IGBTとその機能とは

紹介

電力電子の分野では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）が重要な役割を果たしている。金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）とバイポーラ結晶トランジスタ（BJT）の利点を組み合わせた。本文はIGBT及び各種応用における基本機能を全面的に理解することを目的とする。

IGBTとは

IGBTは絶縁ゲートバイポーラトランジスタを表す。BJTの低飽和電圧とMOSFETの高入力インピーダンスとスイッチング速度を組み合わせたトライエンド半導体装置である。IGBTは、MOSFET入力段をBJT出力段の上部に配置することにより構成される。このユニークなコンポーネントの組み合わせは、高電圧および高電流レベルを処理することができるデバイスを生成します。

構造と動作原理

IGBTのオン状態では、ゲート端子に正電圧が印加されると、Pベース領域に影響する電界が発生する。この電場により、PベースからNドリフト領域に少数のキャリア（この場合は正孔）が注入される。その結果、Nドリフト領域に導電チャネルが形成され、コレクタとエミッタの間に電流が流れることができる。

導電性チャネルの形成は、Pベース領域に対する電界の変調に起因する。電界はPベースとNドリフト領域の間の空乏領域の幅を減少させ、注入された正孔がNドリフト領域に到達できるようにした。このプロセスは導電率変調効果と呼ばれている。

導電率変調効果は、従来のMOSFETに対するIGBTの顕著な利点である。これにより、IGBTは過大な電圧降下を受けることなく高電流密度を処理することができる。その結果、IGBTはBJTと同様の低飽和電圧特性を維持しながら、より高い電力レベルで動作することができる。

IGBTのオフ状態では、ゲート電圧はゼロまたは負の値に設定される。これは、Nドリフト領域への少数キャリアの注入を阻止する空乏領域の拡張をもたらす。その結果、導電性チャネルは中断され、IGBTはオープンスイッチとして現れ、コレクタとエミッタ間の電流を遮断する。

IGBTのオン状態とオフ状態との間の高速スイッチングの能力は、モータ制御や電力変換などの高周波スイッチングを必要とするアプリケーションに適している。IGBTはMOSFETと同様の高入力インピーダンスと高速スイッチング速度の利点を提供するとともに、BJTの低飽和電圧と電流処理能力を提供する。

要約すると、IGBTの構造及び動作原理は、ゲート電圧によって生成される電界によってPベース領域を変調することに関する。この変調により、IGBTをオン状態で低抵抗スイッチとして、オフ状態でオフスイッチとして使用することができる。導電率変調効果により、IGBTは低電圧降下を維持しながら高電流を処理することができ、電力電子応用における重要な部品となる。

IGBTの機能

パワースイッチ：IGBTの主な機能の1つは、さまざまなアプリケーションでパワースイッチを行うことです。高電圧と高電流を処理することができ、モータ駆動、再生可能エネルギーシステム、大電力工業設備などのシステムにおける電力の流れを制御するのに適している。

増幅：IGBTはオーディオおよび無線周波数（RF）アプリケーションにおいて増幅器として使用することもできる。ゲート端子に小さな信号を印加することで、IGBTはスピーカや遠距離伝送信号を駆動できるように、より高い電力レベルに増幅することができる。

パルス幅変調（PWM）：IGBTはPWM技術に広く用いられ、負荷に送られる平均電力を制御する。高速スイッチIGBTにより、デューティサイクルを調整して電力出力を調整することができる。PWMは通常、モータ制御、無停電電源（UPS）、および速度調整可能なドライバに使用されます。

電圧と電流調整：IGBTは高電圧と高電流レベルを処理する能力があり、電力システムにおける電圧と電流調整に重要である。これらは安定した電圧レベルを維持し、過負荷を防止し、損傷から敏感なコンポーネントを保護するのに役立ちます。

参照先：世界的なIGBT不足 (https://www.nevsemi.com/blog/global-igbt-shortage-cause-future-outlook)

結論

要するに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は高電圧と高電流を処理する能力があり、電力電子における重要な部品である。そのMOSFETとBJT特性の独特な組み合わせは、広範な応用の中で効率的な電力スイッチ、増幅、PWM制御と電圧/電流調節を実現することができる。IGBTの機能と動作を理解することは、電力電子分野のエンジニアや技術者にとって非常に重要です。