EconoDUALパッケージで1200Aを実現する800V用IGBTモジュール
電気自動車（EV）の心臓部であるパワーモジュールの技術革新が、新たな一歩を踏み出した。中国科学院の研究チームは、広く普及しているEconoDUALパッケージを基盤に、800ボルトの高電圧バスラインで1200アンペアという驚異的な電流を扱えるIGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）パワーモジュールの開発に成功した。この画期的な成果は、EVの性能、効率、そして急速充電能力のさらなる向上に貢献するものであり、その詳細は電力工学分野の権威ある学術誌『Journal of Power Supply』に掲載された。
EVの普及に伴い、より短時間で充電できる「超急速充電」が消費者の大きな関心事となっている。従来の400Vシステムに対して、800Vシステムは理論上、充電速度を2倍にできるため、長距離走行時の利便性を飛躍的に高める。しかし、この高電圧化は、車両のパワートレインに大きな負荷をかける。特に、バッテリーの直流電力をモーターの駆動に必要な交流電力に変換する「インバーター」の心臓部であるパワーモジュールに、極めて厳しい要求が課される。従来のパワーモジュールは、銅を直接セラミック基板に接合した「DBC（Direct Bonded Copper）」基板の上に、2次元（2D）的に半導体チップを配置する構造が主流だった。この構造には、大きな「寄生インダクタンス」（parasitic inductance）という致命的な課題があった。インダクタンスとは、電流の変化に抵抗する性質であり、IGBTが高速でスイッチング（オン・オフ）する際に、大きな電圧のサージ（突入電圧）を発生させる。このサージは、モジュール内の半導体チップを破壊するリスクがあり、結果として、より高い電圧やより高速なスイッチングを妨げ、モジュールの出力能力、つまり「電力密度」の向上を阻害してきた。自動車メーカーがより小型・軽量で高出力のインバーターを求める中で、この寄生インダクタンスの低減は、業界全体の共通の課題となっていた。
この難題を克服するために、回 暁双（Hui Xiaoshuang）氏をリーダーとする研究チームは、従来の2D構造から大胆に脱却し、3次元（3D）的なアプローチを採用した。彼らの核心的なアイデアは「積層DBC（stacked DBC）」と呼ばれる新しい構造だ。これは、2枚のDBC基板を上下に重ね、電流の流れを立体的に制御するものである。具体的には、下のDBC基板が主な電力供給経路を担い、上のDBC基板が特定の接続点を担う。この2つの電流経路が意図的に重なり合うことで、電磁誘導の原理を利用した「相互インダクタンスの相殺」が可能になる。2つの導体に逆方向の電流が流れると、それらの磁場が打ち消し合う現象を利用し、モジュール内部の全体的なインダクタンスを劇的に低下させる。この設計により、研究チームは、従来の2Dレイアウトと比較して、内部寄生インダクタンスを58%も削減することに成功した。この数字は単なる理論値ではなく、実際の性能向上に直結するものだ。インダクタンスが低ければ、IGBTはより高速で安全にスイッチングでき、スイッチング損失が減少し、全体の効率が向上する。さらに、電圧サージが抑えられることで、800Vという高電圧下での安定した動作が可能となり、急速充電の実現に不可欠な基盤が築かれた。
1200Aという大電流をEconoDUALという既存のパッケージサイズに収めるには、電流を分散させる工夫も必要だった。研究チームは、1つの大容量チップではなく、6個の200A用IGBTチップと6個の200A用ダイオードチップを並列に接続する「マルチチップ並列化」戦略を採用した。この方法には複数の利点がある。第一に、冗長性（レダンダンシー）が得られることだ。仮に1つのチップが故障しても、他のチップが動作を継続できるため、システム全体の信頼性が向上する。第二に、熱管理が容易になる。大容量のチップ1つでは、熱が一点に集中して「ホットスポット」が発生しやすいが、6つの小さなチップに分散することで、熱が均等に広がり、モジュールの温度上昇を抑制できる。第三に、並列接続自体が、全体の抵抗とインダクタンスをさらに低減する効果がある。この12個のチップ（IGBT6個、ダイオード6個）の配置は、積層DBC構造に最適化され、上アームと下アームの電流経路が可能な限り短く、対称になるように設計されている。これは、各チップに均等に電流が分配され、効率的な動作と、電磁干渉（EMI）の低減を実現するために不可欠な要素である。
高電力密度を追求する上で、熱管理は電気的性能と同等に重要な課題である。より多くの電力を扱うということは、それだけ多くの熱が発生するということだ。この熱を効率的に放熱できなければ、半導体チップは過熱し、性能が低下したり、寿命が短くなったりする。この点で、研究チームの設計は非常に優れている。モジュールの底部には、水冷式の「ピンフィン（PinFin）」ヒートシンクが取り付けられている。従来の平面的な冷却板とは異なり、ピンフィンヒートシンクは多数の小さなピン状の突起を持ち、冷却水との接触面積を飛躍的に増加させる。これにより、モジュール内部の熱を冷却水に伝える効率が格段に向上する。研究チームは、計算流体力学（CFD）シミュレーションを用いて、モジュールの熱挙動を詳細に解析した。このシミュレーションでは、電力損失による発熱、基板を介した熱の伝導、そして冷却水による熱の対流という、複数の物理現象を同時にモデル化している。その結果、1200Aのフル負荷条件下でも、半導体チップの接合部温度（junction temperature）は約150度Celsiusに抑えられると予測された。これは、現代のIGBTチップが安全に動作できる温度範囲内であり、設計の妥当性を示している。
シミュレーションの結果は重要だが、最終的な証明は実機による実験でなければならない。研究チームは、モジュールの熱性能を検証するため、厳格な「トランジェント熱抵抗テスト」を実施した。熱抵抗（thermal resistance）とは、熱の流れにくさを示す指標で、単位は「ケルビン・ワット分の1（K/W）」である。値が小さいほど、熱がよく伝わる、つまり冷却性能が優れていることを意味する。実験では、まずモジュールに小さな電流を流して、そのときの電圧降下を測定することで、チップの温度を「校正」する。次に、大電流を流してチップを加熱し、その後電流を切って、チップの温度が下がる様子を追跡する。この冷却曲線を解析することで、接合部から冷却水までの熱抵抗を正確に算出できる。実験の結果は極めて良好だった。IGBTの熱抵抗は0.084 K/W、ダイオードの熱抵抗は0.124 K/Wと測定された。この数値の重要性は、同じEconoDUALパッケージの市販品（1200V/900A）と比較したときに際立つ。それらの市販品の熱抵抗はほぼ同じ値であり、研究チームの1200Aモジュールは、電流容量を33%も増やしたにもかかわらず、冷却性能に一切の劣化がないことを意味する。これは、積層DBC構造とピンフィンヒートシンックの組み合わせが、電気的・熱的性能の両立という難題を見事に解決したことを裏付けている。
電気的性能の最終的な検証は、「デュアルパルステスト」（double-pulse test）によって行われた。これは、インバーターの実際の動作を模擬した、業界標準の過酷な試験だ。モジュールに800Vのバス電圧をかけ、1200Aもの大電流を高速でオン・オフするパルスを印加する。この試験は、室温だけでなく、チップ温度が150度Celsiusに達する高温条件下でも実施された。結果は明確だった。モジュールは、すべての条件下で試験に合格し、スイッチング時の電圧波形に破壊的なサージや振動が見られず、極めて安定した動作を示した。これは、58%のインダクタンス低減が、理論だけでなく、実用的なレベルで効果を発揮している決定的な証拠である。
この研究の意義は、単一の高性能モジュールを開発したことにとどまらない。それは、既存のプラットフォームを活かした「進化の道筋」を示した点にある。EconoDUALは、インフィニオン（Infineon）社が開発した、産業用モーター駆動やEVに広く使われる標準的なパッケージだ。今回の成果は、この既存のパッケージを変更せずに、その性能を飛躍的に向上させることが可能であることを実証した。自動車メーカーにとっては、新車両のインバーター設計に、新しい部品をゼロから開発するのではなく、信頼性が実証されたEconoDUALの設計をベースに、より高性能なバージョンを採用できるという大きなメリットがある。これは、開発期間の短縮、コストの削減、そしてサプライチェーンの安定化に直結する。また、本研究は、電気、熱、機械の各性能を同時に最適化する「ホリスティックな設計思想」の重要性を示している。チームはインダクタンス低減に集中するだけでなく、同等の重要性を熱管理と構造的整合性に置き、バランスの取れた、実用性の高いソリューションを生み出した。
この研究は、中国国家重点研究開発計画と中国科学院青年学際チームプロジェクトの支援を受けており、国家レベルの技術戦略の重要性を物語っている。また、中国科学院大学、中国科学院電工研究所、華僑大学といった学術機関と、浙江芯豊科技有限公司（Zhejiang Xinfeng Technology Co., Ltd.）という産業界のリーディングカンパニーとの共同研究という形態も特筆すべき点だ。学術機関が持つ基礎研究力と、産業界が持つ実用化・量産化のノウハウが融合したことで、理論から実用までの一貫した開発が可能となった。
結論として、回 暁双、寧 圃奇、范 涛、郭 新華、傅 金源、黄 珂の研究チームが開発した1200A IGBTモジュールは、EVのパワーエレクトロニクス分野における重要なマイルストーンである。標準的なEconoDUALパッケージに3D積層DBC技術を適用することで、従来の電力密度と信頼性のトレードオフを打破した。800Vで1200Aという高出力、寄生インダクタンス58%の低減、そして市販品と同等の冷却性能。これらの成果は、より小型・軽量・効率的なインバーターの実現を可能にし、EVの航続距離の延長、充電時間の短縮、そして最終的には、より魅力的で持続可能なモビリティの提供に貢献するだろう。自動車産業が完全電動化の未来へと突き進む中、このような基盤技術の革新が、その道を照らす灯となる。
回 暁双、寧 圃奇、范 涛、郭 新華、傅 金源、黄 珂. EconoDUALパッケージで1200Aを実現する800V用IGBTモジュール. Journal of Power Supply. DOI 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.72