次世代パワエレ駆動機構と 家電への応用について

第13回 窒化物半導体応用研究会
2012.7.9
次世代パワエレ駆動機構と
家電への応用について
パナソニック㈱
先端技術研究所
大塚 信之
目次
1. 背景
２．パワースイッチングデバイスの家電応用
３．次世代パワエレ駆動機構
４．まとめ
2
電力応用分野の市場カテゴリー
5000
高耐圧分野
HVDC
BTB
2000
1000
電流レンジ (A)
200
100
10
5
2
1
10
電気自動車
低耐圧分野
産業用
動力制御
50
20
電気鉄道
中耐圧分野
500
DC/DC
コンバータ
無停電源
各種電子機器
充電器
燃料電池
20
汎用イン
バータ
Automatic
EPS
ABS
エアコン
通信用電源
スイッチング電源
HDD
PPC
50 100 200
500 1000 2000
電圧レンジ (V)
500010000
3
インバータによるモータ駆動の動作
ゲート回路
トランジスタ
ダイオード
永久磁石同期モータ
ホール素子
M
コンバータ
インバータ
駆動方式：正弦波180度通電方
式
電源電圧：１００Ｖ
モータ制御部
・負荷に合わせてパルス幅を変調制御
・逆起電力をキャパシタに回生することも可能
4
パワー半導体は単なるスイッチ
IGBT
5
Power MOS
他にも、サイリスタ、トライアック、GTOサイリスタ、SITなどがあるが、
現在は、ほぼ全て上記２つのデバイスに集約されている。
GaN のパワーデバイスの特長
動作温度
←Wide Bandgap・高ポテンシャル障壁
高出力
電力応用の視点
高速
(℃) 400
高周波応用の視点
G
aN
300
200
←Wide Bandgap
100
最大発振周波数
←高飽和速度・低寄生容量
(GHｚ)
50
100
150
0
Si
10
200
(V/um)
GaAs
100
降伏電界強度
0.
4
0.
6
0.
8
最大電流(Imax)
1.
2
(A/mm)
1.
0
←高キャリア濃度・高移動度
雑音指数（NF)
(dB)
←低いキャリア散乱
低い高周波損失
6
パワエレの革新技術は
・パワーデバイスの革新
・インバータ技術の革新
7
インバータに必要となる技術
8
① パワースイッチングデバイス
② 次世代パワエレ
駆動機構
高電圧 DC
AC
絶縁型
ゲートドライバ
2V
高電圧
三相モータ
電圧が変動
0V
① GaNパワ－スイッチングデバイス実用化の課題
9
①-1. 材料コストの低減
・安価なSi基板上へのGaN結晶成長
①-2. 無信号時の安全動作
・ノーマリーオフ動作
①-3. 高効率インバータ駆動
・オフセットフリーと低オン抵抗化
①-1 6インチＳｉ基板上の AlGaN/GaN エピ結晶
„
„
„
„
表面：ミラー
クラックフリー
GaN膜厚均一性良好
高電子移動度
10
Ｓｉ基板上の大電力AlGaN/GaN FET
ゲート
ドレイン
AlGaN
GaN
AlN Buffer
Si基板
ソース
ゲート幅 : 500mm
最大電流: 150A
耐圧
: 350V
オン抵抗：19.8mΩ
M. Hikita, et al,
IEEE IEDM 2004
pp. 803 – 806
Washington DC.
11
ただし、
12
従来のGaN系パワーデバイスは 閾値電圧が
IDS (mA/mm)
マイナスであり、負電源駆動回路が必要である。
100
VGS=0V
80
-0.5V
60
-1.0V
40
-1.5V
20
0
-2.0V
5
10
VDS (V)
15
20
①-2 そこで考えた新しいパワートランジスタ
Gate Injection Transistor (GIT)
当社の独自素子
Gate
Drain
Source
p-AlGaN
i-AlGaN
i-GaN
Y. Uemoto et al,
IEEE IEDM2006
pp. 35.2
Washington DC.
■ノーマリオフ化
ｐ型ゲートによりチャネルのポテンシャルを持ち上げる
■低オン抵抗化
伝導度変調によりオン抵抗低減
ゲートのバリアにより電子のゲートへの注入を抑制
13
GIT はどのようなデバイスか
ゲート電圧 = 0V
Vgs
on
5V
0V
14
off
Ｐ型ゲートがゲート下
チャネルを空乏化
on
↓
ドレイン電流が流れない
off
Vgs
ゲート電圧 > 1V
Gate
p-AlGaN
+ + + +
Source
-
-
-
-
-
-
-
-
Drain
i-AlGaN
-
-
-
-
-
i-GaN
ホール注入
↓
電子発生
↓
ドレイン電流増大
(conductivity modulation)
GITのDC特性
15
正電源駆動、安全動作を実現
300
500
Lg=2µm, Lgd=7.5µm
400
Vgs=5V
200
Ids (uA/mm)
[uA/mm]
Ids
[mA/mm]
Ids (mA/mm)
250
Vgs=4V
150
Vgs=3V
100
Vgs=1V
0
0
2
4
6
Vds
Vds (V)
[V]
8
・閾値電圧
・最大電流
・オン抵抗
・耐圧
300
200
100
Vgs=2V
50
Lg=2µm, Lgd=7.5µm
Vgs=0V
0
10
0
100
200
300
400
Vds [V]
Vds
(V)
:
:
:
:
+1.0V
200mA/mm
2.6mΩcm2
640V
500
600
700
オン抵抗 - 耐圧 特性
16
オン抵抗 RonA (mΩcm2)
Si Limit
10 2
[4]
Si Super
Junction
MOSFET
Si IGBT
(commercial)
[3]
10 1
[2]
GaN HFET
(normally-off)
10 0
[1]
GIT
GaN Limit
10-1
102
103
耐圧 (V)
Ref.
[1] W. Saito, IEEE ED, 2006
[2] N. Ikeda, ISPSD, 2004
[3] S. Iwamoto, ISPSD, 2005
[4] W. Saito, ISPSD, 2005
104
①-3 高効率インバータ駆動の実現のために
GITはオフセット電圧がなく、オン抵抗（Ron）が小さいため、
低損失駆動を実現
IGBT I-V特性
ダイオード I-V特性
駆動電流
IGBT
駆動電流
従来の
インバータ
M
還流電流
ICE
還流電流
Ir
IF
損失
VF VCE
オフセット電圧
IR
損失
Vr
VF
オフセット電圧
損失＝VF・IF+VF・IR
ダイオード
GaN-GIT I-V特性
駆動電流
GaN-GIT
IDS
GaN-GIT
インバータ
IF
M
RON
還流電流
ISD
損失
VDS
IR
RON
損失
VSD
損失＝Ron・IF2+Ron・IR2 ～0
17
ダイオードモードの活用
18
低電圧側GITの駆動を工夫することで、
ダイオードを外付けしなくてもダイオードと同等の駆動を実現
駆動電流
駆動電流
還流電流
高電圧側 GIT
低電圧側 GIT
還流電流
ON
高電圧側
GIT
OFF
低電圧側
GIT
ON
OFF
D
D
D
S
S
S
ダイオード
モード
FET
モード
ダイオード
モード
GaNインバータの高効率駆動を実現
19
100
GaNインバータ
効 率 (%)
６個のGaN-GIT
98
IGBTインバータ
96
94
0
•低出力時でも高い効率を実現
•IGBTと比べて損失を５３％低減
200
400 600 800 1000
出 力 (W)
T. Moritaet al,
APEC2011, p.481
Texas
② エアコン等のインバータでも絶縁が必要
280Ｖ
絶縁電源
DC電源
制御信号
マイコン
制御信号２V
パワー
トランジスタ
ゲートドライバ
電源を絶縁分離
フォトカプラ
280Ｖ
信号を絶縁分離
基準電圧が変動
モータ駆動用
インバータ
200Ｖ
ゲート駆動回路
モータ
課題：
① フォトカップラの特性劣化
② 高温で使用できない
20
高絶縁特性を実現するために
21
電磁界共鳴現象を利用して、長距離で電力を伝送
100V 10MHz
電磁界共鳴器
電力伝送
共鳴
共振
～
課題；インバータ用には大きくなりすぎる
マイクロ波領域（５GHｚ帯）への展開
直径約1ｍ
② 次世代パワエレ駆動機構の特長
②-1 非接触電力伝送技術
②-2 バタフライ型電磁界共鳴結合技術
②-3 ２×２信号分離技術
22
②-1 非接触に電力をおくるために
23
•電磁界共鳴を利用して、世界で初めてパワエレ(～100kVA)と
マイクロ波(5GHz)を融合
Drive-by-microwave
•絶縁された信号と電力を同時に供給するので、外部DC電源が不要
超小型 ＆ 高絶縁性
ワンチップ集積化
マイクロ波(5GHz)
整流器
スイッチング信号
電磁界共鳴器
制御信号とゲート駆動用電力を同時に伝送
スイッチング信号
（入力信号）
変調信号
スイッチング信号
（出力信号）
パワー
トランジスタ
(～100kVA)
②-2 バタフライ型にして小型化
24
新開発のバタフライ型構造により、電磁界を集中させ小型化を実現
従来の電磁界共鳴器（円形）
バタフライ型電磁界共鳴器
面積１/2
領域 : 1.77mm2 (φ1.5mm)
領域 : 0.92mm2 (0.96mm□)
出力
電磁界集中
入力
電磁界分布
高速に駆動するために
25
高速スイッチングには、トランジスタのON信号（立上り用）と
OFF信号（立下り用）の２セットの電磁界共鳴器が必要
GaNマイクロ波
発信器(5GHz)
整流器
φ
トランジスタON信号
（立上り）
パワートランジスタ
φ
入力
PWM
φ
φ
トランジスタOFF信号
（立下り）
電磁界共鳴器
②-3 電磁界共鳴器を一つにまとめて小型化
26
２系統の信号を一つの電磁界共鳴器で伝送し、
分離可能とする信号分離技術を構築
2×2電磁界共鳴器
マイクロ波(5GHz) 電磁界共鳴器 整流器
1.78
mm
Port 1
φ
Port 3
Port 2
面積1/2
分離配線
1.6
6m
m
φ
Port 4
サファイア基板
マイクロ波(5GHz) 2×2
電磁界共鳴器 整流器
電磁界
共鳴器
φ
サファイア基板
0.2mm厚
φ
２ポート
ゲートドライバ回路
27
サファイア基板上にGaNパワーデバイスを集積化
GaN集積回路は高温でも動作可能 S. Nagai et al,
5.8GHz 発振器
VT
IEEE ISSCC2012, p.404
San Francisco
ミキサー
VDD
電磁界共鳴器
整流器
出力
Lrect1
Dp1
GND
Input +
(PWM +)
Input –
(PWM - )
EMRC
GND
Dn1
Dn2
Lrect2
Ref.
ゲートドライブ回路のワンチップ化に成功
28
サファイア基板上にGaNパワーデバイスを集積化
バタフライ型電磁界共鳴器
発振器
整流器（＋）
入力
信号
入力 φ
信号
出力 φ
信号
整流器（－）
ミキサー
参照
信号
2.5mm
5.0mm
GaNパワーデバイスの駆動に成功
GaNパワートランジスタ
入力信号
入力信号
1 kHz
ゲート電圧
ゲート電圧
1kHz
負荷
GaNパワーデバイスのスイッチング電圧
スイッチング電圧
29
スイッチング動作を確認！
立ち上がり時間
ゲート電圧
消費電力
: 800ns
: 3.0V
: 0.675W ( 15V, 45mA)
80V
GaN は家庭用電化機器のキーデバイスになる
まとめ
„ Si基板上にGaNを成長することで低コスト化を実現
„ ノーマリーオフＧＩＴで高安定動作を達成
„ インバータの省エネ駆動を実現
„ 高絶縁型GaNゲートドライバで小型化
独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）
「省エネルギー革新技術開発事業」
30