| 研究課題/領域番号 |
22K14239
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分21010:電力工学関連
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
福永 崇平 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (20914138)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | SiCパワーデバイス / パワーモジュール / 過渡熱抵抗 / 熱設計 / 逆畳み込み積分 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
適用範囲のさらなる拡大が見込まれるパワエレ機器は、小型軽量化が期待されている。しかし小型化により発熱密度が増大するため、パワエレ機器の主たる発熱部品であるパワーモジュールの放熱設計が重要になる。本研究の目的は、パワエレの革新を担う次世代SiCパワーモジュールの熱設計評価技術の開発である。具体的には、発熱源のモデル化に必要な数マイクロ秒程度の現象を測定できる新しい測定装置の開発、および測定結果から放熱特性を高精度にモデル化する信号処理技術を提案する。新構造や新材料の適用による、実使用環境における次世代パワーモジュールの放熱メカニズムを明らかにし、その特性を高精度に評価および設計に反映可能にする。
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| 研究実績の概要 |
当該年度は前年度に引き続き, マイクロ秒オーダーの現象を測定可能な過渡熱抵抗測定装置の開発を進めた。具体的には開発した電流遮断回路に改良を加え, 回路パターンの配線設計によりさらなる低寄生インダクタンス化を実現した。この結果, 熱設計評価において誤差要因となる, 電流経路切替時に重畳するスイッチングノイズを低減した。また前年度に明らかにした課題である, 開発する測定システムのうち電圧を測定するために採用した高速高分解能ADコンバータの測定値に重畳する雑音成分について, これを低減するフィルタ設計を行った。1つに, パワーモジュールの簡易熱伝導モデルに対してモンテカルロシミュレーションを行い, 適用するフィルタに設定すべきカットオフ周波数を明らかにした。加えて, 得られた温度時間応答から過渡熱回路モデルのパラメータを同定する過程において, ベイズ統計学に基づき重畳するノイズ成分の推定を行い, 所望の成分のみを抽出するノイズ除去フィルタを設計した。
また開発する測定システムの適用先である, SiCパワーモジュールに適用するパッケージ構造や材料の検討を並行して進めた。特にパワーモジュールにおいて, デバイスを実装するモジュール基板の構造が放熱特性に与える影響を定量的に評価した。また回路パターン銅と絶縁放熱セラミックの接合界面が与える影響を, 界面状態と対照をとり定量的に評価した。得られた結果をもとに, 高放熱性能が求められている次世代SiCパワーモジュールを評価するために必要な, 開発する測定システムの要件を明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
前年度から引き続き開発している測定システムについて, ハードウェアおよびソフトウェアの両面からアプローチを行い, 従来の評価装置では正確な評価が難しい, 次世代SiCパワーモジュールの評価に適した装置の開発を進めることが出来ている。具体的には, 前年度に開発した電流遮断回路について, 電流経路に切替に適用するパワー半導体デバイスの選定および回路配線パターンの改良を行った。これにより電流遮断時間を, 50 A通流時に2 us以下とし, さらなる高速遮断を実現した。また前年度に明らかにした課題である, 電圧測定に適用するADコンバータに重畳する信号ノイズの低減方法を検討し, フィルタに設定する妥当なカットオフ周波数の選択および真の成分を抽出するフィルタを設計し, S/N比を向上した。本研究で設計したフィルタは, 過去の実験においてすでに取得しているデータに対しても適用可能であり, 開発システムが無い場合にも熱設計評価の精度を向上することを可能にした。
また次世代SiCパワーモジュールに適用するモジュール基板の放熱特性評価を行った。具体的には高い放熱性能が期待されている, 樹脂絶縁を行った金属放熱基板の放熱特性評価を, 過渡熱抵抗測定に基づき行った。金属放熱基板に適用する金属や, パターン銅の厚みなどをパラメータとして評価を行い, これらが放熱性能に与える影響を定量的に明らかにした。得られた結果を開発する測定システムの要件にフィードバックすることで, 高放熱性能が求められている次世代SiCパワーモジュールへ適用する改良を行った。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き, マイクロ秒オーダーの現象を測定可能な過渡熱抵抗測定装置の開発を進める。開発した電流遮断回路のさらなる高速化に向け, アクティブクランプ回路の適用およびその定数設計によるスイッチングサージ電圧の低減や負荷変動時の電流出力ユニットの追従特性の改善を行う。また得られた温度時間応答から, 放熱特性を表す過渡熱抵抗モデルを高精度に同定するアルゴリズムの開発を行い, パワーモジュールパッケージの構造界面における界面熱抵抗の影響を明らかにする。最終的に, それぞれ開発したハードウェアとソフトウェアを統合し, 次世代SiCパワーモジュールの高放熱性能を評価可能な熱設計評価技術の開発を進める。
また開発した測定システムを用いて, 次世代SiCパワーモジュールに適用する構造や材料の検討を進める。高電圧電力変換回路へ起用するため, 所望の絶縁構造を有するモジュール基板の回路配線パターンや層構造, および各層に適用する材料について定量的に評価し, 設計データとして整理する。これを数値シミュレーションモデルに反映し, 作成モデルを用いて, パッケージ構造や材料をパラメータとしたモジュール基板構造設計を行う。
得られた研究成果の内容を有識者との議論を通してより一層高めるため, 国内研究会・国際学会発表を積極的に行う。また得られた結果をとりまとめ, 学術論文の執筆を計画している。
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