2015 Fiscal Year Research-status Report
ワイドバンドギャップ・パワー半導体を用いた高速スイッチング電源の開発
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26420246
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
佐藤 宣夫 千葉工業大学, 工学部, 教授 (70397602)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | パワー半導体デバイス / 高速スイッチング / フライバックコンバータ / 高周波駆動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スイッチング電源回路における動作周波数の高周波化により，一周期当たりで扱うエネルギー量が減少し，インダクタやキャパシタの体積サイズを縮小できる．このことから電源自体の小型・軽量化が図られ，電源回路における達成目標の１つとされている10 W/立方cmが実現可能となる．その一方で，高周波動作において，回路内の寄生インピーダンスの影響が顕在化する．つまり回路配線パターンやその構成素子の寄生成分に起因するサージ電圧やテール電流，それらのリンギング現象によりスイッチング損失が発生し，さらにその損失による発熱により素子の破壊を誘引するため，それらの抑制を図っている．
本研究では，フライバックコンバータ回路で使用されているスイッチングデバイスとして，高速切換動作が可能と考えられるワイドバンドギャップ半導体であるシリコンカーバイド(SiC)材料デバイスに着目している．具体的にはJFET(接合型-電界効果トランジスタ)とMOSFET(金属酸化物半導体型-電界効果トランジスタ)の主要2種類のデバイスに対して，それぞれ静特性ならびに動特性の評価を行った．動作周波数は最大で3 MHzとした高速スイッチング時における波形観測と損失の評価から，それらを比較検討した．
静特性評価には，半導体カーブトレーサ装置（CS-3300, 岩通計測社製）を用いた．また動特性評価のための測定回路は,可能な限り寄生インピーダンス成分が小さくなるように設計・製作した．これらの静特性および動特性の評価から，スイッチング損失を実証した．DC/DC変換回路として， JFET（整流機能）とMOSFET（スイッチング機能）を相補的に利用することで，同期整流位相制御を達成するための検討が完了している．
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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
本研究では，(1) SiC-SBD, SiC-MOSFETの動特性評価，解析法の確立，(2) 絶縁型コンバータ回路の動特性評価に基づく回路設計法の確立，(3) インバータ回路における動特性評価に基づく回路設計法の確立，(4)太陽電池と二次電池を連結した高速スイッチング電源の作製に基づくシステム設計手法の確立，これら4つを達成目標としている．平成26年度において(1)は完了しており，平成27年度は(2)についても，その成果を国際学会(IECON2015)での発表を含めて完了している．また(3)と(4)に対する基礎的な検討を終えた状況にある．
具体的な達成事項について，２種類のパワー半導体デバイスの静特性評価からはワイドギャップ半導体材料デバイスの特長である導通損の低減を実験的に確認している．また動特性として描かれるスイッチング軌跡から見積もられるスイッチング損失は，静特性には一切現れない評価指標であり，平成26年度から比較して３倍高速な「3MHz帯」での評価を行っている．
半導体素子以外にも，電源回路の絶縁性の確保ならびにリアクトルとして機能するパルストランスにおいて，低鉄損ならびに飽和磁束密度が高いとされている新しい磁性体材料（リカロイ，アルプスグリーンデバイス社製）に着目し，トロイダルコア（外径15.8[mm]，内径5.8[mm]，厚さ7.1[mm]）として用いた．またコンデンサとしては，セラミックス素材の表面実装型を採用したことで，電解コンデンサ等よりも高周波数帯に適するものを選定した．これらにより，SiC製のパワー半導体デバイスを用いた絶縁型フライバックコンバータ回路を試作し，10MHz以上で5W出力の実験的動作に成功するに至っている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究としては，絶縁型フライバックコンバータ回路での寄生インピーダンスの低減化による13.56MHzでの動作，またそのソフトスイッチング動作によるスイッチング損失を極限まで低減させる回路設計指針を得る．ただし，スイッチング周波数の上昇に伴う損失評価，インダクタ，キャパシタの小型化に向けた回路実装に関する実証実験に基づくデータの蓄積が引き続き必要である．
さらに，これまでの回路設計のための実験的検証の他に，具体的な適用例を見据えた回路設計を実施する段階にある．具体的には，ワイドバンドギャップ半導体材料を利用した変換回路であるため，従来のSi系半導体材料では全く実現できない回路応用を考案する必要がある．その一例として，車載用あるいは航空宇宙用などの耐熱性や耐放射線性に特化した利用方法が挙げられる．またここでDC/DC変換回路の有する機能としては，昇降圧（電圧／電流の増加／減少の両立）・双方向（入力と出力が入れ替わる）制御を達成する必要があることが明らかになっており，そのための回路構成を新たに考える必要がある．
以上のことから，高周波スイッチング電源システムにおいて，デバイス単体の性能向上だけに着目するのではなく，ワイドバンドギャップ・パワー半導体デバイス，その他の回路素子（抵抗，コイル，コンデンサ）の選定，回路の寄生インピーダンス（浮遊インダクタンス，浮遊容量，接触抵抗）を考慮した回路設計手法を回路実作製とその回路解析に基づいて確立に向けて進めていく．
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