スイッチング損失の低減が可能な世界初のダブルゲート構造の逆導通型IEGTを開発

2022年6月15日

東芝デバイス＆ストレージ株式会社
株式会社　東芝

東芝デバイス＆ストレージ株式会社（以下、東芝デバイス＆ストレージ）と株式会社東芝（以下、東芝）は、電力の制御等に用いられるパワー半導体において、世界で初めて^注１のダブルゲート構造を採用した4500V耐圧の逆導通型IEGT^注２注３を開発しました。本技術により、従来のゲート制御を行わないシングルゲート構造と比較して電力のオンとオフが切り替わるスイッチング時の電力損失（以下、スイッチング損失）を24%低減^注４できることを確認しました。

電力を供給、制御する役目を果たすパワー半導体は、あらゆる電気機器の省エネルギー化やカーボンニュートラル実現に不可欠なデバイスです。近年、カーボンニュートラルに向けた世界的な省エネの潮流が高まっていることを背景に、高耐圧や大電流動作を特徴とするIEGTは、大容量インバーター、高電圧直流送電（HVDC）システムなどで広く採用されており、大電流化・低損失化・高効率化・省電力化を追求する動きが加速しています。IEGTにおける電力損失は、IEGTがオン状態の際の電力損失（以下、導通損失）を低減させると、スイッチング損失が増えるというトレードオフの関係にあり、その改善が求められています。

そこで東芝デバイス＆ストレージと東芝は、メインゲート（MG）とは別にホール制御型のコントロールゲート（CG）を設けることで、従来のシングルゲート構造と比較して導通損失を増加させずにスイッチング損失を低減する4500V 耐圧の逆導通型IEGTを開発しました。基板の裏面から表面に電流を流すIEGTモードの時には、ターンオフ時にMGより先にCGをオフすることで、基板中に蓄積されていたホールを減らし、ターンオフ損失^注５を減らします。また、基板の表面から裏面に電流を流すダイオードモードの時には、逆回復の直前にMGとCGを同時にオンすることで、基板中に蓄積された電子を減らし、逆回復損失^注６を減らします。

今回開発したダブルゲート構造の逆導通型IEGTとゲート制御技術を組み合わせることで、従来のシングルゲート構造と比較して、IEGTモードの損失であるターンオフ損失とターンオン損失^注７をそれぞれ24％、18%低減^注４し、またダイオードモードの損失である逆回復損失を32％低減^注４し、導通損失を増加させずにスイッチング損失を24％低減^注４することを、デバイスを試作し実測で確認しました。

なお、東芝デバイス＆ストレージと東芝は本技術の詳細を、5月22日から25日までカナダ・バンクーバー、およびオンラインで開催された半導体国際学会「IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 2022」において発表しました。

東芝デバイス＆ストレージと東芝は、今回開発したダブルゲート構造の逆導通型IEGTおよびゲート制御技術の開発を進め、2025年以降の実用化を目指します。当社は、さまざまなパワーエレクトロニクス応用製品の高性能化に貢献し、カーボンニュートラルの実現に貢献していきます。