オン・セミコンダクターのモータ制御用IGBTとフリーホィール・ダイオード

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オン・セミコンダクターのモータ制御用IGBTとフリーホィール・ダイオード

AND9088/D
オン・セミコンダクターの
モータ用IGBTと
フリーホィール・ダイオード
要約
モータ御にIGBTを用するには、いくつかの特
が必要であり、これらは2つのカテゴリにで
きます。短絡格と(SOA)はデバイス
の牢性を示すものです。また、損とスイッ
チング・エネルギー損はデバイスの&率の目と
なるものです。このアプリケーション・ノートで
は、オン・セミコンダクターのIGBTとフリーホィー
ル・ダイオードについて検討します。また、モータ
用のIGBTを択するときに、耐8性の9、
損の9がどのようにわってくるかについても
示します。モータ御ならではの特殊性もいくつか
ありますので、それについても検討します。
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APPLICATION NOTE
IGBTのG般的な用の1つは、I源インバータ
(VSI)uのスイッチング素{です。G般にインバー
タは源やモータ御に用されます。このような
コンバータにIGBTを用する|な}点は、コンバー
タの簡素z・モジュールzがれること、ゲート・
ドライブが易であること、(SOA)が
iいためスナバuがV要であること、スイッチン
グ損がlいこと、流と短絡にする護特性
にれていること、パワー・コンバータの気的・
機械的構が簡素zされることです[1]。IGBTはこ
れらの}点によって、普に弾みがつき有望なデバ
イスとなっています。
はじめに
IGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)
は、?@インピーダンスの
い、Bきなバイポーラ
流を流せる、という2つの特徴をCえたD数キャ
リア・デバイスのG種です。IGBTは、?@特性が
MOSトランジスタ、H@特性がバイポーラ・トラン
ジスタのようなものですので、I御Jのバイポ
ーラ・デバイスと見なせます。このMOS?@とバイ
ポーラH@は1KのLMチップNにりまれま
すが、Oなスイッチング特性を発揮させるには
P、QRダイオード(フリーホィール・ダイオー
ド)をSする必要があります。ただしTU的にフリ
ーホィール・ダイオードがV要なWXもあります。
フリーホィール・ダイオードは、YじLMチップ
Nにりむ、Yじパッケージ[に\装する、ある
いはIGBTパッケージのU]ダイオードとすることが
できます。
IGBTは1980^_`に登Wし、パワーLMデバ
イスの歴bにおいて要な節目となりました。
cや、`〜B規模@(数kW〜数MW級)のパワー・
エレクトロニクスにおいてきわめてg気の
い
デバイスとなっており、DC/AC装置や源シス
テムにiく応用されています。IGBTはパワー・エレ
クトロニクスのjくのにしていますが、`で
も
ダイナミック・レンジ御とlノイズが必要な
パルスno調(PWM)サーボやr相といった用
にしています。また、無s源(UPS)やスイッ
チング源(SMPS)のように、スイッチングt波数が
い源uにも用できます。的性能と的&
率を改vする&果やw聴ノイズ・レベルをl減する
&果もあります。また、y振コンバータuにも
しています。l損とlスイッチング損を\
現した最zIGBTも?手できます。
© Semiconductor Components Industries, LLC, 2016
August, 2016 − Rev. 3
電気駆装置
コンセントに直接つなぐACモータ装置は、
本的にH@t波数はGですが、インバータなど
のパワー・エレクトロニクス・デバイスからH@さ
れるIは、Iもt波数もwoなので、給
@t波数とは異なるt波数でACモータをuさせる
のにわれます。
モータ御には|に、woI、wo相、wo
t波数インバータが用されます。パワー・コンバ
ータの目的は、Iとt波数をwo式にし、DCリン
クuからACH@波形を給することです。この
DCリンクにはjくのWX、wo式AC−DCコンバー
タまたはwo式AC−DCコンバータから@が給
されます。Iとt波数がwo式の波形が必要とな
るのは、wo度装置、UPS、アクティブ・フ
ィルタ、補装置などを稼させるWXですが、
にも様々な用があります。
パルスno調によるwo度モータ装置は
IGBTに最な用です。この用では、Figure 1、
Figure 2に示すとおり、IGBTはモータに給される
Iにパルスno調をかけるパワー・スイッチとし
て用されます。モータの度、置、磁トルク
を御することが目的です。G般にIGBTは波整流
ラインでさせる必要があります。そのため､
230 VACラインI?@のWXは600 V格、575 VAC
ラインI?@のWXは1,200 V格のデバイスが必
要になるw能性があります。&率にれたこの種の
t波装置の設計にはIGBTがしています｡
1
Publication Order Number:
AND9088JP/D
AND9088/D
スは、かつ護機構がするまでに耐え
ることができなければなりません。短絡に強いデバ
イスは、で確\なモータを\現します。
IGBTには、「
Iをブロックする」「スイッチン
グt波数が
い」「損がさい」という特
があるためです。モータ装置に用するデバイ
1ph/3ph Transformer
Voltage Source Inverter
1ph/3ph Rectifier
DC link
AC Mains
Load
C
M
Master
(PC)
Gate
Driver
Microcontroller
Figure 1. Typical AC Motor Drive Application
iく用されている最もG般的なコンバータのu
構成TをFigure 1とFigure 2に示します。Figure 1は
気装置のG般的なブロックです。Figure 2は
@u構成をよりM的に示したものです。r相
ブリッジ・インバータのフロント・エンドにダイオ
ード整流を置した構成となっています。この整
流(相またはr相)は、AC?@をレギュレーショ
ンされていないDCIにo換します。DCリンクに
った
調波はLCフィルタまたはCフィルタで
され、滑なDCIがインバータに給されます。
インバータは、気機械などの負荷にしたr相AC
を生成する手段として、3つのハーフブリッジまた
はフェーズ・レグで構成されます。DC源の_替
源には、バッテリ、燃料池、!池などがあ
ります。どの_替DC源のWXも、DCIはP
はzされません。バッテリ源のインバータ
AC Mains−
without
transformer
Bridge Rectifier
Filter
Lf
装置は、気自"やハイブリッド自"の
装置にiく用されています。フロント・エンドに
ダイオード整流があるため、このコンバータ・シ
ステムは@生成ができないことに注意してくだ
さい。フィルタ・キャパシタCは、整流、インバ
ータのいずれで発生する
調波も抑えます。
このu構成は、ACH@波形のタイプに従って
I源インバータ(VSI)とみなすことができます。I
源インバータでは、独立して御されるACH@が
I波形となります。これらのu構成はI源とし
てするため、最もiく用されています。これ
は気装置などのjくの用でI源が必要と
されており、かつインバータの_表的な用がI
源であるためです。VSI の _ 表的な u 構成を
Figure 1とFigure 2に示します。
Electrical machine and
mechanical load
Voltage Source Inverter
T1
T3
T5
D1
D5
Fan
Gear
D3
Cf
T4
T2
T6
D2
Mechanical
clutch
D6
D4
Figure 2. Common Topology of Motor Drive
これなら、ライン流をアクティブ・フィルタに
すとY時に、u生ブレーキ・システムで発生した
@を源に戻すことがw能です。
YじDC@をH@するとしたら、相ダイオード
整流には相当
いトランスVA格が必要なことが
明らかです。したがって相ダイオード整流は、
電部の路構成
コンセントIは、Pダイオード・ブリッジで
構成されるライン整流によって整流されます。
現は@のと@率の改vが視されるため、
より源としていやすい、TえばPFCを搭#した
ようなAC−DCコンバータに心が移っています。
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2
AND9088/D
l〜`@用にしかきません。15 kWNの
@をH@するWXは、r相またはj相ダイオード整
流を採用すべきです。Figure 2に示すダイオード・
ブリッジ整流は、zされていないDCIを生
成するのにきわめて要です。ダイオード整流は
シンプルですが､「ライン流のひずみがBきい」
「本波@率が悪い」という欠点があるため、@率
の悪zを招きます。これらの9にするため
に、ライン流のアクティブ波形整形にづく様々
な@率補正(PFC)手法を紹¡します。@率コントロー
ラも、IGBTが要な役¢を果たす用の1つです。
フィルタは、負荷にかかるDCH@Iを滑にす
る手段として整流uによく用されます。フィル
タ・キャパシタは、$がP2〜20 mFとかなりB
きいためコストがかかります。フィルタは、インダ
クタ?@DCフィルタとキャパシタ?@DCフィルタ
の2つにされます。インダクタ?@DCフィルタ
のほうが、整流流の波形率がさくなりトランス
の&率がNするため、B@用に£まれま
す。キャパシタ?@DCフィルタは、積&率を
く
することができますが、Bなターンオン流と繰
り%しサージ流が必要です。そのため、キャパシ
タ?@DCフィルタは@システムにしかしてい
ません。
PWM電!源インバータ(VSI)
G般にインバータには2つの本Jがあります。
1つはI源インバータ(VSI)です。DCリンクにキャ
パシタを用し、スイッチングI波形をモータ端
{にH@するインバータです。もう1つは流源イン
バータ(CSI)です。DCリンクにインダクタを用し、
スイッチング流波形をモータ端{にH@するイン
バータです。CSインバータは、短絡やノイズのjい
環¤に影&を¥けにくいため、U¦に強く§'性が
くなっています。VSインバータは、パルスno調
(PWM)を}用することにより&率的でスムーズな
がw能になるうえに、トルク脈やコギングとは
無縁ですので、CSインバータに比べてG般的です
[1]。またVSIのほうがt波数が
く、たいていは
YG格のCSI装置に比べて¨です。
L
T1
Vdc/2
C1
Vdc
D1
T1
D1
Idc
va0
T4
Vdc/2
C2
D4
T4
D4
Figure 3. Voltage (Left) and Current (Right) Type of Half-bridge Converters
I給方式のコンバータではDCIが給され
るので、パワーLMデバイスはPに)方バイア
スが¬wされます。したがって、IGBTのような自
御J)方ブロッキング・デバイスまたは称
ブロッキング・デバイスがしています。デバイス
の®端には、流する誘流をす経としてフ
リーホィール・ダイオード(QRダイオード)が必
ず接続されます。I給方式コンバータの持つ
要な特性の1つは、H@波形として整形したACI
波形が負荷パラメータに影&されないことです。
°J的なPWMH@のラインIと相Iを相流と
Xわせて、Figure 4およびFigure 5に示します。
G般にI源PWMコンバータは、まずACからDC
へo換し、そのDCをwot波数ACにo換するとい
う2段(でAC−ACo換を行います。コンバータの
本u構成をFigure 3に示します。VSIは©ªのとお
り、?@されたDCIをACIにo換してH@し
ます。H@されるACIとt波数は、用に応じて
wo式のWXとGのWXがあります。「コンバー
タ」というG般©で«ばれている理由は、YGu
がインバータとしても整流としてもできるこ
とにあります。I給方式のインバータは、?@
端にしっかりしたI源が必要です。燃料池や
!池アレイなどもI源として}用できます。
インバータのH@は、相、j相のどちらでもよ
く、方形波、正弦波、PWM波、ステップ波、準方形
波のいずれもw能です。
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3
AND9088/D
Switching waveform,
line A-to-neutral
Switching waveform,
line A-to-line B
Switching waveform,
line B-to-neutral
Figure 4. Phase-to-Neutral and Phase-to-Phase Switching Waveforms
ば、IGBTはさらに
いt波数ででき、モータ
御や源用で既²のMOSFETとOに競¹できる
ようになります。現そのためのºり組みが0行`
です。
B+のモータ装置は絶縁トランスがV要で
すので、スイッチングt波数をw聴より
くして
もほとんどメリットはありません。なぜなら、モー
タにはフィルタ・インダクタンスが[していて、
t波数を
くしても&率の
いモータが設計できる
見みがないからです。
モータ駆におけるIGBT
§'できるパワー・コンバータを設計するうえで
要な9の1つは、パワー・スイッチの§'性で
す。これらの用に用するデバイスは、かつ
護機構がするまでに耐えることができな
ければなりません。インバータはハード・スイッチ
ングを行う_表Tです。このスイッチングで
は、スイッチング・ストレスもスイッチングに±う
@損も、PWMのスイッチングt波数に比Tして
Bきくなります。
IGBTは、すでにモータ御用トランジスタとして
択される²になっています。その理由は、Yじ
チップ・サイズのMOSFETに比べてBきな流が流
せることや、装置のu構成がバイポーラ・ト
ランジスタよりも有}になることなどです。そのう
え、jくのTのIGBTは、VCEsatによる損が、
MOSFETのR DSon と比らべて、さくなる。(これ
は、Gつには、MOSFETの損がドレイン流の³
を|とするのに、IGBTの損はコレクタ流を|
とするためです。)
IGBTの欠点の１つは、[+のPNPトランジスタに
蓄積された荷によって発生する「テール時,」で
す。テール時,に流れるテール流によって、無な)方I.´が生じます。µデバイスは、
損とスイッチング損にして&率的ながで
きるよう最zがられます。テール時,の9は
スイッチング度も¶·します。モータ・コントロ
ーラは4〜20 kHzのスイッチングt波数でする¸
にありますが、gのw聴を考慮して20 kHzが£
まれます。現、テール時,300 ns未満のIGBTが/
発`で、これらのデバイスは15kHzでも良£に
します。テール時,が短くなってV CE がl´すれ
逆&'ダイオード
フリーホィール・ダイオードは、パワー・スイッ
チのコレクタ端{とエミッタ端{の,にQRに置
されます。流流が流れるようにするためです。
このダイオードが必要である理由は、誘性負荷
流をスイッチ・オフしたときに
いピークIが生
じてパワー・スイッチを破»するおそれがあること
です。1相あたりのインバータH@の本構成を
Figure 5に示します。アッパー・サイド、ロー・サイ
ドのパワー・デバイスT1、T4と、フリーホィール・
ダイオードD1、D4で構成されています。構的な1
いのため、IGBTにはMOSFETに形成されるような¼
生ダイオードは²しません。最な方法は、IGBT
とYGパッケージ[にダイオードを\装することで
す。
この9にするためのIGBTはすでにオン・セ
ミコンダクターが製しています。これらのデバイ
スは、エネルギーu生システムのような用にP
に&果的であり、モータ御装置の設計者に支持さ
れています。QRダイオードもスイッチング・デ
バイス自MとY様に、漏れ流がDないこと、)方
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AND9088/D
I.´がさいこと、スイッチング度がい
ことが求められます。ダイオードの)方I.´
とダイオードを流れる½流との積が、そのダイ
オードで発生する損の総$です。この損
だけでなく、u復流がBきいとそのだけス
イッチング損が¾えるおそれがあります。Bきな
u復流に2¿するもう1つの影&は、スイッチ
ングt波数と、スイッチングによって生じるリンギ
ング波形のt波数の®t波数でEMIが発生すること
です。EMIをするには、uにフィルタをS
する必要があります。µパーツをYじパッケージ[
に\装すれば、リンギングのG¿となる¼生インダ
クタンスはBnに減Dします。また、このような形
態のパッケージを設計に用すれば、@損が
減DするとY時に設計&率もNします。
インバータ・レグの1相あたりの本構成と、イン
バータH@I波形をFigure 5に示します。I波形
は、スイッチング状態と流のきに応じてozし
ます。インバータH@の1相あたりの本構成は、
アッパー・サイド、ロー・サイドのパワー・デバイ
スT1、T4、およびQRダイオードD1、D4です。
Ia
T1
Vdc/2
C1
Vdc
D1
T1 on
t
va0
Ia > 0
T4
Vdc/2
D4
C2
T1 off
va0
T1
drop
Vdc/2
D1
drop
T1
Vdc/2
C1
Vdc
D1
va0
T4 off
D4
drop
Ia < 0
T4
drop
t
−Vdc/2
T4
Vdc/2
C2
D4
T4 on
Figure 5. Fundamental Topology of a Voltage Half-bridge Inverter and Center-tapped Inverter Output Voltage.
Left: Switching States and Current Direction. Right: Output Voltage and Line Current
パルス*+調(PWM)
普、1つのインバータ・レグに用される2Kの
パワー・スイッチは、G方がオンなら方は必ずオ
フになります。したがって、インバータuは3K
(r相インバータのWX、Figure 2Á照)の2ポジショ
ン・スイッチに純zすることができます。正負い
ずれかのDCバスIが短時,、モータのいずれかの
相に¬Sされます。パルスno調(PWM)とは、スイ
ッチングされるIパルスnをozさせることによ
り様々なH@t波数とH@Iを生成する方法のこ
とです。PWMで生成されるH@Iの½は、µ
PWMt期における準IをGの率で調整した
に等しくなります。
PWMにはµ種の方式があります。よく知られてい
るものとしては、正弦波PWM 、ヒステリシス
PWM、空,ベクトルo調(SVM)、最PWMなどが
あります。最PWMは、択的
調波、&率改
v、トルク脈の極zなど、特の性能準の最
zをることを本とする手法のことです。正弦
波PWMおよびヒステリシスPWMはアナログ的な手
法で\現できますが、それUのPWMはマイクロプ
ロセッサを用する必要があります。
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5
AND9088/D
Vref
Va
Vb
Vc
t
Va0
Upper IGBT on
Vdc/2
t
−Vdc/2
Lower IGBT on
Vb0
Vdc/2
t
−Vdc/2
Vc0
Vdc/2
t
−Vdc/2
Figure 6. The Rule of Sinusoidal PWM Generation (SPWM)
核を成す²です。システムは、ポンプ、ファ
ン、製紙ÈW、繊維ÈW、エレベータ、気自
"、É´5、Ê製、6@発システム、サー
ボ、ロボットÈË、コンピュータt7機、製8
所、セメントÈW、船舶@など、j様な用にn
iく用されています。機械は、気的、機械的、
熱的に複9な構物です。しかし機械の0zは、
パワーLMデバイスやパワー・エレクトロニクス
・コンバータの0zに比べて緩やかでした[1]。
あらゆる種のÌ流機の`でも、È業では誘
機、特にかご形が最もよく用されています。
これらの機械は、経済性、牢性、§'性がPに
く、1:@´から数メガワット級までµ種提
されています。H@の機械は相方式で提され
ますが、wo装置でG番よく用されている
のはj相(r相)方式の機械です[1]。Figure 7に°J的
な誘機を示します。Figure 8には、機械から負荷ま
での標準的な機械的結Xを示します。
Figure 6に示すように、相ごとにノコギリ波の搬3
波と準Iが比4され、GのPWMパルスがr相
すべてに生成されます。このo調方式は「正弦波P
WM」と«ばれます(「自然標本zPWM」とも«ば
れる)。その理由は、パルスnが、準§Äにおける
角度置の正弦波数になっているためです。PWM
t波数は搬3波t波数とYGですが、Pは準
Iのt波数よりもかなり
いため、PWMの1t期の
時,くらいでは準Iはほとんどozしません。
スイッチング状態に応じて、正負いずれかののDC
バスIがµ相に¬Sされます。o調段では、Å
のDCバスIと準Iが算されます。その結
果、モータÆ線に直接¬SされるBきなパワー・パ
ルスまでスイッチング§Äを¾nするという、イン
バータによる最終的な¾n 理が補されます。
電気機械および機械的負荷
気的エネルギーを機械的エネルギーに、あるい
はそのにo換する気機械は、システムの`
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6
AND9088/D
モータが接続される機械的負荷には、純なもの
や複9なもがあります。Figure 8は機械的負荷のGT
です。慣性Jを持つ機械ロータが、機械度w、瞬時
置qでしながら、トルクTを生みHします。
モータ・シャフトはP、機械的クラッチによって
接続されます。モータ度はギアの機械的結Xによ
ってozします。2次ギアが負荷(このTではファン)
に;結されています。このTに示したµ機械的負荷
の特徴は、度(T ≈ w2)にしてトルクが放物線的に
ozすることです。
Figure 7. The Typical Induction Machine Construction
Induction Machine with inertia J
Mechanical gear
Mechanical load-fan
Mechanical Clutch
w
T
T
w
q
wl
Tl
q
Jl, T(w) ∝ w2
Figure 8. Simple Mechanical Load for a Motor
モータ用IGBT
「ターンオフ時のスイッチング損(Esw(off))」
「オン状態でのI.´(VCEsat)」「IGBTのチップ
・デザインにおける牢性」、このr者は本的に
相れないことがよく知られています。標準的なÈ
業用IGBTは、G般的なスイッチングt波数が10 kHz
´のモータなどの用に最zされているの
が普です。これらの用では損が支的に
なる¸があるので、IGBTチップは本的にVCEsat
がlくなるように最zされます。その、白物Ê
用気装置などの用では、システムMの
w聴ノイズをl減するために、さらに
いt波
数が必要になることもよくあります。これらの
t
波数を}用する用では、ダイナミック損が支
的になって、IGBTの最Bスイッチングt波数が<
されることがjくなります。
ハード・スイッチングとスイッチング損2
IGBTをモータ御に用いるWX、;続負荷流で
の抵抗性・誘性負荷のハード・スイッチングが必
要になるWXがほとんどです。すなわち、負荷の時
数(L/R)がスイッチングt波数のt期(1/fsw)よりも
はるかにいということです[4] 。モータ御に
IGBTを}用する_表Tが、ハード・スイッチングを
応用したI源インバータ(VSI)です。
ハード・スイッチング・インバータのデバイス波
形(Figure 9でIGBTのターンオンとターンオフをÁ照)
には、£ましくない現象がいくつかあります。これ
らは ´ のとおり要約できます[1] 。
(a)スイッチング：ターンオンおよびターンオフ
・スイッチングのどちらも、I波形と流波形が
なっているため、Figure 9の演算トレース(M)に示
すとおりBきなパルス状の@損が生じます。
µサイクルでわれるエネルギー$はGなので、
スイッチングt波数が
くなるほど、スイッチング
@損が¾Bします。
Vce
Vce
Ic
Ic
Pon
Poff
Figure 9. IGBT Turn-on and Turn-off Dynamics. Blue: Vce, Pink: Ic, Red: Ploss
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7
AND9088/D
スイッチング損による@損は次式で求まりま
す。
P SW + ǒE on ) E offǓ @ f SW
B+のオシロスコープにはこの算を\行でき
る演算機能がCわっています。この機能があれば、
スイッチングA移`のエネルギーが求められるの
で、そのエネルギーとスイッチングt波数の積をと
ると、スイッチングA移`の@損が得られま
す。
(eq. 1)
もう1つの9は、損が¾えるとÏÐシステムに
負担がかかることです。\>、インバータのPWMス
イッチングt波数を
くできない理由はスイッチン
グ損です。(b) デバイス・ストレス：ハード・スイ
ッチングのWX、スイッチング?@がI流(VA)
エリアの`で、デバイスにストレスがかかるアクテ
ィブ[を移します。ハード・スイッチング
が引くと、デバイスの§'性が損なわれるおそ
れがあります。これがハード・スイッチング用で
パワー・デバイスに牢性が求められる理由の1つ
です。データ・シートの(SOA)曲線
は、デバイスが損Ñするおそれのある<界を示
しています。(c) EMI：dv/dtおよびdi/dtがBきい
WX、あるいは
デバイスのスイッチングA移に
よって¼生リンギングが現れるWXは、EMI9が
生じるおそれがあります。EMIは御uとそのt
7装置に影&をÒえるおそれがあります。¼生漏れ
インダクタンスや結Xインダクタンスも、はさ
くても誘I(Lｷdi/dt)がBきいため、EMIの発生源
になり得ます。Y様に、Bきなdv/dt渡が発生する
と、¼生$をじて御u[にコモン・モード
結X流(Cｷdv/dt)が流れることがあります。(d) のにする：Ó{Æ線絶縁MのMの
dv/dtが
いと、Bきなo流(Cｷdv/dt)が生じるw
能性があり、それによって機械の絶縁性能がÔzす
るWXがあります。(e) の：最C、スイ
ッチング・デバイスにIGBTを用いたPWMインバー
タ装置が機械のD¥流9を2こすことがÕ
明しました。これはIGBTの
スイッチングのため
です。IGBTをスイッチングさせると、Bきなdv/dtが
生じ、機械のシャフトと絶縁D¥の浮E$をじ
て流(=Cｷdv/dt)がグラウンドに流れることになりま
す。この流がD¥の×Øを縮めます。(f) !
への#$：PWMインバータはいケーブルで機械
に;結しなければならないことがよくあります。
インバータH@端でdv/dtが
いと
t波の0行波が
ÅÙし、機械端{IがN昇します。機械端{に
は、uの浮E¼生成のために
t波リンギング
が生じます。その結果生じるBきなIがモータ
の絶縁を破»しかねません。Figure 12のr角形から
わかるように、最zにはハード・スイッチングの
いくつかの特性がÚしています。
スイッチング損とは、ターンオンおよびターン
オフ・スイッチングA移`に消Fされる@損の
ことです。PWMのスイッチングt波数が
いと、
Bきな損が生じるおそれがあるので熱設計で考慮
しなければなりません。スイッチング損を求める
最も正確な方法は、スイッチングA移`のIcとVceの
®波形をプロットすることです(Figure 9、Figure 10
Á照)。ポイントごとに®方の波形の積をとれば、瞬
時的な@波形が得られます。
3通損2
損とは、IGBTまたはFWDがオン状態で流
が流れているときに発生する損のことです。
時の@損は、オン状態Iとオン状態流の
積で計算されます。PWMのWX、½@損を求
めるには損にデューティ比を算する必要が
あります。損の1次CÛは、IGBTのVCEsatの
格とデバイスの½流の期待との積で求まり
ます。ただし、ほとんどのアプリケーションで\>
の損はこれよりさくなります。これはIcの格
よりも流がDないWX、VCEsat はデータ・シー
トよりもlいためです。IGBTおよびFWDの
損は、モータ御装置Mの損にとってBきな
+をÜめています。これらの損は、VCEsat およ
びVfパラメータからほぼ読みºれます。スイッチン
グt波数が比4的lいため、w能な<りVCEsat を
さくしています。短絡能@を強zするために、しば
しば)方I.´とスイッチング度のトレード
オフがられます。
Ic
Pcon
Vce
Figure 10. IGBT Conduction Dynamics
Blue: Vce, Pink: Ic, Red: Ploss
フリーホィール・ダイオードの損は、デー
タ・シートのVfとダイオードの期待½流の積
で概算できます。
GI、キャリア×Ø、デバイスÝなどのIGBT
のプロセス・パラメータをozさせれば、SOA、
オン状態I、スイッチング時,の様々な組みXわ
せがw能です。ただし、2つNの性能パラメータ
をY時に最zできることはほとんどありません
[2]。これがVCEsatがプロセス最zのための3要素の
1つである理由です。
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8
AND9088/D
ハード・スイッチングにおけるFWDの重要性
い,、
ダイオードの要性はH視されてき
ました。従来は、フリーホィール・ダイオードを
用するとIGBTスイッチの性能が損なわれていたから
です[4]。しかし、オン・セミコンダクターのフリー
ホィール・ダイオードは要な役¢を果たしてお
り、IGBTとY様の最zプロセスがMzされてい
ます(Figure 12をÁ照)。まず、&率の観点からいえ
ば、@損のB+は損です。この+
の損をPによく表す指標が)方I.´(Vf)
なので、Vfは最zプロセスで考慮すべき要な要
素の1つです。
IGBTがターンオンするとすぐに、フリーホィール
・ダイオードは整流を行い、短時,だけu復
流が流れます。ターンオン`は、IGBTがフリーホ
ィール・ダイオードの流を引き継ぎます。VI
Xなことに、IGBTにピーク流が流れている,、
IGBT の I はDC リンク I レベルのままです
(Figure 9をÁ照)。これがIGBTのターンオン損が最
Bになる瞬,です。つまり、u復時,がIGBTのタ
ーンオンに直接影&をぼすということです。
また、u復流が急Þにozするとシステムのノ
イズがjくなるため、このu復はß滑かつソ
フトでなければなりません。すなわち、Figure 12か
らわかるように、u復流も最zプロセスで考慮
すべき要素の1つであるということです。
Vce
Ic
Vce
Pcon
Poff
Ic
Figure 11. FWD Turn-off and Conduction Dynamics. Blue: Vce, Pink: Ic, Red: Ploss
フリーホィール・ダイオードにとってY様に要
な要áが的耐8性です。Figure 11を見ると、DCリ
ンクIのほぼ+がフリーホィール・ダイオード
にかかり、Bきなテール流が流れたままであるこ
とがわかります。IGBTのスイッチングがPにい
WX、流とテール流がN昇し、Y時にIGBTの
ブレークダウンIがl´し、流がフリーホィー
ル・ダイオードを流れるようになり、dv/dtはそれぞ
れ
くなります。流をJぶ荷キャリアのâ度は
最ãのドーピングâ度よりも
くなるため、フリー
ホィール・ダイオードはターンオフ`に{なだれ
を2こします。これによりc度は、接X+のキャリ
アがäきるまでブレークダウンIがl´し、キャ
リアがäきるとブレークダウンIはPレベルに
戻ります。フリーホィール・ダイオードの的耐8
性は、整流時の
di/dtおよび
DCリンクIに
する応能@として義されます[4]。
パワー・スイッチング・デバイスが破»故を2こ
さずにできる流−I−@¤界として義さ
れます。IGBTのは、IGBTが»れずに
できる最Bコレクタ・エミッタ,IVceおよ
び最Bコレクタ流Icによって義されます。IGBT
の牢性と§'性は、いくつかのSOA曲線によって
数zできます。スイッチング、オン状態、発パ
ルス、それぞれのSOA曲線があります。短絡能
@は、短絡(SCSOA)で示されます。
スイッチング能@は、)方バイアス
(FBSOA) 、バイアス (RBSOA) 、
クランプ誘スイッチング(UIS)で示されます。
FBSOAは誘性負荷と組みXわせるWXに要な特
性であり、RBSOAはターンオフA移時に要です。
UISは
スイッチングuで要です。´、
それぞれの義を簡にKべます。
• SCSOA：コレクタ・エミッタ,Iとコレクタ
流がPにBきいときに、G時,[にゲート
Iでトランジスタを御できる能@のこと。
• FBSOA：規のLåコレクタ流で許できる
最Bコレクタ・エミッタ,Iのこと。
IGBTの4牢性と5頼性
ªKのとおり、IGBTはハード・スイッチング時に
はVceとIcのÚがほぼ矩形特性となる状況にで
きなければなりません。SOA ()は、
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9
AND9088/D
• RBSOA：ターンオフ・モードのときに、PにB
•
ッケージのような標準的なディスクリート・パッケ
ージとしてすでにPçされています。このIGBTは、
特にモータ御用として
まる要áを満たすために
/発された技術盤をベースにしています。この種
の用にしてw能な<り
いèé点を探すべく、
セル構、製プロセス、H発ê料を最zしてい
ます。Figure 12に示すr角形は、IGBTおよびそのフ
リーホィール・ダイオードの設計に絡むトレードオ
フ・プロセスを式zしたものです。r角形の3つ
のQ点はそれぞれ、損、スイッチング損、
牢性を表しています。
キャリア注?&率をNげて、×Øを縮めれば、
スイッチング損は減りますが、それでは損
が¾えてしまいます。短絡に耐えられる能@は、
短絡流をl減する設計にo更すれば改vされます
。しかし、スイッチング損のWXとY様、短絡
格を改vすれば損が¾Sしてしまいます
[6]。
とはいえ、損をl減しながらの2つの要素
に悪影&をぼさない設計パラメータがあります。
それをオン・セミコンダクターのIGBTで\現しまし
た。その結果、オン・セミコンダクターのIGBTは、
R
スイッチング度をS成しながら、lい
損と
い短絡能@を維持しています。
きなコレクタ・エミッタ,Iとコレクタ流に
トランジスタが耐えられる能@のこと。
UIS：UIS試Mを行うと、クランプ誘負荷によ
ってアバランシェモードになったときにに理できるエネルギー$がわかります。
オン・セミコンダクターは、牢性、§'性のあ
らゆるNについてIGBTの最zをっています。
短絡能@は、IGBTをブリッジとして}用するときに
要な特徴の1つです。その理由は、モータ相に接
続されたIGBTの®端にかかるDCIの短絡経と
してIGBTが用されることがあるからです。IGBT
は、用ごとに異なる時,にわたって、このような
短絡に耐えることができなければなりません。
また、気装置はPに苛Oな条áで用され
ることがjく、そのぶんIGBTにかかるストレスもB
きくなります。オン・セミコンダクターは、モータ
御用、およびそののブリッジ用として、最短
絡時,10 msのIGBTを設計しました。
IGBTのトレード・オフ
オン・セミコンダクターは、Yじパッケージ[に
フリーホィール・ダイオード(FWD)を\装した、
耐I600 Vの新æ_IGBTを/発しました。TO−247パ
Vceon
DC losses (volts)
Vf
DC losses (volts)
optimize
SWITCHING
trise, tfall (nsec)
Eon, Eoff (uJ/amp)
Fast, but soft (intangible)
optimize
Ruggedness & Reliability
Short Circuit (usec)
UIS (mj)
FBSOA, RBSOA
SWITCHING
trr, Qrr (ns, nC)
Soft Recovery
Dynamic Ruggedness
Manage high di/dt
Figure 12. The IGBT and FWD Trade-off Triangle
フリーホィール・ダイオードはモータ装置に
Vw欠な要素です。オン・セミコンダクターは最
C、フリーホィール・ダイオードのu復の度
およびソフトネスの改良にけてPにBきなG歩
をTみHしました。求められる流およびdi/dt範ë
Mにわたって、スイッチング度の
zとu復
のソフトzのために最zをっています。
これらの特性は、IGBTのターンオン損とEMIの発
生をl減するだけでなく、そのの渡流もさ
くする&果があります。
換することです。負荷にÒえられるAC波形はt波数
範 ë1.0 〜120 Hz です。このAC 波形は、IGBT を
4.0〜20 kHzのPWMt波数でスイッチングして生成
されます。 _ 表的な H @ I 波形をFigure 4と
Figure 15に示します。
最CのIGBT/発では、モータ装置で}用する
>に、)方I.´(VCEsat)特性とテール時,によ
るスイッチング度<との,のトレードオフに焦
点を当ててきました。テール時,は、IGBT[+のバ
イポーラ接Xトランジスタに蓄積される荷とÚ
があり､VCEsatの¾Bを犠牲にすれば短縮できます。
G般に、キャリアが¾えると、VCEsat はさくなり
ますが、スイッチング度がUくなります。に、
IGBT製8を比較するためのモータ駆装置試験構成
モータ御システムに用いるIGBTとフリーホィー
ル・ダイオードの目的は、DCバスIを正弦波にo
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10
AND9088/D
キャリアが減ると、VCEsat はBきくなるがスイッチ
ング度がNがります。これまでに短絡能@を強z
しながら、スイッチング時,と)方I.´の®
方の最zを目指した技術/発がいくつか行われて
きました。´、woモータ装置に用され
るいくつかのIGBT製の性能を考ìしてみます。
オフラインの3 kWモータ御試Mベッドを用し
て、600 V、15 AのIGBTの性能を試Mしました。
様になっています。これらのIGBT 6Kが、t波
数10 kHz、r相、3 kWのwoモータ・コントロー
ラのブリッジuに組みまれました。ついで、
試Mシステムを用して、様々なæ_のIGBTが評¨
されました。Figure 13は、It波数(VF)御方式
(オープンループまたはクローズドループ)、磁界方
御方式、直接トルク御方式のいずれかを用い
た試Mシステムのブロックです。Mの試Mベッ
ドは、モータシステムと負荷システムに
けることができます｡®者はクラッチで機械的に;
結されています｡エネルギーは、誘機によって
気的エネルギーから機械的エネルギーにo換されま
す。この機械的エネルギーは、もう1つの負荷誘
機(発機)によって気的エネルギーにu生された
後、;結されている負荷デバイスによって熱エネル
ギーとして放散されます。
3 kW<+速駆装置の試験構成
最C、オン・セミコンダクターからIGBTの新シリ
ーズが発çされました。その`には、格600 V､
15 A のIGBT が í まれています。これは相の
120 Vrmsまたは230 VrmsのÈ業用装置けのデ
バイスです｡これらのIGBTは、モータ御用に
耐
8zがられており、短絡流に10 ms耐えられるî
DC Voltage
generated by
Rectifier or
PFC
JTAG EMULATOR−
Remote control,
allows tune overall
data processing
system directly in apps
and interface
Meas Udc
AM
ia, i b, ua, ub −
phase quantities
Speed & temp
sensors
AM
Mechanical
clutch
Source machinery
Speed & temp
sensor signals
Software tuning,
software loading
i a, ib, U dc, idc
USB
PWM signals
JTEG
Errors
Temp meas
Electronics for signal adaptation
Drivers &
Protection
Current &
Voltage
sensors
PWM
Err information
from protective
circuits and vice
versa
Direct
communication−
data, commands
USB
Meas idc
General Purpose I/O
DC Voltage
generated by
rectifier plus
dynamic brake
Software & Hardware
programming tools
Motor Drive
Load Drive
Digital
Signal
Processor
Figure 13. Block Structure of Laboratory Test Set-up
ラボで用している試Mベンチの本構成でもあり
ます。最新のモータ御システムはほとんどが、
マイクロコントローラまたはDSPを用してモータ
§Äの理とIGBTスイッチの御を行っています。
モータ技術はjくのË9にまたがる複9
な技術の1つです。モータ技術を極めるには、
パワーLMデバイス、コンバータu、気機
械、機械ÈË、御{u、マイクロプロセッ
サ、DSP、ASIC、御理論、パワー・システム、
CAD、コンピュータシミュレーションの知識が必要
です。磁ï渉やこのようなシステムの¥素{に
する知識だけでなく、それに±うðV的設計、
製、試M技法にする知識もY様に要です[1]。
検Hパラメータが複9でj数あるため、§Ä 理
uに特に注意することがBñです。モニタする必
要がある§Äには、I、流、アナログ、デジタ
ル、直Ìなど、様々な形式があります。気装
置をñに機能させるには、複数の§Äを検H、
理、o換し、さらにO護することが必要です
[3]。システムのフロー・ブロックをFigure 13に示
します。このはオン・セミコンダクターのIGBTの
モータ駆装置に=用するIGBTの試験
オン・セミコンダクターの新しいIGBTの&率を理
解する手段として、そのIGBTをr相モータシス
テムに組みみ、管理された条á´で波形と温
度の測と析を行いました。的測として、
IGBTのコレクタ流とコレクタ・エミッタ,I
をオシロスコープで測しました(測方法の詳細は
Figure 14をÁ照)。これらのは、ACライン流の
正弦波のLt期のピーク]Cで測したものです
(Figure 15をÁ照)。µデータは、オシロスコープで
測した後、PCで理しています。
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11
AND9088/D
Phase
current−Iph
DC link
voltage−Vdc
Collector
current−Ic
Current
probe
Bus
Collector−
Emittor
voltage−Vce
Voltage
probe
Diode
current−If
Figure 14. The Measurement Block Structure
スイッチングt期1uの時,で計算された損エ
ネルギーについてµIGBTを比4します。つまりこの
エネルギーは、1サイクルのスイッチング波形の
ピークを表しているということです。測条á
は、Vdc = 300 V、Ic = 14 A (約3 kWH@に相当)、
Rg = 22 W、VGE = 15 V、fsw = 10 kHz、Tj ≈ 100°Cの
でGにちます。どのIGBT製についても、
Yじ試M条á、Yじ試M構成で測をº得しまし
た。
コントローラのAC波形がoするため、IGBT
MのI.´を測するのはòWです。そのため、
Figure 14に示したó法を用してVCEsat を測し
ました。比4用にデバイスの温度を測するた
めに、IRカメラを用してIGBTのケース温度を検知
しました。
Va_line
Trigger point
Ia
Va_ph
Vb_line
Figure 15. Output Line (Blue and Turquoise) and Phase Voltages (Real Value
should be Vph/3) together with Phase Current (Pink Waveform)
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AND9088/D
IGBTおよびFWDの損2の評>
既²のLMスイッチング製を用するときに
は、理想的なスイッチは²しないので、目的の用
に最で&率損が最もDないデバイスを択し
なければなりません。
IGBTのようなパワー・デバイスを比4する方法の
1つは、@損またはエネルギー損を比4する
ことです。パワー・スイッチング・デバイスにおけ
る@損には、損、オフ状態のブロッキン
グ損、ターンオン・スイッチング損、ターンオ
フ・スイッチング損があります。\>には、ブロ
ッキング損は無視されます。
Vge
90%
10%
t
Ic
Vce
90%
Eon
10%
Tdon
Eoff
Tr
Tdoff
Teon
Tailing collector
current
Tf
t
Teoff
Ton
Toff
Figure 16. IGBT Current and Voltage Turn-on and Turn-off Waveform Parameters
ターンオン・エネルギー損Eonは、Icが10%レベ
ルにSした時点からVceが90%レベルにl´した時点
までの@損波形(P(t) = Ic(t)*Vce(t))のN積として
義されます。ターンオン・エネルギー損$は|
に、フリーホィール・ダイオードのu復にô
²します[5]。IGBTのターンオンおよびターンオフ
`の本的なターンオンおよびターンオフ・パラメ
ータをFigure 16に示します。ターンオフ・エネルギ
ー損Eoffは、Vceが10%レベルにSした時点からIc
が90%レベルにl´した時点までの@損波形
(P(t) = Ic(t)*Vce(t))のN積として義されます[5]。
は、ブロッキングIと漏れ流の積です[1]。VSI
に用いるIGBTの損はVCEsatだけで決まるわけ
ではありませんが、このIは、結果として生じ
る損をPによく表す指標です。Figure 17は
IGBTの`の波形です。このを見ると、コレク
タ・エミッタ,I、コレクタ流、そして結果と
して得られたVCEsat を計算した時,,Xがわかりま
す。Figure 17は、標準的なプレーナJとオン・セミ
コンダクターのトレンチJ(パンチ・スルーがない)
で、結果として得られたLåIを比4したで
す。Y的測ではなく、モータ御装置をかして
測したものです。®者のLåIの1いがBき
く、このオシロスコープのスクリーン・ショットで
はっきりわかります。
IGBTおよびFWDの3通損2の評>
@損は、デバイス流と)方LåI
の積として簡に求まります。ブロッキング損
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13
AND9088/D
ON Trench
PLANAR
Measurement
Figure 17. Conduction Dynamics Comparison of ON Semiconductor
First and Second Generation Trench with Planar Technologies
これはすべての製を象に、\>の用状態で
流と時,の数としてVCEsat (温度は100°C)を測
したです。グラフからわかるように、新しいIGBT
はVCEsatがBきくl´しています。VCEsatの_表が
l´しただけでなく、プロセス;パラメータのば
らつきがDないため、オン・セミコンダクターの
IGBTはより積極的なî様を設することがw能とな
りました。注目すべきは、これらのモータ御用
IGBTのスイッチング度の犠牲なしでこの改良を\
現したことです。
最新の
スイッチング・デバイスには、フリー
ホィール・ダイオードとして
ダイオードが必要
です。スイッチがターンオンするたびに、フリーホ
ィール・ダイオードは状態からブロッキング状
態にñり替わります。これらのダイオードはR
でなければなりませんが、u復がソフトである
ことや)方Iがlいことも必要です。IGBTコン
バータのフリーホィール・ダイオードは、モータ、
発機、モータõ発機のどれで用されるのかに
応じて、様々な要求öZに応できなければなりま
せん。
Figure 18. Trade-offs between Conduction and Switching Losses
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14
AND9088/D
VCEsatとYじように、VSIに用されるフリーホィ
ール・ダイオード(FWD)の損はVfだけで決ま
るわけではありませんが、このIは結果的に生
じる損を表すのにPによい指標です。イン
バータでは@率が正(cos(q)>0)であり、m*cos(q)
= 1のWXにLM素{の@損が<界にSします
(mはo調指数)。このWX、フリーホィール・ダイオ
ードの損は最ですが、オン状態の損(したがっ
てIGBTMの損)はすでに最BにSしていま
す。整流(cos(q)<0)では、m*cos(q) = −1のWX
にLM素{の@損が<界にSします。このW
X、フリーホィール・ダイオードの損は最Bです
が、オン状態の損(したがってIGBTMの損)は
すでに最にSしています。この理由から、オン
・セミコンダクターはVfとスイッチング性能と®方
の最zをっています。スイッチング装置におけ
るフリーホィール・ダイオードの性能(Figure 18)
は、オン・セミコンダクターの最zダイオードと
ハイパファースト・ダイオードを比4したもので
す。モータ御ではスイッチング性能が要なの
で、I.´を考慮してスイッチング損の最z
をります。
IGBTおよびFWDのスイッチング損2の評>
ダイオード[+の蓄積荷は、状態からブロ
ッキング状態にñり替わるときに放されなければ
なりません。その結果、ダイオードに方流が
流れます。この流波形がu復の特徴です。
°J的なターンオフのと比4をFigure 19に示し
ます。ここで、ピーク流、持続時,、荷が最
な結果を得るための要な役¢を果たしています。
Figure 20に、ターンオフA移`のシリコン・ダイオ
ードのu復と本パラメータを示します。タ
ーンオフA移するときの¸きdi/dtは、Iとインダ
クタンスによって決まります。t0 の時点で流がゼ
ロ・レベルよりl´し、twの時点でダイオードがブ
ロッキングのを/øします。trrmの時点で
流が最BにSします。trrmをぎると、流は漏
れ流のレベルに落ち着きます。この流特性はダ
イオードによって異なります。流が急Þに落ち
むは､ファースト・リカバリと«ばれます｡
流の落ちみが急Þでないは、ソフト・リカ
バリと«ばれます。u復時,trrは、t0 から、
流がIrrmの20%にSするまでの時,と義されま
す。trrをtfとtsとに細すれば、u復の$が
義されます[4]。
ON FWD
Hyper Fast
Figure 19. Reverse Recovery of FWDs
ダイオードのターンオン損はさいので、ダイ
オードのu復はスイッチング損にBきく影
&します。オン・セミコンダクターは、スイッチン
グ損を最zするようºり組んでおり、Figure 21
に最zプロセスの結果を示します。
モータ御でのスイッチングt期を1u測すれ
ば、@損の[訳についてPに要なデータが
º得できます。ターンオン損、u復損、
損の影&はきわめて明白です。しかし、Figure 21
からわかるとおり、PにjくのWX、スイッチン
グ損はダイオードの@損のさな+しか
Üめません。方、ターンオフ現象はIGBTのターン
オン損にBきく影&します。
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AND9088/D
t0
Id
Vd
trrm
Ts
Tf
Reverse
recovery time
Trr
Turn-off loss
Edoff
Tw
0.2−Irrm
di
dt
Reverse recovery charge
Qrr
Max. Reverse recovery current
Irrm
Irrm
Vm
Figure 20. Current and Voltage Characteristic of the Reverse Recovery
Transient of a Soft-recovery Diode and Definition of the Recovery Behavior
G般に、IGBTのスイッチング損への影&はu
復のほうが要です。ソフト・リカバリÚ数は
u復の$として義できます。このÚ数sは
s = tf/tsなど、いくつかの方法で計算できますが、
普[的目標はu復時波形が急Þにならずソフトな波
形になることです。つまりsを極@Bきなにつこ
とです。最zプロセスでは、スイッチング度と
ソフト・リカバリのバランスをとるとY時に、
)方I.´も極@さくしなければなりませ
ん。
Figure 21. Switching versus Conduction Losses of FWDs
誘負荷に}用するWX、IGBTのターンオン・ス
イッチング損は、FWDのu復にBきく¶·
されます。FWDがu復しDCリンクIをすべてブ
ロックしøめた後でないと、ターンオン・プロセス
はùúしません。ダイオードのがUく、しかも
そのu復流渡現象が負荷にSわると、それだ
けターンオン・プロセスの時,はくなります。ス
イッチング時,は、ゲート?@Iを
くし、ゲー
ト抵抗をさくすることにより、IGBTの流N昇率
および応するFWDの流減D率を
めることによ
って短縮できます。u復が²するため、ターン
オン時,の短縮には<界があります。u復を
zするには、û\なu復I渡現象の発生と
度なEMIの生成をu]するためにターンオン時の
di/dtをさくする必要があります｡そのG方で､FWD
のをソフトにしたほうが、IGBTのターンオンを
zできます。したがって、このような用で
は、
でソフトなリカバリを行うFWDがP
に要です。これは、ダイオードをG緒にパッケー
ジzしたG;の製を設計することによってオン・
セミコンダクターがすでに\現しています。
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AND9088/D
ON FWD
Hyper fast FWD
Figure 22. IGBT Turn-on
タ御に}用するWXは、発機としての`や
モータ`にダイオードが整流としてする
ことがあるため、ダイオードの損が支的に
なります。したがって、&率のよいダイオードにと
っては、u復A移時のdv/dtとそのdv/dtがIGBTのタ
ーンオン損と損とのバランスにぼす影&
がPに要です。このバランスはFigure 18から明
らかです。
最zの目標は、さな流ピークでのター
ンオンのR
zです。Figure 22は、IGBTのターン
オンにするダイオードの影&について、オン・セ
ミコンダクターの標準的なフリーホィール・ダイオ
ードとハイパファースト・フリーホィール・ダイオ
ードとを比4したです。µ波形を見ると、ハイパ
ファースト・ダイオードのほうが応答がく、それ
だけ@損もlいことがわかります。しかしモー
ON Trench
PLANAR
Figure 23. IGBT Turn-off
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AND9088/D
テール流はターンオフをMOSFETよりUくする
望ましくない特性の1つです。ã期のIGBTは、ター
ンオンはかなり
でしたが流の立ち´がり時,
はマイクロ秒でした。また、テール時,がい
ため、PWMの御ロジックのデッドタイムをO
くとらないとテール流が0になりません。この時
,,X(フリーホィール・ダイオードのu復に
よって決まる)によってターンオン時の@損が¶
·されます。IGBTのターンオフ度は、PNPトラン
ジスタのベースであるNドリフト[の蓄積荷
(D数キャリア)の×Øによって<されます。この
ベースには物理的にアクセスできないので、U的な
手段でNドリフトから蓄積荷をG掃する方法
でスイッチング時,を改vすることはできません。
蓄積荷をできるüGの方法は、IGBTの[+で
結Xすることです。結X時,を
zする手法
としては、×Øを犠牲にする従来の方法や、ターン
オフ時にN+バッファýでD数荷を^める方法がよ
く用されます。Figure 23は、オン・セミコンダク
ターのトレンチJ製とプレーナJ製とを比4し
たです。波形からわかるように、現行の設計では
デッド時,をPに短くできるので、スイッチング
度がいモータ御用にしています。
?損2の評>
新しく従来よりれたIGBTやFWDを最zすると
きに、IGBTとFWDでþ々にエネルギー損を測
できれば便}です。Sえて、IGBTとFWDの®方と
も、ターンオン損、損、ターンオフ損な
どが、スイッチング時,,XごとにKþに測でき
ることも望まれます。この測で、エネルギー損
[訳の情報が得られるので、1スイッチングt期お
よび特条áにおけるパッケージ[+の熱発生がど
こで2きているかを知る手がかりとなります。
Figure 24. IGBT’s Total Losses Distribution
B20 kHz)、損よりもスイッチング損のほう
が支的になります。IGBTとFWDでþ々に損を
測すれば、損の[訳を知ることができますの
で、用に最なデバイスを択するうえでPに
有用です。Figure 25は、IGBTとFWDを組みXわせた
ときの損とスイッチング損の[訳を示して
います｡
Figure 24は、オン・セミコンダクターのトレンチ
JIGBT (FWD]き)と従来のプレーナJ
IGBT
( ハイパファースト・ダイオード ] き) について､
IGBTMの@損の[訳を示したです。ダイオ
ードの@損の[訳はFigure 21に示してありま
す。測は、スイッチングt波数10 kHzで行い、
損が支的という結果になりました。しかし、
スイッチングt波数を
くすると(モータ御では最
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Figure 25. IGBT plus FWD Power Losses Distribution
G般にパワー・エレクトロニクスuでは、IGBT
もダイオードも|にスイッチとしてします。
1uのスイッチング・サイクル[でも、また1uのモ
ータt期[でも、IGBTとダイオードは様々なY
的状態および的状態になります。どの状態にあっ
ても、@損+またはエネルギー損+が1
つは²するので、LMとそのtëが熱せられま
す[4]。つまり、1uのモータt期における損
は、すべてのスイッチングt期で生成された損
の総åであるということです。この損を気的
に測することはPにòWですが、損を比4
する手段として、特システム[のケース温度を測
することはw能です。そのWX、P状態におい
て、熱抵抗はüGの比T数であり、どの測でも
Yじです。
Figure 26. Steady State Temperature Measurement as Total Loss Comparison
と、どちらの製の@損がlいかを易にÕ断
できます。
Figure 26は、モータ御装置に用したときのオ
ン・セミコンダクターのプレーナJ製とトレンチ
J製を比4した測のグラフです。これを見る
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@考資料
[1] Bose, K. Bimal: Power Elektronics and Modern
Electric Drives. New Jersey: Prentice Hall, 2002.
ISBN 0−13−016743−6.
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Available from World Wide Web:
<http://www.semikron.com/skcompub/en/
SID−1FEE9DCF−814E68FB/application_manual_
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[5] IXYS, “Power Semiconductors Application Notes”
IXYS Corporation, 3540 Bassett Street, Santa Clara
CA 95054, and Phone: 408−982−0700.
[6] ON Semiconductor, AN1541/D − “Introduction to
Insulated Gate Bipolar Transistor”. 5005 East
McDowell Road Phoenix, AZ 85008 USA.
ON SemiconductorびON SemiconductorのロゴはON SemiconductorというをうSemiconductor Components Industries, LLC しくはその
のび/またはの
におけるです。ON Semiconductorは、、、トレードシークレット()とのに!する"を# します。ON Semiconductorの$%/
の&'!(リストについては、*+のリンクからご-いただけます。www.onsemi.com/site/pdf/Patent−Marking.pdf. ON Semiconductorは./なしで、0123の$%の45を
6うことがあります。ON Semiconductorは、いかなる7の8での$%の&9:について#;しておらず、また、お<=の$%において>?の@'や'からAじたBC、
に、DE、FE、GHなIJなどKLのIJに!して、いかなるBCもMうことはできません。お<=は、ON SemiconductorによってNOされたサポートやアプリケー
ションSTのUVにかかわらず、すべてのWX、YZ、[\:の]^あるいは_の`aをbむ、ON Semiconductor$%を'したお<=の$%とアプリケーションについてK
LのBCをMうものとします。ON Semiconductorデータシートやd=1にeされるfg:のある「_」パラメータは、アプリケーションによってはkなることもあり、lm
の:gもnFのopにより4qするfg:があります。「_」パラメータをbむすべてのrパラメータは、ご'になるアプリケーションに@じて、お<=のstuvw
においてxyz;されるようお{い|します。ON Semiconductorは、そのやそのの"の+、いかなるライセンスも}しません。ON Semiconductor$%は、A~
や、いかなるFDA (%%)クラス3の、FDAがしないにおいてKもしくはのものとyされる、あるいは、へのを!(
としたにおける]%などへの'をしたはされておらず、また、これらを'!(としておりません。お<=が、このようなされたものではない、fさ
れていないアプリケーション'にON Semiconductor$%をまたは'した9、たとえ、ON Semiconductorがその%のまたは$にしてp があったと¡¢され
たとしても、そのようなせぬ'、また£fの'に¤した¥¦§から、DE、¨はFEにAじるすべてのクレーム、ª'、IJ、oª、および«¬®などを、
お<=のBCにおいて¯°をお{いいたします。また、ON Semiconductorとその±²、³²、
、¤
、´µ¶に!して、いかなるIJも·えないものとします。
ON Semiconductorは¸'¹§/º»¼½¸'¡です。この¾®は&'されるあらゆるWの!(となっており、いかなる¿WによってもÀÁすることはできません。
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