 2 段 Ý ä
OCP Íú値ä切替¾åh音鳴ĀĈ防止ÏāÕ÷čŜĩ
FA5502 äķčģŇsġŜÞñò同等ݸĀh入力ķčģ
ĘĨ電流ä変化Â少àÅàāþ¼á行Ùܺāg
ľČŔĨ 1 段ä削減Â可能ÞàÙÕg
415（ 59 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
評価電源回路
D202
L201
D206
R236
100Ω
OUT
R229
IS 4
220 F
220 F
C206
C205
220 F
＋390 V
1
2
3
4
P_GND
FB 1
16 kΩ
VR201
R231
2 kΩ
C214
2,200 pF
C216
1,000 pF
PFC_VCC
C207
56 F
VCC
8
C215
GND
6
R237
47 kΩ
R230
10 kΩ
F
F
0.47
2 VCMP
2.2
C210
C220 R234
680ｐＦ47 kΩC211
100 pF
0.01 F
C212
C213
R233
1 2 3
5 ICMP
C204
R215
7
R226
R225
Q201
FA5610/FA5611
AC85∼260 V
680 kΩ 620 kΩ 620 kΩ 620 kΩ
R221 100Ω
R214
47 kΩ
Q204
R222 22Ω
D205
R219 100Ω
R210
47 kΩ
R216 22Ω
Q203
R220 22Ω
D204
1C8P
Q202
R218 100Ω
R227 100Ω
C203
Q205
C217 0.1 F
R201
R202
1 F
C202
PFC_VCC
3 VDET
9.1 kΩ
F102
F101
ZT100
1 F
R103
R101
510 kΩ R102 510 kΩ
510 kΩ
C201
C103
1.0 F
R205
R204
R203
C104
0.47 F
330 kΩ 330 kΩ 330 kΩ 330 kΩ 330 kΩ
C105
C106
2,200 pF 2,200 pF
F
TH01
125
0.1 F
特 集
D101
R213
47 kΩ
図
低ノイズ電流連続モード PFC 制御 IC「FA5610/FA5611」
R238 0.1Ω
P_GND
R239 0.1Ω
R240 0.1Ω
R250 0.1Ω
R251 0.1Ω
2 1
PFC_VCC−
図
伝導ノイズ特性
図
AC100 V，出力 600 W
70
伝導ノイズ（QP 値）
レベル（dB V）
PFC_VCC＋
AC 入力電圧：100 V
負荷変動：0 W→600 W
AC 入力電圧
QP
60
AC 入力電圧
FA5502
50
6 dB
FA5610/FA5611
40
出力電圧
出力電圧
30
0.1
AC 入力電流
AC 入力電流
1
FA5502 V ＝
drop −90 V
周波数（MHz）
図
負荷急変時の動作波形
「FA5610/FA5611」と「FA5502」のノイズマージン
図
FA5610N V ＝
drop −35 V
「FA5610/FA5611」と「FA5502」の効率特性比較
比較
96.5
FA5610/FA5611 入力フィルタ１段
96.0
24
FA5610/FA5611 入力フィルタ 2 段
効率（％）
ノイズマージン（dB V）
26
22
20
18
FA5610/FA5611 入力フィルタ１段
16
FA5502 入力フィルタ 2 段
14
12
10
95.5
95.0
94.0
93.5
100
200
300
400
500
600
FA5502 入力フィルタ 2 段
94.5
100
200
300
400
500
600
出力電力（W）
出力電力（W）
î急変ËÑÕÞÃä動作波形Ĉ示ÏgFA5502 Ýå出力
電圧低下 90 V 程度発生ͺāgÉĂá対Í FA5610/
.
負荷急変時の出力電圧低下対策
図
á AC 入力電圧 100 Vh出力電力Ĉ 0 W Áÿ 600 W
416（ 60 ）
FA5611 Ýåh負荷急変時ä高速応答áþĀ出力電圧低下
 35 V ÞàĀh50 V 以上改善ÍÕg
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
低ノイズ電流連続モード PFC 制御 IC「FA5610/FA5611」
要求ºÙÓ¼強ÅàÙܺÅÞ予想ËĂāg今後Þøh
力率特性
ÉĂÿä市場要求á応¾āïÅhIC ä開発Ĉ行ÙܺÅ
1.0
AC100 V
特 集
所存ݸāg
参考文献
力率
⑴ 鹿島雅人ñÁ. 電流連続ŋsIJPFC回路用電源ICFA5550/
AC240 V
0.9
5551Ġœsģ
. 富士時報. 2007, vol.80, no.6, p.441-444.
⑵ 園部孝二ñÁ. 臨界型PFC電流共振統合電源ICFA5560
M
. 富士時報. 2008, vol.81, no.6, p.419-423.
0.8
100
200
300
400
500
600
出力電力（W）
藪崎 純
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
統括部İČĢĘœsıjIC 開発部g
.
効率と力率
図
á AC 入 力 電 圧 100 V Ý ä 効 率 比 較 Ĉ 示 ÏgFA
5610/FA5611 Ýåhķčģ低減効果áþĀ入力ķčģľČ
陳 建
ŔĨĈ 1 段減ÿÏÉÞÂÝÃāgÉäÕ÷hķčģľČŔ
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h富
ĨÝä損失Â低減ËĂhßä条件Ýø FA5502 þĀø効率
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
å高ÅàÙÕg
統括部İČĢĘœsıjIC 開発部g
図 0 á力率特性Ĉ示ÏgAC 入力電圧 100 Vh150 W Ý
ø 0.9 以上ä力率Â確保ÝÃÕg
境 保明
あとがき
ĢčĬĪŜę電源制御 IC ä開発á従事g現在h富
士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体
8 Ľ Ŝ 連 続 ŋ s IJ PFC 制 御 ICFA5610/FA5611 Ĉ
統括部İČĢĘœsıjIC 開発部g
紹介ÍÕg力率改善回路á対ÍÜh高効率ú低ķčģh小
型j薄型化h部品削減áþā電源ĠĢįʼnĜĢıĩďŜä
417（ 61 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
排気系圧力検出用センサ
特 集
7YLZZ\YL:LUZVYMVY,_OH\Z[:`Z[LT
植松 克之2H[Z\`\RP<LTH[Z\
田中 寛子/PYVRV;HUHRH
加藤 博文/PYVM\TP2H[V
自動車ä排出ĕĢ規制å年々強化ËĂh内燃機関ä効率化Þ低排ĕĢ化Â進ö中ÝhİČsĥŔđŜġŜ車Ĉ中心á排
気系ä圧力検出ä要求Â高ôÙܺāg今回h富士電機Ýåh吸気圧測定用ÞÍÜ実績¸ā CMOS ŀŖĤĢáþāŘŜ
ĪĬŀĨčŀä半導体式圧力ĤŜĞĈ応用Íh腐食性物質Ĉ含ö排ĕĢ環境á耐¾¼ā排気系圧力検出用ĤŜĞĈ開発Í
Õg開発ÍÕĤŜĞåhDIN 規格ä SO2 ĕĢ試験áÀºÜ対従来比 2.5 倍以上ä耐腐食性Ĉ持ÙÜÀĀh絶対圧検出用ô
Õå相対圧検出用á対応Íܺāg
Exhaust gas regulations for motor vehicles are becoming stricter year-after-year, and as internal combustion engines are being made
more efficient and their exhaust gas reduced, there is increased demand for pressure sensing in the exhaust systems of diesel engine vehicles.
Applying a single-chip semiconductor pressure sensor fabricated by a CMOS process, which has been successfully used for manifold pressure
measurement, Fuji Electric has developed an exhaust system pressure sensor capable of withstanding an exhaust gas environment containing
corrosive substances. The newly developed sensor, in a DIN standard SO2 gas test, exhibited the ability to withstand corrosion that is more
than 2.5 times greater than that of conventional sensors, and is suitable for use in absolute pressure sensing and relative pressure sensing applications.
⑴
まえがき
圧補正Ĉ行¼Õ÷ä高地補正用àßhÓĂÔĂä測定圧力
á対応ÍÕ圧力ĤŜĞÂ複数用ºÿĂܺāg
BRICz
s 諸国Ĉ含ö産業ä発展Þ物流ä発達Ĉ背景áę
富士電機åh1984 年á自動車đŜġŜä吸気圧測定用圧
ŖsĹŔ規模ä経済活動Â進ö中h二酸化炭素}CO2~à
力ĤŜĞä量産Ĉ開始ÍÕg初期äĤŜĞåh圧力検出素
ßä温室効果ĕĢä排出áþā地球温暖化úh窒素酸化物
子ä特性Ĉ調整Ïā回路hEMC}Electromagnetic Com-
}NOx~Àþé亜硫酸ĕĢ}SOx~áþā酸性雨h大気汚
patibility~対策用ä SMD}Surface Mounted Device~部
染Â問題ÞàÙܺāg
ċŊœĔäęœsŜĴŎsİČsŔ政策úh日本Ýå
品}ĪĬŀĜŜİŜĞúĪĬŀ抵抗àß~Ĉ搭載ÏāÕ÷
ä回路基板àß部品点数Â多Åh部品間ä電気的接続部Â
⑵
2020 年ôÝá CO2 ä排出量Ĉ 25 % 削減ÏāÉÞÂ表明Ë
多ÁÙÕg
Ăāàßh環境問題å国家規模h世界規模ä課題ÞÍÜ取
部品点数ä削減áþāËÿàā信頼性ä向上Ĉ図āÕ÷h
Ā上ÈÿĂܺāg厳ͺ排出規制目標Â設定ËĂāÞÞ
標 準 的 à 半 導 体 CMOS}Complementary Metal-Oxide-
øáh環境ļġĶĢÞÍÜ新Õà環境対策技術ä開発ä促
Semiconductor~ŀŖĤĢÝhĤŜĠŜę部分Þ信号増幅
進ÞhÓĂá伴¼経済ä活性化Â期待ËĂܺāg
回路h温特補償回路hEMC 保護素子ĈŘŜĪĬŀá集約
特áh産業j物流ä面Ý経済活動ä重要à役割Ĉ担¼自
ÍÕ圧力ĤŜĞĈ開発ÍÕgÉäŘŜĪĬŀĨčŀä圧力
動車産業ä環境対策å注目ËĂܺāg年々強化ËĂā排
ĤŜĞåh主áđŜġŜä吸気圧測定用ÞÍÜ 2002 年Á
出ĕĢ規制値ĈĘœċÏāÕ÷áh自動車ŊsĔså内燃
ÿ市場á展開Íܺāg
機関ä効率化Þ排ĕĢäĘœsŜ化úĸčĿœĬIJ車h電
気自動車ä開発á注力Íܺāg
富士電機の圧力センサ
自動車ä排ĕĢäĘœsŜ化Þ燃費ä改善áåđŜġŜ
図
á圧力ĤŜĞä検出体ŏĴĬıä概要Ĉh図
力検出体ŏĴĬıä断面構造Ĉ示Ïg
図
圧力センサの検出体ユニット
拡散抵抗
ダイヤフラム
制御ä高精度化Â重要ݸāg現在ä自動車ÝåhđŜġ
Ŝä各所á取Ā付ÇÕĤŜĞ群Ĉ利用ÍÜhđŜġŜä負
荷状態h吸気量h温度àßä情報Áÿ最適à空燃比Þàā
þ¼燃焼Ĉ電子制御Íܺāg
主á吸気圧測定用ÞÍÜđŜġŜä吸気配管á取Ā付Ç
ÿĂÕ自動車用ä圧力ĤŜĞåhđŜġŜ制御ä高精度化
ガラス
á貢献ÍÜÃÕgôÕh吸気圧測定用äñÁáøhĨsŅ
ĪŌsġŌúĢsĺsĪŌsġŌä過給圧測定用hđċ
ľČŔĨä目詰ôĀ検知用h空気Â薄Åàā高地Ýä吸気
418（ 62 ）
圧力センサチップ（シリコン）
á圧
富士時報 Vol.82 No.6 2009
排気系圧力検出用センサ
ĩčōľŒʼn上áåhIC ŀŖĤĢÞ同時á拡散抵抗Â
形成ÍܸĀh四Úä拡散抵抗ÝńčsıĢıŜĿœĬġ
排気系圧力検出用センサへの応用
đĬĪŜę技術áþĀ高精度ÁÚ丸õä¸āĩčōľŒʼn
Ĉ形成Íh耐圧性Ĉ確保Íܺāg
自動車ä排出ĕĢ規制åh1970 年代äŇĢĖs法以降h
年々強化ËĂh日本Ýå 2009 年ÁÿņĢı新長期規制Â
ÉäĩčōľŒʼnÂ圧力印加áþÙÜÕąöÞhĽđħ
ĢĨsıÍÕg欧州áÀºÜø 2009 年á EURO5 Â施行
抵抗効果Ý拡散抵抗ä抵抗値Â変化ÍhńčsıĢıŜĿ
ËĂh2014 年áå EURO6 ä規制目標Â設定ËĂܺāg
œĬġä出力Â変化ÏāgÉä原理áþĀh圧力Þº¼物
Óä中ÝøİČsĥŔ乗用車ä排出ĕĢ規制ä推移áÚº
理量Ĉ電圧á変換ÏāÉÞÂÝÃāgôÕ同一ĪĬŀ上áh
Ü図
ńčsıĢıŜĿœĬġä出力信号Ĉ増幅Ïā高精度増幅
á示Ïg
燃費Ĉ改善Íh温室効果ĕĢݸā CO2 ä排出量低減
器ÞhĤŜĞ特性Ĉ補正Ïā調整回路Ĉ形成ÍܺāgË
Ĉ目指Ï中ÝhİČsĥŔ車å欧州Ĉ中心á需要Â高Åh
ÿáh自動車äđŜġŜ制御系Áÿ発生ÏāĞsġúċĤ
欧州ä全自動車販売台数ä半数以上Ĉ占÷ܺāgİČs
ŜĿœ工程内Ýä静電気hËÿáå外部Áÿä電磁波àß
ĥŔ車åh燃費hCO2 排出量ÝĕĦœŜ車þĀø優ĂāÂh
Áÿ内部回路Ĉ保護ÏāÕ÷ä保護素子øÏïÜŘŜĪĬ
Óä一方Ýh燃焼温度ä増加á伴¼ NOx ä排出úh不完
⑶
ŀ上á備¾Üºāg
Éä検出体ŏĴĬıĈ図
全燃焼áþā粒子状物質}PMkParticulate Matter~ä排
äþ¼á樹脂ĺĬĚsġá組
出Â問題ÞàÙܺāg
õ込õh外部Þä電気的j機械的à接続Ĉ行¼gĤŔĺĬ
近年ÝåİČsĥŔ車Ĉ中心áh排ĕĢ中á含ôĂā
Ěsġå耐酸性á優Ă車載部品á用ºÜºā PPS}ņœ
PM ä除去á用ºÿĂāľČŔĨ}DPFkDiesel Particu-
ľĐĴŕŜĞŔľĊčIJ~樹脂製ÞÍh検出体ŏĴĬıh
late Filter~Â搭載ËĂ始÷ܺāgÓäľČŔĨä目詰
œsIJ端子ÀþéŘčōå耐薬品性j耐油性á優ĂāëÙ
ôĀä検知á圧力ĤŜĞÂ使用ËĂܺāgËÿáh排ĕ
素系ĠœĜsŜěŔÝĜsįČŜęÍܺāg
Ģ再循環ĠĢįʼn}EGRkExhaust Gas Recirculation~Þ
ºÙÕ排ĕĢä一部Ĉ吸気側á再度戻ÍÜ燃焼Ĉ制御Ïā
ĠĢįʼnø採用ËĂ始÷h排ĕĢä圧力測定áø圧力ĤŜ
図
ĞÂ用ºÿĂāþ¼áàÙÜÃÕ}図
圧力検出体ユニットの断面構造
~
g
ÉĂÿä排気系á用ºÿĂāĤŜĞáåh排ĕĢ中á含
拡散抵抗
ôĂā NOx ú SOx á起因Ïā酸àßä腐食性物質úh燃
¾残Āä燃料úēčŔ類Áÿä保護Â必要ݸāg
センサチップ
（シリコン）
真空基準室
今回開発ÍÕ排気系圧力検出用ĤŜĞåh従来ä吸気圧
ガラス
図
ディーゼル乗用車の NOx と PM の排出量規制の推移
（国土交通省，経済産業省，社団法人日本自動車工業会の
資料を基に富士電機にて作成）
圧力
ダイヤフラム部の
変形応力
排出量（g/km）
0.5
日本
US
EU
0.4
0.3
EURO4
EURO5
Tier2Bin9
0.2
新長期
ポスト新長期
0.1
0
EURO6
Tier2Bin5
2004
2006
2008
2010
2012
2014
（年）
（a）窒素酸化物（NOX）
圧力センサセルの構造
0.05
ワイヤボンディング
圧力 P
ゲル
リード端子
センサチップ
ガラス
樹脂パッケージ
接着剤
排出量（g/km）
図
0.04
日本
US
EU
Tier2Bin9
0.03
0.02
EURO4
新長期
EURO5
0.01
0
2004
ポスト新長期
EURO6
Tier2Bin5
2006
2008
2010
2012
2014
（年）
（b）粒子状物質（PM）
419（ 63 ）
特 集
Ĉ構成ÍܺāgĩčōľŒʼnå富士電機独自ä三次元
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
排気系圧力検出用センサ
エンジンの吸気・排気システムと圧力センサ
図
センサチップ電極パッドの耐腐食構造
金めっき層
特 集
吸気圧センサ
過給圧センサ
エアフィルタ
インタークーラ
過給器
DPF 用圧力センサ
スロットル
DPF
キャタライザ（触媒）
空気
バリア層（Ti-W）
EGR
バルブ
エンジンブロック
マフラ
酸化膜
吸気
電極パッド（アルミニウム系合金 )
パッシベーション膜
エアダクト
EGR クーラ
EGR 用圧力センサ
排気
図
図
排気系圧力検出用センサの構造
圧力 P
金ワイヤボンディング
排気系圧力検出用センサ
ゲル
リード端子
（金めっき）
センサチップ
（金めっき電極）
樹脂パッケージ
表
SO2 ガス試験条件（DIN 50018-SFW1.0S）
サイクル開始に対する理論的 SO2 濃度
（体積 %）
0.33 ＊
凝縮水気候
DIN50018-SFW 1.0S
ĤŜĞĈ応用Íh排気系圧力検出用ĤŜĞá要求ËĂā
{耐腐食設計|Ĉ施ÍÕ}図
~
g
ガラス
接着剤
サイクル
排ガス中の腐食性物質に対する耐腐食設計
第１試験工程（h）
8（加熱を含む）
第２試験工程（h）
16（冷却を含む）
（試験箱は開放または
通気される）
全 体（h）
24
温 度（℃）
排気系圧力検出用ĤŜĞá要求ËĂā耐腐食性åh
試験室内
状況
⑴ ĪĬŀ上ä電極ĺĬIJä金÷ÙÃ化
第 2 試験
工程
⑵ ĪĬŀ−œsIJ端子間ä金Řčōáþā接続
⑶ 樹脂ĚsĢäœsIJ端子ä金÷ÙÃ化
áþÙÜ実現ÍÕg次áÓä詳細Þ評価結果Ĉ述ïāg
.
第１試験
工程
相対湿度（％）
40±3
およそ 100
（試験材を結露させる）
温 度（℃）
相対湿度（％）
18 ∼ 28
最大 75
＊：理論的 SO2 濃度は、300 L の容積の試験箱を持つ試験装置の場合，各サイク
ルあたり 1.0 L の SO2 添加量に対応する。
センサチップの耐腐食設計
富士電機ä標準的à CMOS ŀŖĤĢÝ製造ËĂā半導
体ĪĬŀä電極ĺĬIJä材料åhċŔňĴďʼn系合金ݸ
−ĨŜęĢįŜ}Ti-W~合金äĹœċ層Ĉ設ÇÕ}説明
āg排ĕĢ中ä SOx ĕĢÞ蒸気ÂĪĬŀ上äěŔá浸透
äÕ÷図中ä縦横比å実際Þ異àā~
g
ôÕh従来åĪĬŀ−œsIJ端子間ä接続áċŔňĴď
ÍÕ場合h次äŊĔĴģʼnÝ硫酸Â生成ËĂhċŔňĴď
ʼnŘčōĈ用ºÜºÕÂh同様ä化学反応áþĀŘčōÂ
ʼnÂ腐食ËĂāg
2SO2 ＋ O2 / 2SO3
2−
SO3 ＋ H2O / 2H＋＋}SO4~
2Al ＋ 6H＋ / 2Al 3＋＋ 3H2
ÓÉÝh耐腐食構造ÞÍÜĪĬŀä電極ĺĬIJ上á金
腐食ÍÜ断線á至āÕ÷h金ŘčōĈ採用ÍÕg
.
パッケージの耐食設計
既存ä圧力ĤŜĞĤŔĺĬĚsġäœsIJ端子áåh
ĴĬĚŔ÷ÙÃĈ施ÍܺÕÂh÷ÙÃä表面状態áþÙ
áĪĬŀ上ä電極ĺĬIJÞ金÷ÙÃ
Üå排ĕĢá起因Ïā酸ä侵食Ĉ受ÇÜœsIJÂ腐食Íh
ä断面構造Ĉ示ÏgċŔňĴďʼn系合金層Þ金÷ÙÃ層ä
外部Þä電気的接続Â断ÕĂÜÍô¼gÓÉÝhĴĬĚŔ
間áåhċŔňĴďʼnÞ金ä拡散Ĉ防止ÏāÕ÷hĪĨŜ
÷ÙÃä上áËÿá金÷ÙÃĈ施Íh腐食Ĉ防止Ïā構造
÷ÙÃĈ施ÍÕg図
420（ 64 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
排気系圧力検出用センサ
Ĉ 1 ĞčĘŔÞÏā~
g
SO2 ガス試験結果
50 サイクル
断線なし
今回開発ÍÕ排気系圧力検出用ĤŜĞä基本仕様åh
表
従来品
20 サイクル
断線発生
0
10
20
特 集
基本仕様
排気系圧力
検出用
äÞÀĀݸāgĤŜĞĪĬŀä回路åh吸気圧ĤŜ
ĞÞÍÜ実績¸ā構成ĈÓäôô流用ÍÜÀĀh配線ä
30
40
50
60
サイクル数（サイクル）
断線Ĉ検知Ïāĩčċę機能h過電圧保護機能hEMC 耐
性Ĉ持Ùܺāg測定Ïā圧力áÚºÜåh絶対圧ôÕå
相対圧äß×ÿÁ一方á選択可能ݸāg
表
排気系圧力検出用センサの基本仕様
項 目
あとがき
単 位
仕 様
備 考
絶対最大印加電圧
V
16.5 V
1 min
絶対最大印加圧力
kPa abs.
600
Ĉ前提á開発Ĉ行ÙÜÃÕÂh現在h自動車á対Ïā排ĕ
Ģä低減åh製品ݸā自動車Áÿä排出äõÝåàÅh
今回紹介ÍÕ排気系圧力検出用ĤŜĞåh主á自動車用
保存温度
℃
− 40 ∼ 150
使用温度
℃
− 40 ∼ 135
自動車ä生産Áÿ廃棄ôÝĈ含÷Õ全ŀŖĤĢĈ対象áÍ
V
5.00±0.25
Õ取組õáàĀÚÚ¸āg例¾æh車体ä原料ݸā鉄鉱
kPa abs.
50 ∼ 400
＊1
石ä採掘úh還元触媒hĹĬįœá使ąĂāŕċŊĨŔä
使用圧力（相対圧仕様） kPa gauge
50 ∼ 400
＊1
採掘áåh大排気量äİČsĥŔđŜġŜĈ搭載ÍÕ重機
出力範囲
0.5 ∼ 4.5
電源電圧
使用圧力（絶対圧仕様）
インタフェース
ダイアグ領域
V
Â用ºÿĂāÕ÷hÓĂÿä排ĕĢáÚºÜø規制値Ĉ設
300
プルアップ
100
プルダウン
V
＜ 0.2，
>4.8
＊2
%F.S.
＜ 1.2
10 ∼ 85 ℃
%F.S.
＜ 2.0
− 40/135 ℃
kΩ
圧力誤差
JASO D00-87，CISPR 25，
ISO11452-2，ISO7637
EMC 検証済み規格
Ç排出量Ĉ低減Ïā動øāg
重機àß自動車以外äđŜġŜá適用Ïā場合h排ĕĢ
á含ôĂā腐食性物質ä量úh排気ä圧力h周囲温度åh
đŜġŜä種類hĤŜĞä搭載箇所h使用Ïā燃料àßä
条件áþÙÜËôÌôݸĀh上位ċŀœĚsĠŐŜĈ熟
知ÍÕ上Ýä製品開発Â重要ݸāg
富士電機åh常á世界ıĬŀŕłŔä技術開発á取Ā組
õhÀ客Ëôá喜æĂā製品開発Ĉ目指Íh環境対策á貢
＊１：フルスケール圧力は任意に変更可能
＊２：VCC 配線の断線，VOUT 配線の断線を検知
献ÍܺÅ所存ݸāg
SO2 ĕĢ試験åh日立ēsıŋįČĿĠĢįʼnģ株式会
社殿áÊ協力ºÕÖºÕgÉä場Ĉ借ĀÜ謝意Ĉ表Ïāg
ÞÍÕg
腐食性ĕĢáþÙÜ生ÎÕ酸ÂœsIJ端子Þ樹脂ä界面
áø到達ÏāÕ÷h樹脂á埋没ÏāœsIJ端子ä側面hÏ
àą×ĔĬı面ä腐食防止Â必要ݸāäÝhœsIJ端子
äŀŕĢĔĬı後á金÷ÙÃ処理Ĉ行ºhĔĬı端面áø
金÷ÙÃĈ施ÍÕ}図
~
g
参考文献
⑴ 斉 藤 和 典. 自 動 車 用 Ĥ Ŝ Ğ ä 最 新 動 向. CMC出 版, 2009,
p.38-51.
⑵ 高浜
造ñÁ. 半導体圧力ĤŜĞ. 富士時報. 1986, vol.59,
no.11, p.707-710.
⑶ 植 松 克 之. 自 動 車 用 圧 力 Ĥ Ŝ Ğ á Ú º Ü. MATERIAL
.
耐腐食試験結果
STAGE. 技術情報協会. 2009, vol.9, no.1, p.26-30.
耐腐食性ä評価ÞÍÜhDIN 規格 DIN50018-SFW1.0S
á基ÛÅ SO2 ĕĢ試験Ĉ行ÙÕg試験条件Ĉ表
á示Ïg
Éä試験åh製品表面Ĉ結露ËÑÕ状態Ý SO2 ĕĢáË
ÿÏøäÝh実車ä排ĕĢ環境þĀø厳ÍÅh製品ä腐食
áþā断線ÞºÙÕ故障ŋsIJá至āôÝä寿命Ĉ確認Ï
āÕ÷ä加速試験ÞÍÜ採用ÍÕg
図
åhSO2 ĕĢ試験á伴¼ĪĬŀ電極ĺĬIJhÀþé
ĚsĢœsIJ端子ä腐食á起因Ïā断線ŋsIJáÚºÜä
従来品Þä比較ݸāg今回開発ÍÕ排気系圧力検出用Ĥ
ŜĞåh従来品ä 2.5 倍以上ä耐腐食性¸āÉÞĈ確認
植松 克之
圧力ĤŜĞä研究開発á従事g現在h富士電機Ġ
Ģįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
İČĢĘœsıjIC 開発部Īsʼnœsĩsg電気
学会会員g
ÍÕ}ĞčĘŔ数ä定義k製品ä結露Áÿ SO2 ĕĢ暴露
421（ 65 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
特 集
422（ 66 ）
排気系圧力検出用センサ
田中 寛子
加藤 博文
圧力ĤŜĞä研究開発á従事g現在h富士電機Ġ
圧力ĤŜĞä研究開発á従事g現在h富士電機Ġ
Ģįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
Ģįʼnģ株式会社半導体事業本部半導体統括部
İČĢĘœsıjIC 開発部g
İČĢĘœsıjIC 開発部g
富士時報 Vol.82 No.6 2009
IGBT モジュールのサーマルマネジメント技術
特 集
;OLYTHS4HUHNLTLU[;LJOUVSVN`MVY0.);4VK\SLZ
西村 芳孝@VZOP[HRH5PZOPT\YH
大野田 光金4P[Z\RHUL6VUV[H
百瀬 文彦-\TPOPRV4VTVZL
IGBT ŋġŎsŔĈ適用ÍÕ電力変換装置ä熱設計áÀºÜåh熱伝導率Â最ø低ºĞsŇŔĜŜĺďŜIJÂ大Ãà設計
因子ݸāgÓäÕ÷hĞsŇŔĜŜĺďŜIJä厚õå IGBT ĪĬŀ温度á影響Ĉ与¾āg本報告ÝåhÓäĞsŇŔĜ
ŜĺďŜIJä厚Ëä最適化Ĉ図ÙÜ FEM 解析Ĉ行ÙÕ内容hÀþéÓä結果á従ÙÕ量産工程áÀºÜh品質Ĉ安定ËÑ
āÕ÷á適用ÍÕ技術áÚºÜ記載Ïāg応力分布Ĉ考慮ÍÕŊĨŔŇĢĘĺĨsŜĈ使用ÏāÉÞáþĀh従来ä塗布
方法Þ比較ÍĞsŇŔĜŜĺďŜIJä厚õĈ約 1/3 ôÝ薄Å均一á塗布ÏāÉÞÂÝÃāþ¼áàÙÕg
In power conversion systems that use IGBT modules, the thermal conductivity of the thermal compound utilized is as low as possible.
As a result, the compound thickness affects the IGBT chip temperature. This paper describes the effects of the hardness of components
and the ingredients of the compound on the spreading ability of the compound and the distribution of stress when tightening with screws.
Additionally, in consideration of the stress distribution, we have proposed a metal mask pattern for applying the compound as thinly as
possible. As a result, the compound can be applied at approximately 1/3rd the thickness of the conventional application technique.
まえがき
背 景
近年h地球温暖化îä対応äÕ÷h化石燃料ä使用áþ
IGBT ŋġŎsŔĈ用ºÕ製品ĠĢįʼnä構造Àþé構
ā二酸化炭素ä排出Ĉ抑¾āÉÞĈ目的ÞÍh風力ú太
成部品ä熱伝導率Ĉ図
陽光àßä新đĶŔės利用hĸčĿœĬIJĔsä普及
ŀÁÿ発生Ïā熱Ĉ逃ÂÏÕ÷á放熱用ľČŜá取Ā付Ç
促進Â図ÿĂܺāg加¾Ü従来ä電気電子機器áÀºÜ
Ü使用ÏāgčŜĹsĨá使用Ïā一般的à放熱ľČŜå
øËÿàā省đĶŔės化Â求÷ÿĂÜÀĀhÉĂÿ電力
最大 100 μm 程度ä表面粗ËĈ持Ú場合¸āgIGBT ŋ
á示ÏgIGBT ŋġŎsŔåĪĬ
変換hŋsĨ制御á必要à IGBT}Insulated Gate Bipolar
ġŎsŔĈ放熱ľČŜá搭載ÏāÞÏÃôÂ生Îh接触熱
Transistor~ŋġŎsŔ製品ä役割å従来á増ÍÜ大ÃÅ
抵抗Ĉ悪化ËÑā要因Þàāg一般的áÉĂÿä接触熱抵
àÙܺāgôÕh高度情報化社会á伴º電子İsĨ化Â
抗Ĉ低下ËÑāÕ÷áĞsŇŔĜŜĺďŜIJĈ放熱ľČŜ
進ĉÖÉÞÁÿhİsĨĤŜĨs向Çä無停電電源装置
Þ IGBT ŋġŎsŔä間á塗布Ïāg
}UPS~àßäĴsģÂ新Õá増¾Üºāg
一般的àĞsŇŔĜŜĺďŜIJä熱伝導率å約 1 W/
市場ÊÞá IGBT ŋġŎsŔá要求ËĂā特性å異àÙ
}mjK~ݸĀh図
Áÿ分Áāþ¼á IGBT ĪĬŀÁÿ
ܺāÂh高効率化ÞĩďŜĞčġŜęå共通ä要求ݸ
ä放熱経路áÀºÜ最ø熱伝導率Â低ºgIGBT ŋġŎs
āg風力発電áÀºÜåh発電ÍÕ電力ä変換器á IGBT
ŔĈ用ºÕ製品ĠĢįʼn全体Ýä高効率化Ĉ行¼Õ÷Ğs
ŋġŎsŔÂ使用ËĂܺāg電力用変換器åĨŘs内
ŇŔĜŜĺďŜIJä厚õĈ薄ÅÏāÉÞÂ求÷ÿĂܺāg
àß限ÿĂÕĢŃsĢá設置ÏāÉÞÂ多ÅhIGBT ŋ
ÍÁÍàÂÿĞsŇŔĜŜĺďŜIJä厚ËĈ薄ÅÏāÞh
ġŎsŔĈ水冷ÏāÉÞáþĀ実装密度Ĉ上Èh小型化Ĉ
ĞsŇŔĜŜĺďŜIJĈ IGBT ŋġŎsŔ全面á広ÈāÉ
⑴
図Ùܺāg
ÉĂÿä高密度実装要求á対Íh富士電機Ýå IGBT
図
IGBT モジュールの構造と主要な熱伝導率
⑵
ĪĬŀä高性能化ÞÞøáhĞsŇŔŇĶġŊŜıáþĀ
IGBT ŋġŎsŔ製品ä小型化j大容量化Ĉ同時á追求Í
⑶h⑷
Õ製品Ĉ開発ÍܺāgôÕhÀ客ËôÂ要求Ïā装置ä
設計Ĉ行¼際á必要àh運転状況áÀÇā IGBT ŋġŎs
⑸
Ŕä損失 ･ 温度ĠňŎŕsĨä提供Ĉ行Ùܺāg
本稿ÝåhIGBT ŋġŎsŔÞ冷却ľČŜĈ熱的á接合
ケース
チップ
はんだ：
50 W/(m･K)
銅回路：
390 W/(m･K)
セラミックス：
20∼170 W/(m･K)
ÏāĞsŇŔĜŜĺďŜIJä使用方法ä最適化áþĀ低熱
はんだ：
50 W/(m･K)
抵抗化Ĉ達成Ïā技術áÚºÜ紹介Ïāg
銅板：
390 W/(m･K)
コンパウンド：
1 W/(m･K)
冷却フィン
423（ 67 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
IGBT モジュールのサーマルマネジメント技術
Þå難ÍÅàāg
広ÂĀ実験結果Þ同様ä傾向á¸āÉÞÂ分Áāg
次章以降Ýåh①ĞsŇŔĜŜĺďŜIJä広ÂĀ性á及
図
á FEM 解 析 ŋ İ Ŕ Þ 解 析 結 果 Ĉ 示 ÏgIGBT ŋ
ġŎsŔĞčģĈ 119 mm×59 mm ÞÍh3.5 Njm ÝãÎ
告ÍhIGBT ŋġŎsŔĈ用ºÕ製品ĠĢįʼnáÀÇā接
締付ÇĈÍÕ条件áÜ解析Ĉ実施ÍÕgFEM 解析結果Á
触熱抵抗ä低減Ĉ提案Ïāg
ÿ IGBT ŋġŎsŔ−ľČŜ間á発生Ïā応力åhãÎ周
辺áÀºÜ高Å中央部áºÅá従ÙÜ低下ÏāÉÞÂ分
サーマルコンパウンドの広がり性に及ぼす要因
ÁÙÕg以上ä結果Áÿ IGBT ŋġŎsŔÞľČŜä間á
発生Ïā応力åhãÎ位置Áÿä距離áþÙÜ変化ÏāÉ
ĞsŇŔĜŜĺďŜIJå IGBT ŋġŎsŔ側høÍÅå
ÞÂ明ÿÁáàÙÕg
次á応力ÞĞsŇŔĜŜĺďŜIJä厚õä関係áÚºÜ
放熱ľČŜ側á塗布ÍhIGBT ŋġŎsŔÞ放熱ľČŜĈ
ãÎ止÷Ïā力áþĀhIGBT ŋġŎsŔÞ放熱ľČŜä
数社äĜŜĺďŜIJĈ用º調査Ĉ行ÙÕg使用ÍÕĞsŇ
ÏÃôĈ埋÷āþ¼á広ÈÜ用ºāgÉäÞÃhIGBT ŋ
ŔĜŜĺďŜIJå Electrolube 社製kHTChDawcoaning
ġŎsŔÞ放熱ľČŜåĞsŇŔĜŜĺďŜIJĈ介ÍÜ熱
社 製kSH340hAmerican oil & Supply 社 製kAOS340h
的á接続ËĂāgĞsŇŔĜŜĺďŜIJä広ÂĀ方Ĉ観察
信越ĠœĜsŜ社製kG747 ݸāg各種ĞsŇŔĜŜĺ
ÏāÕ÷hĕŒĢĿŖĬĘ}表面粗Ë 5 μm 以下~ÞľČ
2
ďŜIJĈ一定量平板á塗布後hĕŒĢĿŖĬĘĈ載Ñ加圧
Ŝ}表面粗Ë 5 μm 以下~間á面積 81 mm h厚õ 30 μm
ÍÕgÉäÞÃäĞsŇŔĜŜĺďŜIJä広ÂĀ面積Áÿh
ÝĜŜĺďŜIJĈ塗布Í 3.5 Njm áÜãÎ締÷Ĉ行ÙÕg
各加圧時äĞsŇŔĜŜĺďŜIJ厚õáÚºÜ換算ÍÕg
結果Ĉ図
á示ÏgãÎ位置周辺ÝåĞsŇŔĜŜĺďŜ
図
á加圧ÞĞsŇŔĜŜĺďŜIJ厚õä関係Ĉ示Ïg
IJÂ広ÂÙܺāÂhľŒĬıàľČŜĈ用ºÜø中央
部分åĞsŇŔĜŜĺďŜIJä広ÂĀÂ悪ºÉÞÂ分Á
図
FEM 解析モデルと解析結果
āgÉä原因Ĉ調査ÏāÕ÷hIGBT ŋġŎsŔĈľČŜ
áãÎ止÷ÍÕ際á IGBT ŋġŎsŔÞľČŜ間á発生Í
ܺā応力分布áÚºÜ光弾性装置áÜ測定ÍÕg同時á
IGBT モジュール
FEM}Finite Element Method~解析ø実施ÍÕg
図
á光弾性装置Ĉ用º IGBT ŋġŎsŔÞľČŜ間á
発生Íܺā応力分布Ĉ測定ÍÕ結果Ĉ示ÏgãÎ周辺部
á大Ãà応力Â発生ÍÜÀĀh図
図
加圧
á示ÍÕĜŜĺďŜIJ
（a）FEM 解析モデル
Y1
サーマルコンパウンドの広がり方
X1
ガラスブロック
X2
サーマルコンパウンド
t ＝30 m
フィン
応力
（a）実験模式図
応力
Y2
X1
X2
Y1
Y2
（b）FEM 解析結果（応力分布）
（b）サーマルコンパウンド塗布
図
（c）ねじ締め後
光弾性装置を用いた応力分布測定結果
図
加圧力とコンパウンド厚みの関係
サーマルコンパウンド厚み（ m ）
特 集
òÏ要因h②ĞsŇŔĜŜĺďŜIJä塗布方法áÚºÜ報
120
100
80
60
40
HTC
20
0
SH340
0
0.1
0.2
加圧力（MＰa）
424（ 68 ）
ASO340
G747
0.3
0.4
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
IGBT モジュールのサーマルマネジメント技術
サーマルコンパウンドに使用されているセラミックス
図
サーマルコンパウンド塗布位置と広がりの関係（実験結果）
特 集
サーマルコンパ
ウンド塗布位置
（モジュール側）
10
mm
サンプル A
10 mm
サンプル B
ねじ締め後の
サーマルコンパ
ウンド広がり
（フィン側）
サンプル A
（a）ねじ付近コンパウンドあり
サンプル B
（b）ねじ付近コンパウンドなし
1 m
ďŜIJĈ塗布ÍàºĞŜŀŔ B å全体áĞsŇŔĜŜĺ
ďŜIJÂ広ÂÙÕg
図 7 コンパウンド位置と広がりの関係（模式図）
ĞsŇŔĜŜĺďŜIJÂ広Âÿàº箇所¸āÞh空気
ねじ
コンパウンド粒子
層ÂÝÃāÕ÷h熱抵抗Â大幅á上昇ÏāgÓäÕ÷ÉĂ
ねじ
ôÝåh塗布ÏāĞsŇŔĜŜĺďŜIJ量Ĉ増úÏÉÞÝ
IGBT モジュール
IGBT モジュール
広ÂĀÂ悪º場合ä対策ÞÍÜÃÕg
以上ä結果ÁÿhĞsŇŔĜŜĺďŜIJĈ適切à位置á
塗布ÏāÉÞáþĀ使用ÏāĞsŇŔĜŜĺďŜIJ量Ĉ少
フィン
フィン
àÅÍhÓä結果ÞÍÜĞsŇŔĜŜĺďŜIJä厚õĈ薄
加
大
圧
小
（a）ねじ付近コンパウンドあり
加
大
圧
小
ÅÏāÉÞÂ可能ݸāÞ推定ËĂāg
（b）ねじ付近コンパウンドなし
サーマルコンパウンド推奨塗布方法の開発
.
メタルマスクデザイン
0.1 MPa ôÝåh加圧力Â大ÃÅàāáÚĂĞsŇŔĜŜ
ĞsŇŔĜŜĺďŜIJ広ÂĀä要因調査結果Ĉ基áh富
ĺďŜIJä厚õÂ薄ÅàāÉÞÂ分ÁāgÍÁÍ 0.1 MPa
士電機推奨äĞsŇŔĜŜĺďŜIJ塗布方法áÚºÜ検討
以上Ýå加圧力Ĉ増ÍÜøh一定ä厚õ以下á薄ÅàāÉ
ÍÕgĞsŇŔĜŜĺďŜIJä塗布方法ÞÍÜåh一般
ÞåàÁÙÕgÉä理由ÞÍÜhĞsŇŔĜŜĺďŜIJä
á①İČĢŃŜĞáþā塗布h②ŖsŒhîÿáþā塗
材料構成Â影響ÍܺāÞ考¾ÿĂāg通常äĞsŇŔĜ
⑹
ŜĺďŜIJä主成分åĤŒňĬĘĢ粉末ÞēčŔݸāg
布h③ŊĨŔŇĢĘáþā塗布h¸āgİČĢŃŜĞá
þā塗布åĞsŇŔĜŜĺďŜIJĈ広Èā距離Â大ÃÅà
áĞsŇŔĜŜĺďŜIJá使用ËĂܺāĤŒňĬ
ĀhĞsŇŔĜŜĺďŜIJä粘度ä影響Ĉ受ÇúϺgô
Ę Ģ 粒 子 ä SEM}Scanning Electron Microscope~ 写 真
ÕŖsŒhîÿáþā塗布方法åh塗布量äæÿÚÃÂ大
Ĉ示ÏgĤŒňĬĘĢ粒子äĞčģå数 μm ݸāÉÞÂ
ÃÅ品質Â安定Íàºg以上ä理由áþĀĞsŇŔĜŜĺ
分ÁāgĤŒňĬĘĢä凝集粒子ÂĞsŇŔĜŜĺďŜIJ
ďŜIJä厚õĈĜŜıŖsŔÏā方法Ĉ次äÞÀĀáÍÕg
図
Ĉ加圧ÍÜø¸ā一定厚õ以下áàÿàº原因Þ推察ËĂ
① ŊĨŔŇĢĘĈ用ºÜ塗布Ĉ行¼g
āg
② ĞsŇŔĜŜĺďŜIJĈ適切à位置á塗布Ïā}ã
Îä周辺á塗布Íàº~
g
ÓÉÝhĞsŇŔĜŜĺďŜIJä広ÂĀá及òÏ影響á
ÚºÜ考察Ĉ行ÙÕg図
⒜äþ¼áãÎ付近ä高º応力
③ IGBT ŋġŎsŔÞľČŜä間á発生Ïā応力値á
þĀĜŜĺďŜIJ塗布量Ĉ変化ËÑāg
位置áĞsŇŔĜŜĺďŜIJÂ存在ÍÕ場合hŋġŎsŔ
ÞľČŜä間äėŌĬŀå大ÃÅàĀh中央部á力Â伝ą
ÿàº可能性Â危惧}ÃÆ~ËĂāgÚôĀhĞsŇŔĜ
図
áŊĨŔŇĢĘĈ用ºÕĞsŇŔĜŜĺďŜIJä塗
布方法Ĉh 図 0 á富士電機推奨äŊĨŔŇĢĘİğčŜ
ŜĺďŜIJä塗布位置Â広ÂĀá影響Ĉ与¾āÉÞÂ予想
Ĉ示Ïg富士電機推奨ŊĨŔŇĢĘáÀºÜåhãÎ周辺
ËĂāgÓÉÝĞsŇŔĜŜĺďŜIJä初期位置Þ広ÂĀ
áĞsŇŔĜŜĺďŜIJÂ塗布ËĂàºÉÞhFEM 解析
ä関係áÚºÜ調査ÍÕg図
áþĀ算出ÍÕ応力値Áÿ各位置á必要àĞsŇŔĜŜĺ
áãÎ周辺部äĜŜĺďŜ
IJä有無áþāĞsŇŔĜŜĺďŜIJ広ÂĀ性Ĉ示Ïgã
ďŜIJ量Ĉ塗布Ïāþ¼á設計Íܸāg
Î位置áĞsŇŔĜŜĺďŜIJĈ塗布ÍÕĞŜŀŔ A å
次á塗布方法ÞĜŜĺďŜIJ広ÂĀá必要à最低ĜŜĺ
中央部分ÂľČŜá接触ÍܺàºgãÎä周辺áĜŜĺ
ďŜIJ厚õ}塗布量~ä関係áÚºÜ調査ÍÕg実験å同
425（ 69 ）
富士時報 Vol.82 No.6 2009
図
IGBT モジュールのサーマルマネジメント技術
メタルマスクを用いたサーマルコンパウンド塗布方法
図
サーマルコンパウンド塗布方法と広がり率の関係
推奨メタルマスクデザイン
IGBT モジュールをセット
サーマルコンパウンド
広がり量（％）
特 集
メタルスキージ
メタルマスクにて塗布
（開始時）
一般的メタルマスクデザイン
100
90
80
70
60
30
50
70
90
110
130
150
サーマルコンパウンド厚み（ m）
（塗布しているコンパウンド量からの平均算出値）
メタルマスクにて塗布
図
メタルマスクをはずす
推奨メタルマスクデザイン
ローラ塗布
ディスペンサ塗布
ねじ周辺部：コンパウンドを塗布しない。
コンパウンドは粒子径以下につぶれないため，力の加わるねじ周辺
部にはコンパウンドがない方が良い。
図
サーマルコンパウンド塗布方法と IGBT チップ温度の関係
チップ温度（℃）
116
ディスペンサ塗布
ローラ塗布
114
一般的なメタルマスクデザイン
112
推奨メタルマスクデザイン
110
加圧力の大きいねじ周辺部のコンパウンド密度は低く中央部は高い。
加圧力に比例しサーマルコンパウンド最適量を配置した。
一ä IGBT ŋġŎsŔ}Ğčģ 119 mm×59 mm~
hľČ
ŜĈ用ºhĞsŇŔĜŜĺďŜIJå HTC-01K Ĉ使用ÍÕg
図
áĞsŇŔĜŜĺďŜIJä塗布方法ÞĞsŇŔĜŜ
0
50
100
150
200
サーマルコンパウンド厚み（ m ）
（塗布しているコンパウンド量からの平均算出値）
実験áå同一 IGBT ŋġŎsŔhľČŜĈ用º IGBT
ĪĬŀá 80 A 印加Íh5 分経過後äĪĬŀ温度Ĉ IR ĔŊ
ŒáÜ測定ÍÕg図
áÀäÀää塗布方法áÀÇāĞs
ĺďŜIJä必要最低厚õ}塗布量~ä関係Ĉ示ÏgŖs
ŇŔĜŜĺďŜIJ必要最低厚õÞhÓĂÔĂä厚õáþā
ŒĈ用ºÕ場合áåh約 100 μm äĞsŇŔĜŜĺďŜIJ
IGBT ĪĬŀ温度測定結果Ĉ示ÏgĞsŇŔĜŜĺďŜIJ
厚õ分ä質量Ĉ塗布ÏāÉÞáþĀ IGBT ŋġŎsŔÞ
塗布方法áþÙÜ IGBT ĪĬŀ温度Â異àāÉÞÂ分Áāg
ľČŜ間全面áĞsŇŔĜŜĺďŜIJÂ広Âāg一方h富
富士電機推奨äŊĨŔŇĢĘĈ用ºÕÞÉăh従来ä塗
士電機推奨äŊĨŔŇĢĘĈ用ºāÉÞáþĀh約 50 μm
布方法Þ比較Í最大Ý 6 ℃ IGBT ĪĬŀ温度Â下ÂāÉÞ
ôÝĞsŇŔĜŜĺďŜIJä厚õĈ薄ÅÍÜø IGBT ŋ
Ĉ確認ÍÕgIGBT ĪĬŀ温度åhIGBT ŋġŎsŔĈ用
ġŎsŔÞľČŜ間全面áĞsŇŔĜŜĺďŜIJÂ広Âā
ºÕ製品áÀºÜ寿命h効率á影響Ĉ与¾ā最ø大Ãà因
ÉÞÂ分Áāg
子ݸāg富士電機推奨ŊĨŔŇĢĘĈ用ºāÉÞáþĀh
以上ä結果Áÿh最適àŊĨŔŇĢĘĺĨsŜĈ用ºÜ
適切à量äĞsŇŔĜŜĺďŜIJĈ塗布ÏāÉÞÂ可能Þ
塗布ÏāÉÞÂ有効ݸĀh富士電機推奨äŊĨŔŇĢĘ
àāgIGBT ŋġŎsŔĈ用ºÕ製品áÀÇā接触熱抵抗
İğčŜĈ用ºāÉÞáþĀhĞsŇŔĜŜĺďŜIJä塗
ä低減Â実現ÝÃāg
布量ä最適化á大Ãà効果¸āÉÞÂ分ÁÙÕg
あとがき
.
チップ温度へ及ぼす影響
塗布方法Â IGBT ŋġŎsŔäĪĬŀ温度á及òÏ影響
áÚºÜ調査ÍÕg
426（ 70 ）
IGBT ŋġŎsŔĈ用ºÕ製品ĠĢįʼnáÀÇāĞsŇ
ŔŇĶġŊŜı方法ä一ÚÞÍÜhĞsŇŔĜŜĺďŜIJ
富士時報 Vol.82 No.6 2009
ä塗布方法áÚºÜ検討ÍÕ結果h次äÉÞÂ明ÿÁá
àÙÕg
åĜŜĺďŜIJä塗布位置Â影響Íܺāg
⑸ 高久拓ñÁ. IGBTŋġŎsŔä損失j温度ĠňŎŕsĨ.
富士時報. 2008, vol.81, no.6, p.438-442.
⑹ 美田邦彦. IT関連ä熱管理対策材料ä開発 ĠœĜsŜ系熱
伝導性材料. 日本ĝʼn協会誌. 2005, vol.78, no.4, p.153-157.
⒝ ĞsŇŔĜŜĺďŜIJä塗布áå最適à位置Þ量Â
¸āg
以上ä結果ÁÿhĞsŇŔĜŜĺďŜIJ塗布á最適àŊ
西村 芳孝
ĨŔŇĢĘİğčŜä提案Ĉ行ÙÕgĞsŇŔĜŜĺďŜ
ĺŘs半導体äĺĬĚsġŜęÀþéċĤŜĿœ
IJä塗布方法ĈÀ客Ëôá開示ÍÜh富士電機ä IGBT ŋ
設計技術開発á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ
ġŎsŔĈ使ÙܺÕÖÃh装置ä高効率化ú省đĶŔ
株式会社半導体事業本部半導体統括部ĺĬĚsġj
実装技術部g日本材料学会会員hđŕĘıŖĴĘ
ėsá貢献ÍܺÅ所存ݸāg
Ģ実装学会会員g
参考文献
大野田 光金
⑴ 安保達明ñÁ. 大容量風力発電ÞĺŘsđŕĘıŖĴĘĢ.
ĺŘs半導体äĺĬĚsġŜęÀþéċĤŜĿœ
電気学会誌. 2009, vol.129, no.5, p.291-294.
⑵ Onozawa, Y. et al. Development of the next generation
設計技術開発á従事g現在h富士電機ĠĢįʼnģ
株式会社半導体事業本部半導体統括部ĺĬĚsġj
実装技術部g
1,200 V trench- gate FS- IGBT featuring lower EMI noise
and lower switching loss. ISPSD 2007. p.13-16.
⑶ 小林靖幸ñÁ. 最新技術Ĉ用ºÕ新ĜŜĤŀıIGBT-PIM.
富士時報. 2006, vol.79, no.5, p.358-361.
⑷ Nishimura Y. et al. Development of a New - Generation
RoHS IGBT Module Structure for Power Management.
百瀬 文彦
MIChIGBT ŋġŎsŔäĺĬĚsġ開発á従事g
現在h富士電機ĠĢįʼnģ株式会社半導体事業本
部半導体統括部ĺĬĚsġj実装技術部g
Transaction of the Japan Institute of Electronics Packaging.
2008, vol.1, no.1.
427（ 71 ）
特 集
⒜ IGBT ŋġŎsŔÞľČŜä間á発生Íܺā応力
IGBT モジュールのサーマルマネジメント技術
主要事業内容
電機システム部門
富士電機システムズ株式会社
富士電機機器制御株式会社
ドライブ分野［駆動システム，汎用インバータ，サーボシステム，モータ，無停電電源装置，交通向け機器・システム］
，
産業プラント分野［産業電源，施設用電機設備，クリーンルーム設備］
，発電プラント分野［火力発電設備，地熱発電設備，
水力発電設備，原子力発電関連設備］
，オートメーション分野［センサ，情報システム，計測システム，工業計器，コントロー
ラ，放射線管理システム，エネルギーソリューション］
，器具分野［電磁開閉器，マニュアル・モータ・スタータ，操作表
示機器，配線用遮断器，漏電遮断器，高圧真空遮断器，低圧・高圧ヒューズ，ガス警報器，エネルギー監視機器］
電子デバイス部門
富士電機システムズ株式会社
富士電機デバイステクノロジー株式会社
半導体分野［パワー IC，IGBT モジュール，パワーディスクリート，複合デバイス，圧力センサ］
，感光体分野［プリンタ
･ 複写機用感光体，画像周辺機器］
，ディスク媒体［アルミ媒体，ガラス媒体，アルミ基板］
リテイルシステム部門
富士電機リテイルシステムズ株式会社
自販機 ･ フード機器分野［自動販売機，飲料ディスペンサ，自動給茶機］
，通貨機器［硬貨・紙幣識別装置，金銭処理機，
非接触 IC カードシステム］
，コールドチェーン機器［冷凍・冷蔵ショーケース，店舗用省エネルギーシステム，ユニット
工法店舗］
＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する商標または登録商標である場合があります。
富 士 時 報
第
82
巻
第
6
号
平 成
平 成
21 年 10 月 30 日
21 年 11 月 10 日
印 刷
発 行
定価 735 円 （本体 700 円・送料別）
編集兼発行人
重
発
行
所
富士電機ńsŔİČŜęĢ株式会社
技術開発本部
〒141 - 0032 東 京 都 品 川 区 大 崎 一 丁 目 1 1 番 2 号
（ゲートシティ大崎イーストタワー）
編
集
室
富士電機情報ĞsļĢ株 式 会 社 内
富士時報編集室
〒191-0065 東 京 都 日 野 市 旭 が 丘 一 丁 目 9 番 4 号
富士電機情報ĞsļĢ株式会社
〒191-8502 東 京 都 日 野 市 富 士 町 1 番 地
印
刷
所
兼
壽
夫
電 話（042）585 − 6965
FAX（042）585 − 6539
電 話（042）587 − 5555
発
売
元
株 式 会 社 ē
s
ʼn
社
〒101 - 8460 東京都千代田区神田錦町三丁目 1 番地
電 話（03）3233 − 0641
振替口座 東京 6−20018
2009 Fuji Electric Holdings Co.，Ltd.，Printed in Japan（禁無断転載）
428（ 72 ）
昭和 40 年 6 月 3 日 第三種郵便物認可 平成 21 年 11 月 10 日発行（年 6 回 1，3，5，7，9，11 月の 10 日発行）富士時報 第 82 巻 第 6 号（通巻第 859 号）
本誌は再生紙を使用しています。
雑誌コード 07797-11 定価 735 円（本体 700 円）