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次世代パワエレ駆動機構と家電への応用について
パナソニック㈱先端技術研究所
大塚 信之
第13回 窒化物半導体応用研究会2012.7.9
2目次
1. 背景
2.パワースイッチングデバイスの家電応用
3.次世代パワエレ駆動機構
4.まとめ
3
スイッチング電源
電力応用分野の市場カテゴリー
5000
2000
1000
500
200
100
50
20
10
5
2
1500020001000500200100502010 10000
電圧レンジ (V)
電流
レン
ジ(A)
低耐圧分野
中耐圧分野
高耐圧分野
AutomaticEPSABS
DC/DCコンバータ無停電源
各種電子機器充電器
燃料電池HDDPPC
通信用電源
電気自動車
産業用動力制御
HVDCBTB
電気鉄道
汎用インバータ
エアコン
4
駆動方式:正弦波180度通電方式電源電圧:100V
インバータによるモータ駆動の動作
インバータコンバータ
・負荷に合わせてパルス幅を変調制御・逆起電力をキャパシタに回生することも可能
M
トランジスタゲート回路
モータ制御部
ダイオード 永久磁石同期モータ
ホール素子
5パワー半導体は単なるスイッチ
IGBT Power MOS
他にも、サイリスタ、トライアック、GTOサイリスタ、SITなどがあるが、現在は、ほぼ全て上記2つのデバイスに集約されている。
6
400
300
200
100
0100
10
1.21.0
0.80.6
0.4
(℃)
(GHz)
雑音指数(NF)←低いキャリア散乱
低い高周波損失(dB)
(V/um)
(A/mm)
200
150
100
50
GaNGaAs
Si
GaN のパワーデバイスの特長
電力応用の視点 高周波応用の視点
動作温度←Wide Bandgap・高ポテンシャル障壁
最大発振周波数←高飽和速度・低寄生容量
降伏電界強度←Wide Bandgap
最大電流(Imax)←高キャリア濃度・高移動度
高出力 高速
7パワエレの革新技術は
・パワーデバイスの革新
・インバータ技術の革新
8インバータに必要となる技術
0V
2V
高電圧 DC
三相モータ
① パワースイッチングデバイス
② 次世代パワエレ駆動機構
AC
電圧が変動
高電圧
絶縁型ゲートドライバ
9
①-1. 材料コストの低減・安価なSi基板上へのGaN結晶成長
①-2. 無信号時の安全動作
・ノーマリーオフ動作
①-3. 高効率インバータ駆動・オフセットフリーと低オン抵抗化
① GaNパワ-スイッチングデバイス実用化の課題
10①-1 6インチSi基板上の AlGaN/GaN エピ結晶
表面:ミラークラックフリーGaN膜厚均一性良好高電子移動度
11
ゲート幅 : 500mm最大電流: 150A耐圧 : 350Vオン抵抗:19.8mΩ
Si基板上の大電力AlGaN/GaN FET
ゲート ドレイン
AlGaNGaN
AlN Buffer
Si基板
ソース
M. Hikita, et al,IEEE IEDM 2004pp. 803 – 806Washington DC.
12
従来のGaN系パワーデバイスは 閾値電圧が
マイナスであり、負電源駆動回路が必要である。
ただし、
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20
IDS
(mA
/mm
)
VGS=0V
-0.5V
-1.0V
-1.5V
-2.0V
VDS (V)
13①-2 そこで考えた新しいパワートランジスタ
■ノーマリオフ化
p型ゲートによりチャネルのポテンシャルを持ち上げる
■低オン抵抗化
伝導度変調によりオン抵抗低減
ゲートのバリアにより電子のゲートへの注入を抑制
Gate Injection Transistor (GIT)
Y. Uemoto et al,IEEE IEDM2006pp. 35.2Washington DC.
当社の独自素子
Source
Gate
p-AlGaNi-AlGaN
i-GaN
Drain
14GIT はどのようなデバイスか
ゲート電圧 = 0V
P型ゲートがゲート下チャネルを空乏化
↓ドレイン電流が流れない
ゲート電圧 > 1V
ホール注入↓
電子発生↓
ドレイン電流増大(conductivity modulation)
i-AlGaN
i-GaN
Vgs
0V
5Von
off
Vgs
p-AlGaN
off
Gate
Source Drain
on
+ + + +
- -- - - - -- -- ----- --- - -
+ + + +
-
15GITのDC特性
0
100
200
300
400
500
0 100 200 300 400 500 600 700
Vds [V]
Ids
[uA
/mm
]
Lg=2µm, Lgd=7.5µmVgs=0V
Vds (V)Id
s (u
A/m
m)
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10Vds [V]
Ids
[mA
/mm
] Vgs=5V
Lg=2µm, Lgd=7.5µm
Vgs=4V
Vgs=3V
Vgs=2V
Vgs=1V
Vds (V)
Ids
(mA
/mm
)
・閾値電圧 : +1.0V・最大電流 : 200mA/mm・オン抵抗 : 2.6mΩcm2
・耐圧 : 640V
正電源駆動、安全動作を実現
16オン抵抗 - 耐圧 特性
102 103 10410-1
10 0
10 1
10 2
耐圧 (V)
オン
抵抗
RonA (
mΩ
cm
2)
GaN Limit
[1]
[2]
GIT
Si LimitSi Super Junction MOSFET
Si IGBT (commercial)
GaN HFET(normally-off)
[3]
[4]
Ref.[1] W. Saito, IEEE ED, 2006[2] N. Ikeda, ISPSD, 2004[3] S. Iwamoto, ISPSD, 2005[4] W. Saito, ISPSD, 2005
17①-3 高効率インバータ駆動の実現のために
GITはオフセット電圧がなく、オン抵抗(Ron)が小さいため、低損失駆動を実現
M
M
損失 損失
オフセット電圧 オフセット電圧VF VF
VCEVr
IF IR
ICE Ir
IGBT I-V特性 ダイオード I-V特性
損失=VF・IF+VF・IR
損失 損失
VDSVSD
IF IR
IDS ISD
GaN-GIT I-V特性還流電流
損失=Ron・IF2+Ron・IR
2 ~0
駆動電流RON
RON
IGBT駆動電流
還流電流
GaN-GIT
還流電流駆動電流
従来のインバータ
GaN-GITインバータ
ダイオード
18ダイオードモードの活用
駆動電流
還流電流
高電圧側 GIT
低電圧側 GIT
高電圧側GIT
低電圧側GIT
ON
OFF
ONOFF
ダイオードモード
ダイオードモード
FET モード
D D D
S S S
駆動電流
還流電流
低電圧側GITの駆動を工夫することで、ダイオードを外付けしなくてもダイオードと同等の駆動を実現
19GaNインバータの高効率駆動を実現
6個のGaN-GIT
0 200 400 600 800 1000出 力 (W)
効率
(%)
100
98
94
96
GaNインバータ
IGBTインバータ
•低出力時でも高い効率を実現•IGBTと比べて損失を53%低減
T. Moritaet al, APEC2011, p.481 Texas
20② エアコン等のインバータでも絶縁が必要
課題:① フォトカップラの特性劣化② 高温で使用できない
基準電圧が変動
モータ駆動用インバータ
パワートランジスタ
280V
200V
モータ
ゲート駆動回路
280V
絶縁電源
マイコン
制御信号 電源を絶縁分離
信号を絶縁分離
ゲートドライバ
フォトカプラ
制御信号2V
DC電源
21高絶縁特性を実現するために
課題;インバータ用には大きくなりすぎる
マイクロ波領域(5GHz帯)への展開
~
共鳴
共振
直径約1m
電力伝送
電磁界共鳴器
電磁界共鳴現象を利用して、長距離で電力を伝送100V 10MHz
22② 次世代パワエレ駆動機構の特長
②-1 非接触電力伝送技術
②-2 バタフライ型電磁界共鳴結合技術
②-3 2×2信号分離技術
23②-1 非接触に電力をおくるために
•電磁界共鳴を利用して、世界で初めてパワエレ(~100kVA)と
マイクロ波(5GHz)を融合 Drive-by-microwave
•絶縁された信号と電力を同時に供給するので、外部DC電源が不要超小型 & 高絶縁性
マイクロ波(5GHz)
整流器スイッチング信号
スイッチング信号(入力信号)
変調信号
制御信号とゲート駆動用電力を同時に伝送
パワートランジスタ
電磁界共鳴器
ワンチップ集積化
スイッチング信号(出力信号)
(~100kVA)
24②-2 バタフライ型にして小型化
入力
出力
新開発のバタフライ型構造により、電磁界を集中させ小型化を実現
電磁界集中
領域 : 1.77mm2 (φ1.5mm) 領域 : 0.92mm2 (0.96mm□)
電磁界分布
面積1/2
従来の電磁界共鳴器(円形) バタフライ型電磁界共鳴器
25高速に駆動するために
φ
φ
GaNマイクロ波発信器(5GHz)
整流器
トランジスタON信号(立上り)
トランジスタOFF信号(立下り)
PWM
電磁界共鳴器
入力
パワートランジスタφ
φ
高速スイッチングには、トランジスタのON信号(立上り用)とOFF信号(立下り用)の2セットの電磁界共鳴器が必要
26②-3 電磁界共鳴器を一つにまとめて小型化
面積1/2
φ
φ
電磁界共鳴器マイクロ波(5GHz) 整流器
φ
φ
2×2電磁界共鳴器
マイクロ波(5GHz)整流器
2ポート
2系統の信号を一つの電磁界共鳴器で伝送し、分離可能とする信号分離技術を構築
サファイア基板0.2mm厚
電磁界共鳴器
Port 1
Port 2Port 3
Port 4
分離配線
1.78mm
1.66
mm
サファイア基板
2×2電磁界共鳴器
27ゲートドライバ回路
5.8GHz 発振器
電磁界共鳴器
VT
VDD
Input + (PWM +)
Input –(PWM - )
GND
ミキサー
EMRCGND
出力
Ref.
Lrect1
Dp1
Dn1Dn2
Lrect2
整流器
サファイア基板上にGaNパワーデバイスを集積化
GaN集積回路は高温でも動作可能 S. Nagai et al, IEEE ISSCC2012, p.404San Francisco
28ゲートドライブ回路のワンチップ化に成功
発振器
ミキサー
バタフライ型電磁界共鳴器
整流器(+)
5.0mm
2.5mm
整流器(-)
参照信号
入力信号
φ入力信号
出力信号
φ
サファイア基板上にGaNパワーデバイスを集積化
29GaNパワーデバイスの駆動に成功
負荷
GaNパワートランジスタ
入力信号
1kHz
1 kHz
ゲート電圧
GaNパワーデバイスのスイッチング電圧80V
ゲート電圧 : 3.0V立ち上がり時間 : 800ns
消費電力 : 0.675W ( 15V, 45mA)
入力信号
スイッチング動作を確認!
ゲート電圧
スイッチング電圧
30GaN は家庭用電化機器のキーデバイスになる
まとめ
Si基板上にGaNを成長することで低コスト化を実現
ノーマリーオフGITで高安定動作を達成
インバータの省エネ駆動を実現
高絶縁型GaNゲートドライバで小型化
独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)「省エネルギー革新技術開発事業」