パワーモジュールとは
パワーモジュールとは、複数個のパワー半導体を組合せることにより電源関係の回路を1パッケージのモジュールに集積化した製品のことです。
電源関係のモジュール化により、電子機器の小型化や製造時の生産性改善に寄与させることが可能です。IC (半導体集積回路) の中に必要機能をまとめて低電力設計を行い、最適化を施すことにより、工場などで使われる産業機器や大型白物家電、自動車、鉄道、新エネルギーなど広範な分野で使われるようになっています。
現在もパワーモジュール関連の市場規模は、急成長している状況です。
パワーモジュールの使用用途
パワーモジュールの最も身近な使用例はエアコンや冷蔵庫、洗濯機などに搭載されている「インバーター」です。このインバーターは、周波数を変換することでモーターの回転数を制御できます。
モーターの回転数を自由に変えることによって無駄な動きを減らし、省エネ化に貢献可能です。これに対して、インバーター非搭載のエアコンではモーターのオンオフしかできないためエアコンを動かしたり止めたりという極端な動作の繰り返しで、無駄な電力を消費することに繋がります。
インバーターは、モーターの回転数を制御する用地、HEVやEVといった電動自動車などにも利用されています。自動車の駆動はオンオフのみではなく、タイヤが空転するのを検知し、制御することが重要です。
この制御が行われないと、自動車はスリップを起こしてしまいます。雪が降る地域では安全に効率よくタイヤに力を加える必要があり、モーターの電力を非常にきめ細かく制御することは、特にEVやHEVにおいて重要かつ欠かせないものです。
パワーモジュールの原理
パワーモジュールは、その必要とされる電源用途に最適な複数のパワートランジスタをバイアス駆動回路と共にIC化したものを、周辺の部品と一緒にモジュール化して、パワー動作時の耐圧とスイッチング速度や効率の向上を図っています。また、パッケージや基板の放熱性などにも配慮し、使いやすくしている点が特徴です。
パワーモジュールに広く用いられているパワー半導体の中でも、パワートランジスタは最も応用範囲が広く、半導体や材料メーカーを中心に技術開発が盛んに行われている状況です。パワートランジスタの中にも、以下にあげる複数の半導体デバイスがあります。
1. バイポーラトランジスタ
バイポーラトランジスタは構造がシンプルで大きな電力を扱える代わりに、スイッチング速度が遅く、消費電力が大きいという欠点があり、近年はパワーモジュール用途の主力ではなくなってきています。
2. パワー MOSFET
パワーMOSFET (FET: Field Effect Transistor) は最も高速なスイッチングが行え、消費電力が少ない優れた利点を有しますが、大きな電力を扱いにくいという欠点を併せ持つデバイスです。
3. IGBT
1980 年代に開発された IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ) は、大きな電力が扱うことができます。 MOSFET と比べて、あまり大きくは見劣りしないスイッチングが可能です。回路構成はMOSFET と BJT (Bipolar Junction Transistor) を合わせたような構成になっています。
パワーモジュールのその他情報
1. 次世代パワーモジュールの動向
次世代パワーモジュール用デバイスとして、昨今SiC-MOSFETが注目されています。SiC基板はSi基板と比較して、バンドギャップエネルギーが大きく耐圧が稼げる物性を有しており、MOSFETでもSiC基板で作成することにより、大電力化が可能です。
IGBTはSi基板でも大きな電力を扱えますが、バイポーラ構造に起因するスイッチング速度を上げにくいという課題もあり、大電力でスイッチング速度の速いデバイスであるSiC-MOSFETが次世代パワーモジュール用に現在本命視されています。
これまではSiC基板の弱点であった量産性も、その技術革新に伴い6インチ基板を扱える基板メーカーが出現したこともあり、克服されつつあります。
2. EVにおけるパワーモジュール
自動車のEV化が加速する昨今において、パワーモジュールはますますその必要性を高めています。EVにおけるリチウムイオン電池の電圧は、充電の時間にも関係するために、高速な充電による充電時間の短縮を目指し、またパワートレインといわれるEVのエンジンに相当する箇所の効率化のため、現在の400V程度の電圧から、例えば800Vといった更なる高電圧化が必要とされている状況です。
高電圧で車載用のモーターを制御性良く扱うためには、インバーター回路で発生された交流電流を高速でスイッチングすることが重要であり、ここにパワーデバイスやパワーモジュールが用いられています。
参考文献
https://www.electrical4u.com/insulated-gate-bipolar-transistor-igbt/