2021 Fiscal Year Annual Research Report
Ultra-reliable power electronics system with built-in power device degradation diagnosis technology
| Project/Area Number |
20H02134
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
|---|
Principal Investigator |
和田 圭二 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (00326018)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | パワーエレクトロニクス / SiC-MOSFET / 状態監視 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
パワーエレクトロニクス回路の長期信頼性を向上させるために，一般的に回路のメンテナンスが定期的に実施されている。しかし，従来の時間基準メンテナンスは，使用環境の差異や機器の個体差によりメンテナンス時期を迎える前に機器故障が発生してしまう課題がある。本研究では，パワーデバイスとして SiC MOSFETを対象にして，そのゲート酸化膜の劣化を検出対象として検討を行った。その理由としては，今後実用化が加速すると考えられるSiC MOSFETは，Siパワーデバイスと比較して，ゲート酸化膜にかかるストレスが原理的に大きいことが知られている。本年度は，回路実装状況下における状態監視手法の提案と実機による検証を行うことを目的としている。
本年度の研究成果は以下のとおりである。
(1)SiC-MOSFETの状態監視をするためには，温度依存性が小さくかつ長期間使用により発生するゲート酸化膜劣化に依存して変動する電気的特性を状態監視の対象とすることがパワーエレクトロニクス回路実装状況下において適していることを明らかにした。(2)SiC MOSFETの連続スイッチング条件下において加速劣化を行うことが可能な試験装置を開発した。さらに，試験中に被試験デバイスが故障することを考慮して，試験回路に故障が波及しない設計手法を提案し，その妥当性を実験により明らかにした。(3)電圧依存性のあるMOSFETの入力容量をパワーエレクトロニクス機器内で測定可能な回路の開発を目的として，電荷-電圧法に基づく計測する回路を開発した。この回路は，通常のパワーエレクトロニクス回路動作を目的としたゲート駆動機能も有していることに特長がある。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
パワーデバイスを加速劣化させる回路技術の確立およびパワーデバイスの劣化を検出する回路の開発が現在までに完了している。
デバイスの加速劣化させる回路は降圧型と昇圧型の２種類を設計製作し，スイッチング周波数 100 kHz, 800V, 20Aの電圧・電流を取り扱える回路であるだけでなく，電力回生型機能を有していることに特徴がある。また，この装置を用いて実際にパワーデバイスの加速・劣化を行えるようにゲート電圧を可変できる機能も備えている。これらの成果により，当初予定をおおむね達成できている。
上記に加えてデバイス劣化検出機能を有する回路の開発を進めている。デバイス劣化検出回路は，既存のスイッチング回路に追加して，階段状波形を発生させる機能を有していることに特徴がある。さらに，階段状波形を出力した時の電流を検出し，時間波形からゲート容量を演算することによってSiC MOSFETの入力容量を計測することができる。この回路は，，既存のゲート駆動回路に対して追加部品は必要とはなるが劣化検出とスイッチング回路機能を有している。また，計測として利用されている半導体カーブトレーサを用いた計測結果と本研究で開発した劣化検出回路の特性測定結果はほぼ一致していることを確認し，その有効性を明らかにした。
|
| Strategy for Future Research Activity |
２０２１年度までに開発したパワーエレクトロニクス回路を用いて複数個のSiC MOSFETを対象として加速劣化試験を実施する。回路の電圧・周波数などの一般的な回路としての使用が想定される範囲においてパラメータを変更して，加速劣化条件とパワーデバイスの劣化の状況を実験により検証する。具体的には，直流電圧100 ～ 500 V, またスイッチング周波数は20～ 100 kHzを予定している。
さらに，開発中のオンライン劣化診断回路をパワーエレクトロニクス回路と統合した回路設計製作を行う。本研究ではパワーデバイスの電圧依存性のある入力容量変動により劣化診断を行うために，ゲート駆動回路内部の電流波形の検出が必要不可欠である。そこで，実際のパワーエレクトロニクス回路での使用を想定したデバイス劣化診断機能を内蔵したパワーモジュールの開発を行う。
|
