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

第13回 窒化物半導体応用研究会2012.7.9

2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

3

スイッチング電源

電力応用分野の市場カテゴリー

5000

2000

1000

500

200

100

50

20

10

5

2

1500020001000500200100502010 10000

電圧レンジ (V)

電流

レン

ジ(A)

低耐圧分野

中耐圧分野

高耐圧分野

AutomaticEPSABS

DC/DCコンバータ無停電源

各種電子機器充電器

燃料電池HDDPPC

通信用電源

電気自動車

産業用動力制御

HVDCBTB

電気鉄道

汎用インバータ

エアコン

4

駆動方式：正弦波180度通電方式電源電圧：１００Ｖ

インバータによるモータ駆動の動作

インバータコンバータ

・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

M

トランジスタゲート回路

モータ制御部

ダイオード 永久磁石同期モータ

ホール素子

5パワー半導体は単なるスイッチ

IGBT 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。

6

400

300

200

100

0100

10

1.21.0

0.80.6

0.4

(℃)

(GHｚ)

雑音指数（NF)←低いキャリア散乱

低い高周波損失(dB)

(V/um)

(A/mm)

200

150

100

50

GaNGaAs

Si

GaN のパワーデバイスの特長

電力応用の視点 高周波応用の視点

動作温度←Wide Bandgap・高ポテンシャル障壁

最大発振周波数←高飽和速度・低寄生容量

降伏電界強度←Wide Bandgap

最大電流(Imax)←高キャリア濃度・高移動度

高出力 高速

7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

8インバータに必要となる技術

0V

2V

高電圧 DC

三相モータ

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

AC

電圧が変動

高電圧

絶縁型ゲートドライバ

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 GaNパワ－スイッチングデバイス実用化の課題

10①-1 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

11

ゲート幅 : 500mm最大電流: 150A耐圧 : 350Vオン抵抗：19.8mΩ

Ｓｉ基板上の大電力AlGaN/GaN FET

ゲート ドレイン

AlGaNGaN

AlN Buffer

Si基板

ソース

M. Hikita, et al,IEEE IEDM 2004pp. 803 – 806Washington DC.

12

従来のGaN系パワーデバイスは 閾値電圧が

マイナスであり、負電源駆動回路が必要である。

ただし、

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20

IDS

(mA

/mm

)

VGS=0V

-0.5V

-1.0V

-1.5V

-2.0V

VDS (V)

13①-2 そこで考えた新しいパワートランジスタ

■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

Gate Injection Transistor (GIT)

Y. Uemoto et al,IEEE IEDM2006pp. 35.2Washington DC.

当社の独自素子

Source

Gate

p-AlGaNi-AlGaN

i-GaN

Drain

14GIT はどのようなデバイスか

ゲート電圧 = 0V

Ｐ型ゲートがゲート下チャネルを空乏化

↓ドレイン電流が流れない

ゲート電圧 > 1V

ホール注入↓

電子発生↓

ドレイン電流増大(conductivity modulation)

i-AlGaN

i-GaN

Vgs

0V

5Von

off

Vgs

p-AlGaN

off

Gate

Source Drain

on

+ + + +

- -- - - - -- -- ----- --- - -

+ + + +

-

15GITのDC特性

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500 600 700

Vds [V]

Ids

[uA

/mm

]

Lg=2µm, Lgd=7.5µmVgs=0V

Vds (V)Id

s (u

A/m

m)

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10Vds [V]

Ids

[mA

/mm

] Vgs=5V

Lg=2µm, Lgd=7.5µm

Vgs=4V

Vgs=3V

Vgs=2V

Vgs=1V

Vds (V)

Ids

(mA

/mm

)

・閾値電圧 : +1.0V・最大電流 : 200mA/mm・オン抵抗 : 2.6mΩcm2

・耐圧 : 640V

正電源駆動、安全動作を実現

16オン抵抗 - 耐圧 特性

102 103 10410-1

10 0

10 1

10 2

耐圧 (V)

オン

抵抗

RonA (

mΩ

cm

2)

GaN Limit

[1]

[2]

GIT

Si LimitSi Super Junction MOSFET

Si IGBT (commercial)

GaN HFET(normally-off)

[3]

[4]

Ref.[1] W. Saito, IEEE ED, 2006[2] N. Ikeda, ISPSD, 2004[3] S. Iwamoto, ISPSD, 2005[4] W. Saito, ISPSD, 2005

17①-3 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

M

M

損失 損失

オフセット電圧 オフセット電圧VF VF

VCEVr

IF IR

ICE Ir

IGBT I-V特性 ダイオード I-V特性

損失＝VF・IF+VF・IR

損失 損失

VDSVSD

IF IR

IDS ISD

GaN-GIT I-V特性還流電流

損失＝Ron・IF2+Ron・IR

2 ～0

駆動電流RON

RON

IGBT駆動電流

還流電流

GaN-GIT

還流電流駆動電流

従来のインバータ

GaN-GITインバータ

ダイオード

18ダイオードモードの活用

駆動電流

還流電流

高電圧側 GIT

低電圧側 GIT

高電圧側GIT

低電圧側GIT

ON

OFF

ONOFF

ダイオードモード

ダイオードモード

FET モード

D D D

S S S

駆動電流

還流電流

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

19GaNインバータの高効率駆動を実現

６個のGaN-GIT

0 200 400 600 800 1000出 力 (W)

効率

(%)

100

98

94

96

GaNインバータ

IGBTインバータ

•低出力時でも高い効率を実現•IGBTと比べて損失を５３％低減

T. Moritaet al, APEC2011, p.481 Texas

20② エアコン等のインバータでも絶縁が必要

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

基準電圧が変動

モータ駆動用インバータ

パワートランジスタ

280Ｖ

200Ｖ

モータ

ゲート駆動回路

280Ｖ

絶縁電源

マイコン

制御信号 電源を絶縁分離

信号を絶縁分離

ゲートドライバ

フォトカプラ

制御信号２V

DC電源

21高絶縁特性を実現するために

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

～

共鳴

共振

直径約1ｍ

電力伝送

電磁界共鳴器

電磁界共鳴現象を利用して、長距離で電力を伝送100V 10MHz

22② 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

23②-1 非接触に電力をおくるために

•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

マイクロ波(5GHz)

整流器スイッチング信号

スイッチング信号（入力信号）

変調信号

制御信号とゲート駆動用電力を同時に伝送

パワートランジスタ

電磁界共鳴器

ワンチップ集積化

スイッチング信号（出力信号）

(～100kVA)

24②-2 バタフライ型にして小型化

入力

出力

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

電磁界集中

領域 : 1.77mm2 (φ1.5mm) 領域 : 0.92mm2 (0.96mm□)

電磁界分布

面積１/2

従来の電磁界共鳴器（円形） バタフライ型電磁界共鳴器

25高速に駆動するために

φ

φ

GaNマイクロ波発信器(5GHz)

整流器

トランジスタON信号（立上り）

トランジスタOFF信号（立下り）

PWM

電磁界共鳴器

入力

パワートランジスタφ

φ

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

26②-3 電磁界共鳴器を一つにまとめて小型化

面積1/2

φ

φ

電磁界共鳴器マイクロ波(5GHz) 整流器

φ

φ

2×2電磁界共鳴器

マイクロ波(5GHz)整流器

２ポート

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

サファイア基板0.2mm厚

電磁界共鳴器

Port 1

Port 2Port 3

Port 4

分離配線

1.78mm

1.66

mm

サファイア基板

2×2電磁界共鳴器

27ゲートドライバ回路

5.8GHz 発振器

電磁界共鳴器

VT

VDD

Input + (PWM +)

Input –(PWM - )

GND

ミキサー

EMRCGND

出力

Ref.

Lrect1

Dp1

Dn1Dn2

Lrect2

整流器

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, IEEE ISSCC2012, p.404San Francisco

28ゲートドライブ回路のワンチップ化に成功

発振器

ミキサー

バタフライ型電磁界共鳴器

整流器（＋）

5.0mm

2.5mm

整流器（－）

参照信号

入力信号

φ入力信号

出力信号

φ

サファイア基板上にGaNパワーデバイスを集積化

29GaNパワーデバイスの駆動に成功

負荷

GaNパワートランジスタ

入力信号

1kHz

1 kHz

ゲート電圧

GaNパワーデバイスのスイッチング電圧80V

ゲート電圧 : 3.0V立ち上がり時間 : 800ns

消費電力 : 0.675W ( 15V, 45mA)

入力信号

スイッチング動作を確認！

ゲート電圧

スイッチング電圧

30GaN 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」