SiCパワーモジュールの電気および熱特性の連成解析手法の開発および高電力密度設計
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20J10227
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | Osaka University (2021)
Kyoto University (2020) |
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Principal Investigator |
福永 崇平 大阪大学, 工学研究科, 助教
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | SiC-MOSFET / 最適設計 / ゲート駆動 / SiCパワーデバイス / パワーモジュール / 多目的最適化 / グラファイト / アクティブゲートドライブ / ディジタルアクティブゲートドライバ |
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| Outline of Research at the Start |
SiCパワーデバイスを適用したパワエレ機器の高電力密度化には、パワーデバイスのモジュール化による寄生インダクタンスの低減と放熱性能の向上のトレードオフ関係の改善が必要不可欠である。本研究ではSiC パワーモジュールの高電力密度設計を実現するため、電気および熱特性の連成解析手法を開発する。モジュール基板の回路配線構造、およびモジュール基板やパッケージングに用いる材料の物性値をもとに、パワーモジュールの電気特性と熱特性をモデル化する。構築した各モデルを連立した数理計画法による多目的最適化を適用して、電気特性と熱特性のトレードオフを改善するモジュール基板の最適構造を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、前年度に構築した最適設計アルゴリズムを用いて、SiCパワーモジュールの最適設計を行った。提案アルゴリズムでは、SiCパワーモジュールのモジュール基板の回路配線構造、およびモジュール基板やパッケージングに用いる材料の物性値をもとに、パワーモジュールの電気特性と熱特性をそれぞれモデル化している。パワーデバイスの実装位置を変数とした設計に、開発したアルゴリズムを適用することで、電気特性を代表する寄生インダクタンスと熱特性を代表する熱抵抗を最小化するパラメータが得られた。設計したパラメータを用いてSiCパワーモジュールを実装した。その特性を評価し、設計値が実測と一致したため、提案アルゴリズムの妥当性を確認することができた。
また最適設計したSiCパワーモジュールの性能を活かした動作を行うため、ゲート電圧を任意指定可能なディジタルアクティブゲートドライバの適用を検討した。高速演算可能なFPGAに高速駆動可能な1ビットゲートドライバ回路を適用し、4ビットディジタルアクティブゲートドライブ回路を作製した。従来のアナログアクティブゲートドライバでは実現できないデバイスのばらつき調整に加え、制御パラメータを変更することで、スイッチング動作の最適化をダブルパルス試験により検証した。またこのゲートドライバの出力自由度は、ゲートドライバの構造に依存する垂直および時間軸の分解能に依存する。ディジタルアクティブゲートドライバの出力を最適化するため、多目的最低化手法に基づくゲート駆動波形の最適化ツールを提案した。提案手法により、SiC MOSFETを適用した回路のスイッチングサージ電圧の低減とスイッチング損失の低減の両立を実現した。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(11 results)
