IGBT徹底解説：動作原理、用途、メリット、MOSFETとの比較
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、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）、インバーターなど、多数の商業用途を備えています。
しかし、先走りすぎないでください。IGBTがどのように機能するか完全に理解する必要があります。では始めましょう。
IGBTとは正確には何？
IGBTはInsulated Gate Bipolar Transistor（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の略です。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、機能性の観点からさまざまなトランジスタを理解するのが最適です。
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、信号を増幅できます。
他の有用性や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の両方にはそれぞれの好みがあり、相互に利点があります。BJTは低オン状態電圧降下を好み、MOSFETは高入力インピーダンス、低スイッチング損失、二次ブレークダウンがないことが最適です。
IGBTはBJTとMOSFETの両方を組み合わせ、両トランジスタの長所を取り入れています。
したがって、IGBTはスイッチングデバイスとして使用され、信号増幅にも適用可能な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記号
IGBTはBJTとMOSFETを組み合わせているため、その記号も同じ原理に従います。
IGBT記号
記号にも3つの端子があります - コレクタ、エミッタ、ゲート。入力側はMOSFETを表し、出力側はBJTの記号から取られています。
予想通り、伝導端子はコレクタとエミッタです。ゲートは制御端子です。
IGBTの構造
3つの端子（コレクタ、エミッタ、ゲート）はすべて金属層で接続されています。しかし、ゲート端子の金属材料には二酸化シリコン層の絶縁があります。
内部では、IGBT構造は半導体の4層デバイスです。4層デバイスはPNPとNPNトランジスタを組み合わせることで生まれ、PNPN配列を構成します。
IGBT構造
出典：Components101
コレクタ領域に最も近い層は（p+）基板、注入領域です。その上にはN-ドリフト領域があり、N-層で構成されています。
注入活性領域は、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がIGBTの電圧遮断能力を決定します。
ドリフト領域の上にはボディ領域があり、（p）基板で構成されています。エミッタに近い位置にあります。ボディ領域内部には（n+）層があります。
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をJ2とします。同様に、N-領域とボディ領域の間の接合は接合J1です。
注：IGBTの構造は、「MOS」ゲートの観点からトップロジカルにサイリスタと類似しています。しかし、サイリスタのアクションと機能は抑制可能であり、IGBTのデバイス動作範囲全体でトランジスタアクションのみが許可されています。
IGBTは、サイリスタのゼロクロッシング待機に対し高速切り替えが可能なため、サイリスタより優れています。
IGBTの動作原理
IGBTの動作原理は、ゲート端子を活性化または非活性化することでONまたはOFFになります。
ゲートに正の入力電圧がかかると、エミッタがドライブ回路をON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OFFにします。
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、達成す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、ゲイン量は出力電流と入力電流の比率とほぼ同じです。これをベータと呼び、βで表記します。
一方、MOSFETの場合、ゲート端子がメイン電流を運ぶチャネルから絶縁されているため、入力電流はありません。IGBTのゲインは出力電流の変化を入力電圧の変化で割ることで決定します。これによりIGBTはトランスコンダクタンスデバイスとなります。
回路としてのIGBT動作
以下の図を使用して説明します。これはIGBTのデバイス動作範囲全体を説明しています。
回路としてのIGBT動作
IGBTはゲート端子に電圧供給がある場合のみ動作します。これがゲート電圧、VGです。
図に示すように、ゲート電圧（VG）があると、ゲート電流（IG）が増加します。これによりゲート-エミッタ電圧（VGE）が増加します。
結果として、ゲート-エミッタ電圧がコレクタ電流（IC）を増加させます。それにより、コレクタ電流（IC）がコレクタ-エミッタ電圧（VCE）を減少させます。
注：IGBTはダイオードと類似した電圧降下を備え、典型的には2Vのオーダーで、電流の対数とともにのみ増加します。
IGBTはフリーホイーリングダイオードを使用して逆電流を伝導します。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に必須です。パワー電子デバイスはそれがないとパワースイッチで失敗する可能性があるためです。適切な経路がない場合、誘導負荷電流をスイッチオフすると高電圧ピークが発生します。
IGBTと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-エミッタ電圧上昇）、少数キャリアが電流流れの内部再結合、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+）バッファー層の有無に基づいて分類できます。（n+）バッファー層を持つ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+）バッファー層を持たないIGBTはノンパンチスルーIGBT（または単にNPT-IGBT）です。以下はそれらの違いの表です。
絶縁ゲートバイポーラトランジスタはさらに特性に基づいて分類できます。PT-IGBTとNPT-IGBTのデバイス設計概念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いです。同時に、非対称絶縁ゲートバイポーラトランジスタは順方向ブレークダウン電圧が逆方向ブレークダウン電圧より大きいです。
これは対称IGBTが主にAC回路で適用可能であることを意味します。一方、非対称IGBTはDC回路で適用可能で、サポートされる逆電圧を必要としないためです。
IGBTモデル
IGBT動作原理を使用する回路は通常、SaberやSPICEのような回路シミュレーターを使用したモデリングを特徴とします。
シミュレーターはIGBT（および他の実際のデバイス）をモデル化し、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。
さらに精密な予測のために、熱と温度がシミュレーションプロセスに含まれます。IGBTのデバイス設計概念で最も一般的なモデリング方法は：
- 物理ベースモデル
- マクロモデル
SPICEシミュレーターはマクロモデル法を使用し、ダーリントン構成を使用してMOSFETとBJTなどのさまざまなコンポーネントを組み合わせます。
IGBT動作原理 - 電気的特性
IGBTが電圧に依存して機能するため、デバイスは伝導を維持するためにゲート端子にわずかな電圧供給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したベース電流流を必要とするバイポーラパワートランジスタとは対照的です。
同時に、IGBTは単方向デバイスであり、「順方向」（コレクタからエミッタ）でのみスイッチングします。
これは、双方向電流スイッチングプロセスを持つMOSFETとは対照的です。実用デバイスでは、MOSFETは順方向で制御可能で、逆電圧では非制御です。
動的条件下では、デバイスがオフに切り替わるときにIGBTがラッチアップ電流を経験する可能性があります。継続的なオン状態駆動電流が臨界値を超えるように見えるとき、これがラッチアップ電流です。
また、ゲート-エミッタ電圧が閾値電圧を下回ると、少量のリーク電流がデバイスを流れます。この時、コレクタ-エミッタ電圧は電源電圧とほぼ等しくなります。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動作原理 - IGBTの用途
IGBTはMOSFETやBJTと同様に小信号アンプで使用できます。しかし、IGBTは両方の長所を活かし、低伝導損失と高スイッチング速度を特徴とします。
IGBTの用途は、ステレオシステム、列車、VSF、電気自動車、エアコンなど、最新の電子デバイスのほとんどにあります。
IGBT vs 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、高電流構成で最適です。逆に、MOSFETは低電圧、高スイッチング周波数、中電流領域で最適です。
IGBT vs MOSFET
出典：Researchgate
IGBTは高スイッチング損失のため、20kHz未満のスイッチング周波数を持つ実用デバイスで使用可能です。
まとめ
IGBTが何であり、MOSFETやBJTとどう異なるか理解していただけたことを願っています。IGBTについてご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！
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