application of gan devices to wireless power...
TRANSCRIPT
1 The University of Tokushima
2012年7月6日
徳島大学工学部
大 野 泰 夫
AWRデザインフォーラム
GaN SBDを用いたマイクロ波電力受電回路 Wireless power transmission using GaN SBD
2 The University of Tokushima
アウトライン
• マイクロ波による無線電力伝送のメリット
• レクテナ回路と使用デバイス
• GaNショットキーバリアダイオード
• レクテナ回路シミュレーション
• レクテナ効率解析モデル
• まとめ
3 The University of Tokushima
無線送電の伝送方式による分類
• 電磁誘導 • ~100kHz,λ=3km • フェライトによる磁場閉じ込め(×) • 伝送距離 D << λ
• 電場・磁場共鳴 • ~10MHz,λ=30m • 共振器結合 • D~λ • 部品サイズ~λ
• 進行波 • マイクロ波 ~10GHz,λ=3cm • 光 ~1PHz,λ=0.3μm • D>>λ • 部品サイズ~λ
4 The University of Tokushima
マイクロ波電力伝送の特徴
•伝送手段が多彩 –ビームアンテナ方式 (長距離伝送) –導波管 –共鳴(オープンリング共振器、短距離、非接触)
•送電部、受電部は手段によらず共通 –低価格化可能
5 The University of Tokushima
宇宙太陽光発電所からの電力輸送
1km 1km
36,000km
5.8GHz(λ=52mm)
長さ→1/105
λ=520nm(緑色)
1cm 1cm
360m
RFユニット: (10W、10cm×10cm) アンテナエレメント:100RFユニット (1kW、1m×1m) SSPS: 1,000,000アンテナエレメント (1GW、1km×1km)
100mW
6 The University of Tokushima
導波管によるビル内電力伝送
•デッキプレートを利用したビル内ユビキタス配電
7 The University of Tokushima
電気自動車への給電
京都大学生存圏研究所、篠田、篠原、他、電子情報通信学会総合大会CBS-1-10
電気自動車無線受電システム
【ENEX09】電気自動車向け無線充電システム NEDO
8 The University of Tokushima
共振器による非接触電力伝送
•オープンリング共振器接続
•携帯機器充電 –接触不良なし –防水・防塵
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 1 2 3 4 5Frequency [GHz]
S11,
S21
[dB
]
S11 (実測) S11 (シミュレーション)S21 (実測) S21 (シミュレーション)
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10Thickness [mm]
Tran
smiss
ion
Effic
ienc
y [%
]Cu & tanδ=0.02
PEC & tanδ=0.02
PEC & tanδ=0
Experiment0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10Thickness [mm]
Tran
smiss
ion
Effic
ienc
y [%
]Cu & tanδ=0.02
PEC & tanδ=0.02
PEC & tanδ=0
Experiment
9 The University of Tokushima
マイクロ波電力伝送システムの構成
DC⇒RF変換 RF⇒DC 変換 (Rectenna)
AlGaN/GaN HFET
F級アンプ
GaN SBD
• アンテナ • 導波管 • 共振器
送電方式にかかわらず、 DC/RF, RF/DC変換部は共通
10 The University of Tokushima
DC⇒RF 変換部
•Class F Amplifier –Amplify higher order harmonics (×5, ×7) –High frequency performance of GaN
⇒ High-efficiency!
•GaN HEMT Class F Amplifiers • 2.0 GHz, 16.5 W, ηdrain=91%, PAE=85.5%
• D. Schmelzer, et. al. (CSICS 2006)
• 3.5 GHz, 11 W, ηdrain=82%, PAE=78% • P. Saad, et.al.(EuMC2009)
• 5.7 GHz, 2.8 W, ηdrain=77.1%, PAE=68.7% • K.Kuroda, et.al. (EuMC2008)
11 The University of Tokushima
RF⇒DC変換部(レクテナ)
•レクテナ(Rectifier Antenna)回路 –シングルシャント型
–デュアルダイオード型
λ/4
AC DC
RLOAD
12 The University of Tokushima
デュアルダイオード回路での反射波
AC VOUT
RLOAD
GND
D1
D2
V
GND
D2 ON (反転反射)
D1,D2 OFF (正転反射)
D1 ON (反転反射)
VOUT
GND
ダイオードにかかる電圧波形 =入射波と反射波の和
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 1 2 3 4 5 6 7
0.6
0.4
0.2
出力電圧により折り返す高さが異なる。
13 The University of Tokushima
シングルシャント回路での反射波
λ/4
AC DC
RLOAD
λ/4
VDC
GND
反転反射
(行きも帰りも)
透過
反転反射
ダイオード キャパシタ
14 The University of Tokushima
シミュレーション回路図
CAPID=C1C=1e9 pF
M_PROBEID=VPin
M_PROBEID=VP3 M_PROBE
ID=VP4
M_PROBEID=VPref
RESID=RloadR=400 Ohm
CAPID=C2C=1e9 pF
1 2
3
CIRCID=U1R=50 OhmLOSS=0 dBISOL=100 dB
TLINID=TL1Z0=50 OhmEL=90 DegF0=freq Hz
TLINID=TL_M1Z0=50 OhmEL=360 DegF0=freq Hz
SUBCKTID=S1NET="SBD_2C"PORT
P=2Z=50 Ohm
PORT_PS1P=1Z=50 OhmPStart=0 dBmPStop=40 dBmPStep=5 dB
freq=_FREQH1
finger=2
15 The University of Tokushima
ダイオードモデル
INDID=L1L=0.06 nH
RESID=R3R=1e8 Ohm
SDIODEID=SD1
PORTP=1Z=0 OhmPIN_ID=A
PORTP=2Z=50 OhmPIN_ID=C
SPICE Diode Model: SDIODE
Name Description Value DefaultID Diode ID SD1 SD1*IS Reverse saturation current 3.00E-13 1e-11 mA*RS Series resistance 7.2 0.001 Ohm*N Ideality factor 1.5 1*CJ0 0V bottom junction capacitance 0.19 0 pF*VJ Built-in voltage 1 0.8 V*M Grading coefficient 0.28 0.5
16 The University of Tokushima
2.45GHz波形
0 0.3 0.6 0.816Time (ns)
Waveforms
-10
0
10
20
30
40
RLOAD=400Ω VOUT=12.9V POUT=0.419W PREF=0.515W PLOSS=0.066W
(freq=2.45GHz, PIN=1W, ZC=50 Ω 、finger=2)
RLOAD=37.5Ω VOUT=4.76V POUT=0.604W PREF=0.050W PLOSS=0.346W
0 0.3 0.6 0.816Time (ns)
Waveforms
-10
-5
0
5
10
15
20
17 The University of Tokushima
GaN ショットキーバリアダイオード(SBD)
•T-shaped anode •multi-finger type •trench isolation •air-bridge wiring K. Fukui, et.al., IMWS-IWPT 2012, May 10-11, 2012 , Kyoto, Japan, FRI-F-23 (2012)
Substrate(sapphire or SiC)
n-GaN
n+-GaN
Ni/Au Au
Ti/Al/Ni/Au
(anode)
(cathode)
18 The University of Tokushima
活性層設計
D
ON NSqtRµ
=
tSC S
OFFε
= MAX
CSD V
Eq
N2
2ε
=
C
MAX
EVt 2
=
CMAX
S
DMAX E
tV
εtqNE <==
2
(active layer) area ; S,
ND , μ, εS
n++ access layer
t anod
e
cath
ode
VMAX (EC:破壊電界)
19 The University of Tokushima
1次元モデルによるSBD特性解析
22
C
MAXOFFON Eμ
VCRτ ==
EC (V/µm)
µ (cm2/Vs)
1/τ (relative)
Si 29 1400 1 GaAs 38 8500 10.4
SiC(4H) 249 980 51.6
GaN 330 1500 138.7
20 The University of Tokushima
3種類のエピ層に対する実験
(低ドープ) (低/高ドープ) (高ドープ) C-V測定による不純物プロファイル
100μmφSBD
(A) (B) (C)
active layer ND=1x1017cm-3
t=1.0μm
access layer n+GaN
10mΩcm, t≈4μm
c-plane sapphire
3x1017cm-3,0.3μm
access layer n+GaN
10mΩcm, t≈4μm
c-plane sapphire
3x1017cm-3
0.4μm
access layer n+GaN
10mΩcm, t≈4μm
c-plane sapphire
1x1017cm-3,0.1μm
0 0.2 0.4 0.6
Distance(μm)
(C)
1018
1017
1016
Con
cent
ratio
n(cm
-3)
(B)
(A)
21 The University of Tokushima
GaN SBD 作製プロセス (1) 1. カソード領域エッチング (ICP)
2. トレンチ分離 (ICP)
3. カソードオーミック電極形成 Ti/Al/Ni (50/200/50nm) + Ni/Au(10/40nm) annealing at 850, 1 min in N2
c-plane sapphire
ohmic metal (Ti/Al/Ni/Au)
1
2
n-GaN
n+-GaN access layer
3
22 The University of Tokushima
GaN SBD 作製プロセス (2) 4. カソード保護膜(Ti/Au)
5. アノードショットキー電極 (兼メッキ下地)
Ni/Au (10nm/10nm)
6. 金メッキ (エアブリッジ配線)
Ni/Au
photo resist
Au
2μm
5
air-bridge
anode
6 cathode
Ti/Au
23 The University of Tokushima
ダイオードチップ写真
S-パラメータ測定用 finger size 50μm x 2μm
Anode Anode PadPad
Cathode Cathode PadPad
DiodesDiodes
Anode Anode PadPad
Cathode Cathode PadPad
DiodesDiodes
chip 15フィンガー
10フィンガー
5フィンガー
24 The University of Tokushima
DC I-V 特性(1フィンガー)
Forward characteristics Reverse characteristics
0
50
100
0 1 2 3 4BIAS(V)
CURR
ENT(
mA)
(A)
(B)(C)
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
-100 -80 -60 -40 -20 0BIAS(V)
CURR
ENT(
A) (A)over100V
(B) 55V (C) 50V
25 The University of Tokushima
S-parameter (10MHz ~10 GHz)
印 2.45GHz
Diode C
-1
-0.5
0
0.5
1
-1 -0.5 0 0.5 1
1.31V3V
1.17V
1.02V0V
-10V
(OFF) (ON)
26 The University of Tokushima
交流特性(1フィンガー)
2.45GHz
reYG =
0
0.1
0.2
0.3
-15 -10 -5 0
CA
PAC
ITA
NC
E(p
F)BIAS(V)
(A)1×1017cm-3
(C)3×1017cm-3
(B)1×1017&3×1017cm-
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0 1 2 3
CO
ND
UC
TA
NC
E(S
)
BIAS(V)
(A)1×1017cm-3
(C)3×1017cm-3
(B)1×1017&3×1017cm-
fπYC im
2=
27 The University of Tokushima
GaN SBD特性エピ違い比較
Device previous (A) (B) (C)
ND(cm-3) 1x1017 1x1017 1x1017
&3x1017 3x1017
RON(Ω) 16.4 26.3 8.47 5.78
Cave(pF) 0.166 0.090 0.107 0.137
τ=RONCave (ps) 2.72 2.37 0.91 0.79
VB(V) 108 100+ 55 50
28 The University of Tokushima
5フィンガーSBDレクテナ実験結果
f=2.45GHz、入力電力1.8W (旧ダイオード使用)
REFIN
OUTDIODE
IN
OUTOUT
IN
REFREFL
PPPη
PPη
PPη
−=
=
=
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
1 10 100 1000 10000 100000Load Resistance [Ω ]
Effic
iency
[% ]
0
4
8
12
16
20
24
28
DC V
oltag
e [V]
VOUT
ηREFL
ηOUT
ηDIODE
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
1 10 100 1000 10000 100000Load Resistance [Ω ]
Effic
iency
[% ]
0
4
8
12
16
20
24
28
DC V
oltag
e [V]
VOUT
ηREFL
ηOUT
ηDIODE
29 The University of Tokushima
シミュレーションとの比較
f=2.45GHz、入力電力1.8W
1 10 100 1000 10000 100000
Simulation
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
6
12
18
24
30
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
1 10 100 1000 10000 100000Load Resistance [Ω ]
Effic
iency
[% ]
0
4
8
12
16
20
24
28
DC V
oltag
e [V]
VOUT
ηREFL
ηOUT
ηDIODE
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
1 10 100 1000 10000 100000Load Resistance [Ω ]
Effic
iency
[% ]
0
4
8
12
16
20
24
28
DC V
oltag
e [V]
VOUT
ηREFL
ηOUT
ηDIODE
30 The University of Tokushima
レクテナ効率の解析
周波数依存性、フィンガー数依存性、など
• PIN-PREF が一定になるようにPINを調節
• 変換効率 を評価
λ/4
RLOAD diode COUT
PDIODE
PDC
PIN
PREF
REFIN
DCDIODE PP
P−
=η
31 The University of Tokushima
損失の周波数依存性(RLOAD=200Ω)
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20Frequency(GHz)
Out
put V
olta
ge(V
)15finger
1finger
5finger
10finger
Pin-Pref=5Wになるように設定。
損失を表示。 出力電圧
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 5 10 15 20Frequency(GHz)
PDIO
DE(
W)
1finger
15finger
10finger
5finger
5Wがmax V3335200 .=×
32 The University of Tokushima
損失の周波数依存性(RLOAD=40Ω)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20Frequency(GHz)
Out
put V
olta
ge(V
) 5finger
10finger15finger
1finger
Pin-Pref=5W
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 5 10 15 20
Frequency(GHz)
PDIO
DE(
W)
5finger
10finger
15finger
1finger
V114540 .=×
33 The University of Tokushima
効率予測モデルの作成
•ダイオードモデルの単純化 –RON0, VF, COFF0 (一定) , n (フィンガー数) –RON= RON0 /n, COFF = nCOFF0
• ON-状態ロス(PLOSS_ON)
– RON と VFでのオン電流
• OFF-状態ロス(PLOSS_OFF) –COFF への変位電流
•反射は対象外
VF
RON
COFF
anode
cathode
VF
34 The University of Tokushima
ダイオードモデルの単純化
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-40 -30 -20 -10 0 10
VOLTAGE [V]
CD
EP [p
F]
1 finger diode; 2 μm × 100 μm
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
-10 -5 0 5VOLTAGE [V]
CURR
ENT
(A) 8Ω
RON=8Ω
CP=0.13pF
(Diode parameter) IS=1e-11A N=2 RS=0Ω CJ0=0.4pF VJ=0.8V M=0.5
35 The University of Tokushima
レクテナ回路での電力消費
OFFLOSSONLOSSOUTIN PPPP __ ++=
LOAD
DCOUT R
VP2
=
DC出力電力
36 The University of Tokushima
ON状態ロス(PLOSS_ON)
VF
GND VDC
VDC+VF
VOUT
1
α
(ON)
(OFF)
+
=
2
_LOAD
DCON
LOAD
DCFONLOSS R
VRRVVP
ααα
•1周期中のαに一定の電流が流れる。 •平均電流は出力電流(VDC/RLOAD)に一致 ( )
( ) DCti
FDC VeVVtV
++= ω
V F
R ON
anode
cathode
37 The University of Tokushima
OFF状態ロス(PLOSS_OFF)
RON
COFF
V0(t)
VR(t)
( )OFFON
tiDCF
CjReVVI
ω
ω
1++
=
( ) ( )( )OFFON
FDCONOFF
ONOFFLOSS
CRfVVfRC
IRP
14 2222
2_
<<+≈
=
π
( ) ( ) tiFDC eVVtV ω+=
•RON と COFFの直列回路
•変位電流が流れる
38 The University of Tokushima 38
シミュレーションとモデルの比較 (RLOAD=200Ω)
00.5
11.5
22.5
33.5
44.5
5
0 5 10 15 20FREQUENCY(GHz)
LOSS
PO
WER
(W) 15 finger 10 finger
5 finger
1 finger:circuit simulation : analytical model
R LOAD=200Ω
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20FREQUENCY(GHz)
OUT
PUT
VOLT
AGE
(V)
1 finger
5 finger
10 finger15 finger
:circuit simulation : analytical model
R LOAD=200Ω
RON0=8Ω,VF=0.8V ,COFF0=0.17pF α=0.3, [c.f. Cave(VF-60V)=0.17pF]
39 The University of Tokushima
シミュレーションとモデルの比較 (RLOAD=40Ω)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 5 10 15 20FREQUENCY(GHz)
LOSS
PO
WER
(W)
1 finger
5 finger
15 finger 10 finger
:circuit simulation : analytical model
R LOAD=40Ω
0
5
10
15
20
0 5 10 15 20FREQUENCY(GHz)
OUT
PUT
VOLT
AGE
(V)
5 finger
1 finger
15 finger10 finger
:circuit simulation : analytical model
R LOAD=40Ω
RON0=8Ω,VF=0.8V ,COFF0=0.24pF
α=0.3, [c.f. Cave(VF-28V)=0.20pF]
40 The University of Tokushima
ダイオードC-V特性
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-80 -60 -40 -20 0 20
BIAS(V)
C(p
F)
実測C
0.17pF
0.24pF
(0 .20pF)
41 The University of Tokushima
まとめ
•マイクロ波無線電力伝送は応用形態が多岐
•送受信デバイス・回路は応用によらず共通
•整流ダイオードはGaNが有利
•回路シミュレーションを元に効率解析モデル開発
•使用周波数で最適なフィンガー数が存在
•ダイオードでの反射制御が課題