炭化珪素デバイスの高速スイッチング特性に注目したMHz級高周波電力変換器

• Project/Area Number: 18K13802
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 奥田 貴史 京都大学, 工学研究科, 助教 (00783036)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 電力変換回路 / 高周波動作 / SiCデバイス / デバイスモデル / 駆動回路 / 回路シミュレーション / 寄生インダクタンス / 高周波電力変換回路 / パワーエレクトロニクス / 炭化珪素トランジスタ / デバイスモデリング / パワープロセッシング

Outline of Annual Research Achievements

本研究では炭化珪素(SiC)パワーデバイスの高速スイッチング特性に注目し，駆動周波数10 MHzをこえる高周波電力変換回路の実現をめざす．SiCは高い絶縁破壊電界を有しており，Siデバイスの物理限界をこえる高耐圧，低オン抵抗のデバイスが実現できる．SiCデバイスはSiを置きかえる形で実用化がすすんでおり，本研究ではさらにその先を見据え，Siでは成しえない高周波電力変換回路の提案をめざす．
昨年度では10 MHzに対応した回路シミュレーション環境を構築した．デバイスモデルに改良を加え，10 MHzの高周波スイッチングを精度よく再現できるようにした．特にミラー期間中ではチャネル領域の非理想的な特性の影響を受けやすく，注意深くモデリングを行う必要があることがわかった．また，受動部品にも注目し，MHzクラスでの振る舞いについて詳しく解析した．これらの知見を総合し，10 MHzという極めて高い周波数領域でも精度の高い電力変換回路のシミュレーションを実現することができた．
今年度では構築した回路シミュレーション環境を用いて10 MHzを超える高周波で力変換回路の設計を行った．MOSFETの帰還容量や出力容量の影響を吟味し，スイッチング速度を制限している物理について考察した．また，寄生インダクタンスの影響についても詳細に調べ，回路パターンの最適化を行った．これにより，13.56 MHzの動作周波数においても直流100 Vから200 Vへの昇圧を実現することができた．また，今回得られた知見を1 MHz級電力変換回路に応用することで，1 kWの昇圧回路においても変換効率95%と非常に高い値を実現した．本研究にて得られた知見は高周波電力変換回路の設計に資するものだと考えられる．

Research Products

• [Int'l Joint Research] The University of Nottingham(英国)
• [Journal Article] Measurement of internal magnetic flux density distribution in air-core toroidal transformer under high-frequency excitation (2020)
  • Author(s): K. Hashimoto, T. Okuda, T. Hikihara
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 91 Pages: 044703-044703
  • NAID: 120006865715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stabilization of mode in imbalanced operation of matrix converter by time-delayed feedback control (2018)
  • Author(s): Sanchez Manuel、Okuda Takafumi、Hikihara Takashi
  • Journal Title: International Journal of Circuit Theory and Applications Volume: 46 Issue: 12 Pages: 2420-2433
  • DOI: 10.1002/cta.2556
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SiC MOSFETを用いた高周波直流昇圧回路に関する検討 (2019)
  • Author(s): 奥田貴史，引原隆士
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会第14回研究会
• [Presentation] 空芯トランスの内部磁束密度分布測定系の開発 (2019)
  • Author(s): 橋本和樹，奥田貴史，引原隆士
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会第14回研究会
• [Presentation] MOSFETのためのディジタルアクティブゲートドライバに関する一検討 (2019)
  • Author(s): 高山創，奥田貴史，引原隆士
  • Organizer: 2019年電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] Enhancement of Driving Capability of Gate Driver Using GaN HEMTs for High-Speed Hard Switching of SiC Power MOSFETs (2018)
  • Author(s): Takafumi Okuda and Takashi Hikihara
  • Organizer: The 2018 International Power Electronics Conference -ECCE- Asia
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A Flyback Converter with SiC Power MOSFET Operating at 10 MHz: Reducing Leakage Inductance for Improvement of Switching Behaviors (2018)
  • Author(s): Kazuki Hashimoto, Takafumi Okuda, and Takashi Hikihara
  • Organizer: The 2018 International Power Electronics Conference -ECCE- Asia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 表面電位に基づくSiC MOSFETのデバイスモデル作成と高周波スイッチング回路への応用 (2018)
  • Author(s): 前田凌佑，奥田貴史，引原隆士
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会第5回講演会