SiCデバイスのスイッチング動作時に発生する誤動作メカニズムの解明

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04351
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 平木 英治 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (20284268)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梅谷 和弘 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (60749323)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 高速スイッチングデバイス / 誤動作 / 発生メカニズムの解明

Outline of Annual Research Achievements

申請者はこれまでSiCと双璧を為す次世代パワーデバイスであるGaNパワーデバイスの連鎖的誤動作解明に取り組んできた。ディジタル的なスイッチング(ON-OFF)動作をするGaNパワーデバイスに発生する誤動作が，実はアナログ回路におけるバルクハウゼンの発振原理に基づいており，「 GaNデバイスが持つ端子間寄生容量と回路配線によるドレイン，ソース，ゲートの各寄生インダクタンスによって構成する三つのLC共振要素の共振周波数の大小関係を適切に制御することで誤動作抑制が可能である」という理論を，世界に先駆けて明らかにした。これは「配線インダクタンスを単に小さくするのでは無く，GaNデバイス自身が持つ寄生容量にあわせて配線インダクタンスを適切に調整することで連鎖的誤動作抑制が可能」なことを意味している。しかしながら，SiC/GaNといった高速デバイスの誤動作は，連鎖的誤動作だけでなく，複数の発生モードが存在する。そこで，2019年度は，ターンオフ直後の単発誤動作に着目して，その誤動作発生メカニズムとその防止策を検討した。

STEP1 誤動作メカニズムの解明と誤動作抑制回路理論の構築研究概要：既存のSiCパワーデバイスおよび既存のスイッチング回路に発生する誤動作時の回路動作波形を再現・分析し，誤動作を模擬する等価回路モデルを回路シミュレータ上にモデル化する．さらにモデルの分析を通じて誤点弧の発生メカニズムを解明する．解明されたメカニズムを基に，誤動作抑制回路理論を構築する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

以下の3点から概ね順調に進展していると考えられる。
(1) SiC/GaNといった高速スイッチングデバイスのターンオフ直後の誤動作の出現条件を実験的に明らかにした。
(2) 誤動作の原因であるソース電圧の振動が，デバイスの寄生パラメータと回路基板の寄生パラメータで構成されるブリッジ回路の平衡条件により制御できることを，回路解析から明らかにした。
(3) 上記(2)を限定的ながら実験により検証することができた。
ただし，上記の成果は一つのスイッチングデバイスを1つだけ搭載したシンプルな回路での検証であり，実回路での検証には至っていない。

Strategy for Future Research Activity

現在は順調に成果をあげており，当初計画に基づいて進めて言う所存である。

Causes of Carryover

2019年度の所要額1820000円に対し，繰越額は2％以下であり，実質的には計画通りに進んでいると考えている。繰越額はコロナウィルス問題の影響で高騰している次世代パワーデバイスの購入に当てる予定である。

Remarks

2019年度の研究成果は，パワーエレクトロニクス分野で最も権威がある国際会議IEEE-ECCE2020に投稿中である。