| 研究課題/領域番号 |
01460131
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
村上 吉繁 大阪大学, 超伝導エレクトロニクス研究センター, 教授 (70029015)
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| 研究分担者 |
伊瀬 敏史 大阪大学, 工学部, 助手 (00184581)
辻穀 一郎 大阪大学, 工学部, 教授 (30029342)
山本 純也 核融合科学研究所, 教授 (00029208)
白藤 純嗣 大阪大学, 工学部, 教授 (70029065)
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| キーワード | 極低温パワ-エレクトロニクス / 超伝導マグネット / 半導体の極低温特性 / 電力変換器の極低温運転 |
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| 研究概要 |
半導体デバイスを用いるパワ-エレクトロニクス装置を超伝導マグネットなどの超伝導機器の制御に用いるにはいくつかの問題点がある。すなわち、(1)超伝導機器は電力制御の高効率と高集積化を目指して応用させるのに対し,半導体デバイスは半導体の通電容量、耐圧の制限によって超伝導機器のような集積化、小形化にうまく適合しない。(2)超伝導機器は超伝導現象をもたらす極低温環境下で運転されるが、半導体機器は通常室温で運転される。本研究では、超伝導機器と同じ極低温で運転するパワ-エレクトロニクスシステムとその半導体素子の開発を目指して平成元年度から三年度に亘る三年間の研究を行い、次に示す成果を得た。
(1)多数キャリア形素子のMOSFETは液体窒素温度の約80Kで最も優れたスイッチング特性を示し、オン時の等価抵抗が室温の約1/3.5となる。
(2)パワ-MOSFETでは、内部ダイオ-ドの高速化を図るため白金などの重金属のド-ピングや電子線照射などを行うが、重金属のド-ピングは低温における小数キャリアの凍結を引き起こし、低温特性を劣化せしめる。電子線照射ではこの様な特性劣化がない。
(3)パワ-MOSFETとダイオ-ドにより超伝導マグネットのクライオスタット中の80K付近の温度で動作するチョッパ回路を作成し、高温超伝導の電流リ-ドにより室温電源に接続して超伝導マグネットの制御を行い、極低温で電力変換動作が行い得る事を確認した。室温換算の電力損失は室温運転時より大きくなるが、窒素温度液化機の向上と素子設計の最適化により室温運転と同程度の損失まで改善できる事が期待される。
(4)MOSFETの二次元モデルについて有限要素法を用いて電流分布、電界分布などの計算を行い低温における最適設計法を考察した。オン抵抗を低減すると耐圧が低くなる問題があるが、両者の妥協を取って設計を行い得る事を明らかにした。
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