パワーデバイス概要

クイックインデックス — BJTおよびMOSFETの範疇を超えた、その他の重要なパワー半導体デバイス

デバイス概要

IGBT (絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)

本質

MOSFETのゲート + BJTの出力 = 両者の利点を結合

     G (ゲート, 電圧制御, MOSFETのように)
     │
  ┌──┴──┐
  │ IG  │
  │ BT  │
  └──┬──┘
     │
     C (コレクタ)
     │
     E (エミッタ)

入力: 高インピーダンス電圧制御 (MOSFETのように)
出力: 低い飽和電圧降下 (BJTのように)

特性

応用

• モータードライバー (インバーターエアコン、電気自動車)
• 誘導加熱 (IHクッキングヒーター)
• UPS、インバーター
• 新幹線牽引、電力網

MOSFETとの選択基準

高周波・低電圧 (<200V) → MOSFET
低周波・高電圧 (>600V) → IGBT
中間帯域 → SiC MOSFETがIGBT市場を侵食中

JFET (接合型電界効果トランジスタ)

MOSFETの前身。チャネルはPN接合によって制御される

NチャネルJFET:
  Vgs ≤ 0 (デプション型、デフォルトでオン)
  Vgsがより負になるほど → チャネルが狭くなる → Idが小さくなる

特徴:
- 極めて低いノイズ (酸化膜界面トラップノイズがない)
- 高入力インピーダンス
- デプション型 (デフォルトでオン)

応用: ローノイズプリアンプ、オーディオ、RF
MOSFETに置き換えられつつあるが、ローノイズ分野では依然として地位を維持

サイリスタ (Thyristor / SCR)

4層PNPN構造。一度トリガーされると導通状態がロックされる

     A (アノード)
     │
  ┌──┴──┐
  │ PNP  │
  │ NPN  │
  └──┬──┘
     │
     G (ゲート → トリガー用)
     │
     K (カソード)

トリガー: ゲートパルス → 導通してロック
オフ: 電流が維持電流以下まで低下 (交流のゼロクロスで自然にオフ)

特性

• ONのみ制御可能、OFFは制御不可 (半制御デバイス)
• 導通電圧降下が低い (~1.5V)
• 大電力 (MW級)
• 周波数は商用周波数に限られる

応用

• フェーズコントロール調光器 (ディマー)
• ソフトスタート装置
• 高電圧直流送電 (HVDC)
• IGBTに徐々に置き換えられている

Triac (トライアック)

逆並列接続された2つのSCRを統合したもので、交流双方向導通

応用: 交流調光、交流モーター速度制御、ソリッドステートリレー (SSR)
典型モデル: BT136, BTA16

SiC (炭化ケイ素) と GaN (窒化ガリウム)

広帯隙半導体の利点

        Si       SiC      GaN
Eg:    1.12eV   3.26eV   3.4eV
耐圧:   低       高       中
周波数:   低       中       極高
成熟度: 最も成熟   比較的成熟   発展中

SiC MOSFET

利点:
- 耐圧 650V〜3.3kV
- スイッチング損失が極めて低い
- 高温動作 (>200°C)
- Rds(on)の温度係数が小さい

欠点:
- 高価 (Si MOSFETの3〜5倍)
- ゲート駆動の要件が厳しい (Vgs範囲が狭い)
- 本体ダイオードのVfが高い (~3V)

応用: 電気自動車用牽引インバーター、OBC、太陽光インバーター

GaN HEMT

利点:
- 極めて高速なスイッチング (MHz級)
- 本体ダイオードなし (逆回復なし)
- 小型パッケージで高出力密度

欠点:
- 耐圧が低い (<650V)
- ゲートが非常に脆弱 (耐圧 ±6V!)
- ESDに敏感

応用: スマホ急速充電器 (65W/120W GaN充電器)、LiDAR、5G基地局

クイック選択ガイド

キーワード: IGBT, JFET, SCR, サイリスタ, Triac, SiC, GaN, 広帯隙, パワーデバイス