| Project/Area Number |
23K03793
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
古田 潤 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 助教 (30735767)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | GaN HEMT / 集積化 / ゲート駆動回路 / 電力変換回路 |
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| Outline of Research at the Start |
携帯デバイスの普及により小型軽量な電源回路の需要が高まっている。次世代パワー素子GaNHEMT の高速動作によって小型化が実現できるが、ノイズによる誤動作が問題となり、その性能を完全に発揮できていない。本研究の目的はGaN on SOIプロセスを利用してGaN HEMTとそのゲート駆動回路を同一基板上に実装し、高速かつ低ノイズなスイッチングを実現することである。高速なスイッチングを達成するために、グラウンド端子を基準とする信号で動作するGaN HEMTを利用したプルアップ構造を提案する。次にオンチップキャパシタを用いた負電圧によるプルダウンする構造を用いてノイズ対策を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代パワー半導体であるGaN HEMTはスイッチング速度が非常に速いため、ON/OFFの切り替え時の電圧変化が早く、クロストークノイズに脆弱な問題がある。この問題の解決方法として、GaN HEMTとゲート駆動回路の単一集積化が注目されている。しかし、GaN HEMTにはp型スイッチング素子が存在しないため、n型HEMTや抵抗を用いてパワー半導体をプルアップする必要がある。2023年度にはプルアップを少ない素子で、かつ安定したゲート電圧を供給する手法の提案を行った。
ディスクリートのGaN HEMTを用いて提案するゲート駆動回路を構成し、従来のゲート駆動回路との比較を行った。提案するゲート駆動回路ではパワー半導体をプルアップするn型GaN HEMTのソース端子を5V電源の方に接続している。そのため、従来のゲート駆動回路とは異なり、ブートストラップを用いずにパワー半導体のゲート電圧を5Vに上昇させることができることを確認した。プルアップにブートストラップ構造を利用する従来のゲート駆動回路と同等の立ち上がりや立下りの遷移時間を実現し、スイッチング速度にデメリットなく、ゲート駆動を実現できることを確認した。
パワー半導体を複数用意して並列接続することによる電流定格の増加を行う場合、次世代パワー半導体であるGaN HEMTではゲート駆動回路を個々に用意してパワー半導体のスイッチング速度のばらつきを抑制する必要がある。そのため、従来のゲート駆動回路ではブートストラップ回路がゲート駆動回路ごとに必要となる。しかし、提案するゲート駆動回路ではブートストラップ回路が不要なため、部品点数や面積を抑制できることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
円安の影響や割り振れられた金額の削減の関係でGaN ICを試作するための費用を1年目には確保できなかった。1年目の研究費の使用量を抑制して繰り越し、2年目の研究費と合算してGaN ICの設計費用に充てることにしたためである。IMECとの打ち合わせにより2024年の6月にGaN ICを5mm角の面積を使用して設計することとなった。これは当初の予定の面積の2倍に相当するため、研究の遅れは2024年中に解消できると予想する。
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| Strategy for Future Research Activity |
予算の関係で1年目で行えなかったGaN ICの設計を行う。GaN HEMTを用いて提案するゲート駆動回路とパワーGaN HEMTの単一集積化GaN ICを設計し、6月にテープアウトを行う。また、提案ゲート駆動回路ではパワー半導体の並列接続による大電力化を行う場合に、メリットが大きいことが判明したため、GaN HEMTの並列化した電力変換回路を作成し、従来のゲート駆動回路との比較を並行して行う予定である。
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