東芝、データセンター向け高周波インバーターの高効率化を実現するSiCパワーモジュール技術を開発

図1. 今回開発したSBD内蔵SiC MOSFETのデバイス構造
東芝は、モジュール実装構造の最適化と組み合わせた次世代のショットキーバリアダイオード内蔵炭化ケイ素パワー半導体技術を確立し、デジタルサプライチェーンおよび自動車データエコシステムにおける高速スイッチング動作時の信頼性と低損失性の両立を実現した。

高周波駆動における半導体素子の課題と構造設計
データセンターの高度化や人工知能の普及に伴い、無停電電源装置などの電力変換システムにおける高効率化と高電力密度化が不可欠となっている。千二百ボルト耐圧クラスの炭化ケイ素パワーモジュールは次世代の基盤技術として位置付けられているが、従来のショットキーバリアダイオード内蔵型構造ではチャネル領域とダイオード領域の配置制約から、低オン抵抗化とダイオード通電時の信頼性維持を両立することが困難であった。また、チップ総面積の縮小はスイッチング速度を向上させる反面、熱密度の増加や放熱性能の低下というトレードオフを発生させる。



図2. 今回開発したSiCパワーモジュールの外観

東芝が開発したデバイス構造は、市松模様状のショットキーバリアダイオード配置と深いピー型バリア領域を基本とし、チャネル、ドリフト層、接合型電界効果トランジスター領域の寸法およびゲート駆動条件を統合的に微調整したものである。これにより、深いピー型バリア領域による電界抑制効果を最大化し、電流の局所的な集中を抑制した。この設計最適化の結果、ドレイン・ソース間のオン抵抗は二十五度において一点八ミリΩ平方センチメートル、百五十度において二点七ミリΩ平方センチメートルを達成し、東芝の第三世代構造比較で約五十パーセント低減するとともに、単位面積当たりのダイオード通電能力を約四十パーセント向上させた。



図3. 従来[注3]と今回開発したSiCパワーモジュールのスイッチング特性比較 (当社調べ)

熱管理構造とインバーター総電力損失の低減
この新設計素子を適用した千二百ボルト耐圧パワーモジュールでは、チップ総面積を従来比で約三十六パーセント削減することに成功した。面積削減に伴う熱密度の上昇に対しては、樹脂絶縁基板を用いた実装構造の改良により、単位面積当たりの熱抵抗を従来比で約二十五パーセント改善し、必要な放熱性能を維持している。

スイッチング条件およびゲート駆動速度の最適化を施したシミュレーション解析の結果、六十キロヘルツの高周波動作条件下におけるインバーター駆動において、インバーター全体の総電力損失を第三世代比で約三十パーセント低減できることが実証された。本技術は、再生可能エネルギー分野や産業用電力変換システムの小型化に寄与する。

なお、本技術の具体的な検証データおよび成果は、二千二十六年六月九日から十一日までドイツのニュルンベルクで開催されたパワーエレクトロニクス国際展示会・会議であるパワーコンバージョンアンドインテリジェントモーションヨーロッパ二千二十六にて発表された。



図4. インバーター損失低減効果のシミュレーション結果 (当社調べ)

追加コンテキスト：
本セクションでは、元の製品発表には含まれていない技術仕様および競合ベンチマークの詳細について記述します。

高周波インバーター向け千二百ボルト耐圧炭化ケイ素パワーモジュールの性能評価において、オン抵抗とゲート電荷量の積は高速スイッチング性能を示す重要な指標である。東芝が開発したモジュールは、ワンチップにダイオードを内蔵するアプローチをとるが、これは三菱電機やロームなどの競合企業が採用する独立した炭化ケイ素モスフェットと炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードを並列配置する外付けダイオード方式、あるいは他社製の最新世代ダイオード内蔵構造と直接比較される。

一般的な外付けダイオード方式のモジュールでは、配線インダクタンスが数十ナノヘンリー規模で存在するため、六十キロヘルツ以上の高周波駆動時に大きなサージ電圧とスイッチング損失が発生する。これに対し、東芝の一体型デバイス構造は内部配線インダクタンスを極小化し、ターンオフ時の損失を抑制している。また、標準的な樹脂絶縁基板を採用しつつ熱抵抗を二十五パーセント改善した構造は、より高価な窒化ケイ素や窒化アルミニウムといったセラミックス絶縁基板を使用する競合のハイエンドモジュールに対して、製造コストを抑えながら同等の熱流束処理能力を確保する技術的アプローチをとっている。

Natania Lyngdoh（Induportals編集者）による編集。AI支援を使用。

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