IGBTの動作原理–知っておくべきこと
IGBTは、最も効率的な電子発明の1つです。 IGBTの動作原理は独特であり、AC / DCモータードライブ、トラクションモーター制御、UPS（無停電電源装置）、インバーターなど、数多くの商用アプリケーションが付属しています。
しかし、自分より先に進まないようにしましょう。 IGBTがどのように完全に機能するかを理解する必要があります。だからここに行きます。
IGBTとは正確には何ですか？
IGBTは絶縁ゲートバイポーラトランジスタの略です。これは、高効率で高速スイッチング機能を提供する3端子半導体電気デバイスです。
IGBTをよりよく理解するには、機能の観点からさまざまなトランジスタを理解するのが最善です。
トランジスタ
トランジスタは、2つの主要な機能を持つ小さな電子部品です。照明回路を制御するスイッチとして機能し、信号を増幅することができます。
他の有用性または特定の適用性に基づいて、さまざまなタイプのトランジスタがあります。一般的に使用されるトランジスタは、BJT（バイポーラ接合トランジスタ）、MOSFET、IGBTです。
BJTとMOSFETはどちらも好みがあり、他よりも優れています。 BJTは低いオン状態降下を好みますが、MOSFETは、高いI / Pインピーダンス、低いスイッチング損失、および2次ブレークダウンがないために最適です。
IGBTはBJTとMOSFETの両方を組み合わせているため、両方のトランジスタを最大限に活用できます。
したがって、IGBTは、スイッチングデバイスとして使用され、信号の増幅に適用できる3端子デバイスです。 IGBTは高効率で高速スイッチングを提供します。
IGBTシンボル
IGBTはBJTとMOSFETを組み合わせているため、その記号は以下と同じ原理に従います。
IGBTシンボル
シンボルには、コレクター、エミッター、ゲートの3つの端子もあります。入力側はMOSFETを表し、出力シンボルはBJTのシンボルから取得します。
予想通り、導通端子はコレクターとエミッターです。ゲートは制御端子です。
IGBTの構造
IGBTの3つの端子（コレクタ、エミッタ、ゲート）はすべて金属層で取り付けられています。ただし、ゲート端子の金属材料は二酸化ケイ素層で絶縁されています。
内部的には、IGBT構造は半導体の4層デバイスです。 4層デバイスは、PNPN配置を構成するPNPトランジスタとNPNトランジスタを組み合わせることで実現します。
IGBTの構造
出典：Components101
コレクタ領域に最も近い層は、（p +）基板である注入領域です。右上には、N層を構成するNドリフト領域があります。
注入アクティブ領域は、キャリア（正孔電流）の大部分を（p +）からN-層に注入します。
ドリフト領域の厚さは、IGBTの電圧ブロッキング機能を決定します。
ドリフト領域の上には、（p）基板で構成されるボディ領域があります。エミッターに近いです。ボディリージョン内には、（n +）個のレイヤーがあります。
コレクタ領域（または注入領域）とNドリフト領域の間の接合部はJ2であることに注意してください。同様に、N領域とボディ領域の間のジャンクションはジャンクションJ1です。
注：IGBTの構造は、「MOS」ゲートの点でサイリスタとトポロジー的に類似しています。ただし、サイリスタの動作と機能は抑制可能です。つまり、IGBTのデバイス動作範囲全体でトランジスタの動作のみが許可されます。
サイリスタがゼロ交差を待つ間、高速でトグルするため、IGBTはサイリスタよりも適しています。
IGBTはどのように機能しますか？
IGBTの動作原理は、ゲート端子をアクティブまたは非アクティブにすることでオンまたはオフになります。
正の入力電圧がゲートを通過すると、エミッタは駆動回路をオンに保ちます。一方、IGBTのゲート端子がゼロ電圧またはわずかに負の場合、回路アプリケーションをシャットオフします。
絶縁ゲートバイポーラデバイスはBJTとMOSFETの両方として機能するため、達成される増幅量は、出力信号と制御入力信号の比率です。
従来のBJTの場合、ゲイン量は入力電流に対する出力電流の比率とほぼ同じです。これをベータと呼び、βと表記しました。
一方、MOSFETの場合、ゲート端子は電流を運ぶメインチャネルの絶縁体であるため、入力電流はありません。出力電流の変化を入力電圧の変化で割ることにより、IGBTのゲインを決定します。これにより、IGBTは相互コンダクタンスデバイスになります。
回路としてのIGBTの動作
これを、IGBTのデバイス動作範囲全体を説明する次の図を使用して説明しましょう。
回路としてのIGBTの動作
IGBTは、ゲート端子に電圧が供給されている場合にのみ機能します。 V Gであるゲート電圧です。 。
図に示されているように、ゲート電圧（ V G ）、 ゲート電流（私 G ）増加します。次に、ゲート-エミッタ間電圧（ V ）を増加させます。 GE 。
その結果、ゲート-エミッタ間電圧はコレクタ電流を増加させます（ I C ）。これにより、コレクター電流（ I C ）コレクタ-エミッタ間電圧（ V ）を下げます CE ）。
注：IGBTは、ダイオードと同様の電圧降下を特徴としており、通常は2Vのオーダーであり、電流の対数とともに増加するだけです。
IGBTは、フリーホイールダイオードを使用して逆電流を流します。フリーホイーリングダイオードは、デバイスのコレクタ-エミッタ端子間に配置されます。
IGBT、Siダイオード
出典：Researchgate Publication
内蔵ダイオードはIGBTの要件です。これは、パワーエレクトロニクスデバイスがダイオードなしで電源スイッチに障害を起こす可能性があるためです。スイッチがオフになっているため、誘導性負荷電流は、適切な経路がない場合は常に高電圧ピークを生成します。
IGBTおよびFWDモジュール
出典：Researchgate
絶縁ゲートバイポーラトランジスタがオフになると、N領域からの少数キャリアが外部回路に流出します。空乏層が拡大した後（コレクタ-エミッタ間電圧が上昇）、少数キャリアは電流の内部再結合、つまりテール電流を引き起こします。
IGBTの種類
4層デバイスとして、IGBTは（n +）バッファ層の存在に基づいて分類できます。 （n +）バッファ層を備えた絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、パンチスルーIGBT（または単にPT-IGBT）です。
同様に、（n +）バッファ層のないIGBTは、非パンチスルーIGBT（または単にNPT-IGBT）です。違いの表は次のとおりです。
絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、その特性によってさらに分類できます。 PT-IGBTおよびNPT-IGBTのデバイス設計コンセプトは、対称または非対称のいずれかです。
対称IGBTは、順方向と逆方向のブレークダウン電圧が等しくなります。同時に、非対称絶縁ゲートバイポーラトランジスタの順方向降伏電圧は逆方向降伏電圧よりも大きくなります。
これは、対称IGBTが主にAC回路に適用できることを意味します。一方、非対称IGBTはDC回路に適用できます。これは、サポートされている逆電圧を必要としないためです。
IGBTモデル
通常、IGBTの動作原理を使用する回路は、SabreやSPICEなどの回路シミュレータを使用したモデリングを特徴としています。
シミュレータは、IGBT（およびその他の実際のデバイス）をモデル化して、電気端子の電流と電圧に関する最良の予測を提供できます。
さらに正確な予測のために、熱と温度がシミュレーションプロセスに含まれています。 IGBTのデバイス設計コンセプトの最も一般的なモデリング方法は次のとおりです。
- 物理ベースのモデル
- MacroModel
SPICEシミュレータは、ダーリントン構成を使用して、MOSFETやBJTなどのさまざまなコンポーネントを組み合わせるMacroModelメソッドを使用します。
IGBTの動作原理– 電気的特性
IGBTは機能するために電圧に依存しているため、デバイスは導通を維持するためにゲート端子に供給されるわずかな量の電圧のみを必要とします。
電気的特性
これは、飽和を維持するためにベース領域で連続的なベース電流を流す必要があるバイポーラパワートランジスタの反対です。
同時に、IGBTは単方向デバイスです。つまり、IGBTは「順方向」（コレクターからエミッターへ）にのみ切り替わります。
これは、双方向の電流スイッチングプロセスを備えたMOSFETの反対です。実際のデバイスでは、MOSFETは順方向に制御可能であり、逆方向電圧では制御できません。
動的条件下では、デバイスがオフになると、IGBTにラッチアップ電流が流れる可能性があることに注意してください。連続ON状態の駆動電流が臨界値を超えていると思われる場合、これはラッチアップ電流です。
また、ゲート-エミッタ間電圧がスレッショルド電圧を下回ると、デバイスに小さなリーク電流が流れます。このとき、コレクタ-エミッタ間電圧は電源電圧とほぼ同じです。したがって、4層デバイスIGBTはカットオフ領域で動作しています。
IGBTの動作原理-IGBTのアプリケーション
IGBTは、MOSFETやBJTと同様に、小信号増幅器で使用できます。ただし、IGBTは両方を最大限に活用するため、低い導通損失と高いスイッチング速度を特長としています。
IGBTの用途は、ステレオシステム、電車、VSF、電気自動車、エアコンなど、ほとんどの最新の電子機器にあります。
IGBTとMOSFET
絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、高電圧、低スイッチング周波数、高電流構成に最適です。逆に、MOSFETは、低電圧、高スイッチング周波数、および中電流ドメインに最適です。
IGBTとMOSFET
出典：Researchgate
IGBTは、スイッチング損失が大きいため、スイッチング周波数が20kHz未満の実用的なデバイスで使用できます。
概要
これで、IGBTとは何か、およびそれらがMOSFETやBJTとどのように異なるかを理解していただければ幸いです。 IGBTについて質問や懸念がありますか？お気軽にお問い合わせください！
産業技術