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ノーマリーオン型スイッチング素子に適する駆動回路

山梨大学 工学部電気電子工学科

准教授 佐藤 隆英

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• ワイドギャップ半導体の開発が進む – 低損失、高温動作、高速動作

• ノーマリーオン型素子の開発が先行 – アーム間短絡を回避 – 異常動作時に遮断可能であること

• ワイドギャップ半導体の性能を引き出す駆動回路の駆動回路が必要

背景

ノーマリーオン型素子も高速に駆動可能な 駆動回路の開発

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パワーエレクトロニクス機器

電源 電力変換装置 （スイッチング動作） 負荷

指令 制御装置 出力状態

制御

スイッチングにより電力を変換

交流

交流

直流

直流

交流・直流変換

直流・直流変換

直流・交流変換

交流・交流変換 サイクロコンバータ DC/DCコンバータ

インバータ

整流器

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Si SiC (4H型) GaN バンドギャップ（eV） 1.12 3.26 3.42 絶縁破壊電圧（MV/㎝） 0.3 2.8 3 キャリア移動度(cm2/Vs) 135０ 1000 1500 電子飽和速度(1×107㎝/s)

1 2.2 2.4

熱伝導率(W/cmK) 1.5 4.9 1.3

物性の特性 絶縁破壊電 界が大きい

バンドギャッ プが大きい

熱伝導率 が高い

電子飽和速 度が高い

キャリア移動 度が高い

素子の特長 オン抵抗が 小さい

高温動作

高速動作

装置の特長 電力損失の 低減

冷却装置の 小型化

周辺素子の 小型化

効率向上

小型化

ワイドギャップ半導体

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想定する使用素子の例 SiC-SIT

資料提供：山梨大 矢野

・Si-IGBT の約1/10のオン抵抗 ・高破壊電圧 ・高スイッチング速度

埋め込みゲート型SiC静電誘導トランジスタ (SiC –buried gate Static Induction Transistor)

高性能・ノーマリーオン型

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駆動回路に求められる性能

• 制御対象を十分にオンおよびオフ可能 • 急峻なスイッチング特性

• 制御信号停止時には素子を遮断し続ける –アーム短絡・素子の破壊の防止

• 低消費電力

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ＶＤＳ

スイッチング損失の低減

駆動回路 制御信号 制御対象 ＭＯＳＦＥＴなど

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従来技術とその問題点 ノーマリーオン型のスイッチング素子用駆動回路 • スイッチ遮断時の特性が負荷の容量やトランスの共振特性に依存するため、動作速度が遅く、設計が難しい

• スイッチング損失が大きい 広く利用されるまでには至っていない

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従来回路の構成と動作

[1] R.Kelley, M.S.Mazzola, “SiC JFET gate driver design for use in DC/DCconverters” Proc. of IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006

制御対象

t0-t1間 スイッチM1：オン VGS＜VT M0：オフ t1-t2間 スイッチM1：オフ IS＞0 M0：オン t1-t2間 M0：オフ

M1

VGS

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従来回路の課題

スイッチオフの特性はトランスと 容量による共振特性に依存

高速スイッチングを阻害

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提案回路

制御対象

Z1, Z2, Z3:ツェナーダイオード D1：ダイオード M0：制御対象（SiC-SIT） M1:スイッチング素子（Si-MOSFET）

Vcnt:制御信号 Vin：駆動回路の電源 Voutg:制御対象のゲートを接続 Vouts：制御対象のソースを接続

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提案回路の各部の電圧波形

Vcnt

Ip

Ip

Is

Is

VS

VGS

VGS

Vcnt

VS

Vt

オフ オン

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Vcnt

Ip

Is

VS

VGS

提案回路のシミュレーション結果

急峻な立下り特性を実現

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新技術の特徴・従来技術との比較 • 従来技術の問題点であった、スイッチ遮断に要する時間を短縮 – 共振特性に依存せずにスイッチを遮断

• 遮断時間の、素子値の依存度を低減 – 設計の容易化

• ツェナーダイオードを用いて、スイッチング素子をゲート・ソース間の過電圧から保護

• スイッチング素子のオン時間は制御信号のhigh時間と同期するため、設計が容易

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SIT

D

S

G

1.5kΩ

駆動回路

Vds

Vds

Ids

VRa

Vin:18V Vz1(=Vz2)=-14V Vz3=-12V

R1=47Ω C1=47uF スイッチング周波数:100kHz

実験によるスイッチング動作の確認

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Vgs

Ids

VRa

Vds 100V

Va=300 Vの場合も同様の動作を確認

約0.07A (100/1.5k=0.066)

スイッチング動作の測定結果

オフ

オン

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昇圧コンバータへの応用

駆動回路

製作した駆動回路

昇圧コンバータ

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昇圧コンバータの測定結果

14ns

168ns

70ns

Vi

Ids

Vout

Vgs

Vds

Va=40V

59.05V

Duty比：33%

出力電圧の理論値： Vout=Va×{1/(1-DVgs)}=40×1.49=59.7V

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制御信号停止時の動作

制御信号が停止した場合にはVGSをVT以下に保つ

制御信号

VGS

VDS

IDS

VT

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想定される用途

• HEV, EV用インバータ等の自動車用パワーエレクトロニクス

• 鉄道用インバータ • 太陽電池用パワーコンディショナ • ハイブリッド給電システム • 無停電電源装置等の各種電源装置

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実用化に向けた課題 • ノーマリーオン型の素子を安全に駆動出来る駆動回路が実現された。

• 従来回路に比べ、遮断に要する時間が大幅に改善された。

• トランス、ツェナーダイオード等を使用するため費用面に課題

• ＳｉＣ素子の特性を活かすためにはさらなる高速化が必要

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：スイッチング素子用ゲート 駆動回路 • 出願番号 ：特願2013-167941 • 出願人 ：山梨大学 • 発明者 ：佐藤 隆英、内藤 優太

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お問い合わせ先

産 Industry

官 Administration

国立大学法人 山梨大学

産学官連携・研究推進機構 地域連携室

室長 還田 隆

ＴＥＬ：055-220-8758

ＦＡＸ：055-220-8757

e-mail：renkei-as@yamanashi.ac.jp

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