2016 Fiscal Year Research-status Report
超低損失・高速SiCパワーデバイスのパルスパワー応用
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15K13927
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
矢野 浩司 山梨大学, 総合研究部, 教授 (90252014)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 真幸 山梨大学, 総合研究部, 助教 (00511320)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | パルスパワー / パワーデバイス / SiC / ワイドバンドギャップ / 静電誘導トランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、パルスパワー用スイッチングデバイスに炭化珪素(SiC)を用いた静電誘導型半導体トランジスタ(SiC static induction transisitor: SiC-SIT)を初めて適用する。そして、デバイス・回路統合シミュレーションによりSiC-SIT のパルスパワー動作時のデバイス動作メカニズムを解明し、最終的には電力損失、パルス幅共に従来の Si パワーデバイスの1/10を実現する SiC-BGSIT 設計指針の構築を目標とする。
ここで、従来パルスパワー用途に用いられてきたシリコン高速スイッチング、大電力容量デバイスである静電誘導サイリスタ（SIThy）を比較対象デバイスとした。またパルス発生回路として誘導エネルギー蓄積回路（IES回路）を想定した。
シミュレーションの結果、SiC-SITはSi-SIThyとは異なり基本的に電子のみをキャリアとして用いるユニポーラ動作を行う為、ターンオフ速度が速く、負荷におけるパルス電圧の急峻な立ち上がりが得られる。またオン時はSiC材料特有の低損失が得られる為、電力損失が低い。結果として、オン動作及びターンオフ動作を含むトータルの電力損失はSi-SIThyの7分の１に低減できることが予測できた。一方回路動作時にデバイスの出力端子の極性が反転する逆導通動作が起こるが、この際のSiC-SITの電力ロスが比較的大きいことも判明した。したがって、逆導通時にトランジスタのゲート制御を行う同期整流制御を行えば、トータル損失を10分の1まで低減できることが予測できた。
これらの結果より、IES回路にSiC-SITを用いれば、放熱装置をコンパクト化でき、電源装置そのものの小型化が実現できる。また、同トランジスタの高速スイッチング性能により、急峻なパルス波形の生成が可能となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以下に当初計画したの研究項目及び現在の進捗を示す。
1)パルスパワー発生時におけるSiC-SITの動作原理の究明:ターンオフ時のチャネル部の電位障壁の急激な回復による高速ターンオフスイッチングの動作メカニズムをシミュレーションにて解明した。
2)デバイス構造および回路条件のパルス回路性能への依存性の解明及び最適設計：SiC-SITにチャネル部のドーピング濃度のパルス性能に及ぼす影響をシミュレーションにて調査し、構造の最適化を行った。またトランジスタの逆導通時のゲート制御による同期整流方式により逆導通時の損失を低減できることがわかった。
3)競合デバイスである Si パワーデバイスとの性能比較と優位性：電力損失を従来のパルスパワー用デバイスであるSi-SIThyより１/7に低減できることが判明した。さらに上述した同期整流方式により1/10に低減することが予測できた。すなわち当初の目標を達成できた。
よって研究は当初の計画通り順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本プロジェクトではパルス発生回路としてIES回路を想定し、同回路に組み込むパワーデバイスはターンオフ動作を用いたオープニングスイッチを想定し評価したが、SiC-SITは本質的に高速スイッチング性能を有するため、オープニングスイッチのみならずターンオン動作によるクロージングスイッチにも適している。したがって今後は同デバイスのターンオン動作におけるメカニズムを明らかにし、その極限性能を究明する。
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| Causes of Carryover |
当初計画ではH29年度に研究成果発表及び本研究の次のステップへの情報収集のための国際学会、国内学会、論文投稿用経費を６０万円弱計上していたため、これと同額程度の経費を保持する必要があった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当初の予定通り本研究の成果を、各学会で及び論文する予定であり、その学会参加費、旅費、論文投稿料として使用する。
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