足球比分直播,雷速体育の紹介 2020年7月
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パワーGaN HEMTとゲートドライバの単一集積化
パワーデバイスであるGaN HEMTと、デバイスを駆動する回路であるゲートドライバを1チップ上に単一集積化し、電力変換回路の小型化に向けた超高速スイッチング技術について研究しています。
パワーデバイスと電力変換回路
身の回りの電子機器や電化製品などには交流電圧を直流電圧に変換したり、直流電圧の大きさを変換する電力変換回路が搭載されており、この回路にはパワー半導体が利用されています。次世代パワー半導体と呼ばれるSiC(シリコンカーバイド)やGaN(窒化ガリウム)などのワイドバンドギャップ半導体は従来の材料であるSi(シリコン)より省エネな電力変換素子として注目されており、すでにSiCは電車や自動車などに応用されています。 また、これらの半導体は高速なスイッチング動作が可能であり、電力変換回路の小型軽量化が実現できるため、ドローンやEVなどの回路の小型軽量化が要求される用途においてはGaNも強く注目されています。本研究室ではGaNに着目し、更なる高速スイッチング動作の手法について研究を進めています。
GaN HEMT
次世代パワー半導体であるGaN HEMTは従来のSiデバイスに比べて、高耐圧、低抵抗なデバイスです。特に高周波特性がよく、他のデバイスと比較して高速スイッチングが可能なデバイスです。従って、電力変換回路の小型軽量化に大きく貢献できます。また、電流を縦方向に流すSiやSiCの縦型デバイスとは異なり、電流を横方向に流す横型デバイスであるため、デバイスを作成するプロセス上でデバイス間の絶縁分離が可能であり、1チップ上にデバイスを集積化することができます。これにより、デバイス間の配線距離を最小にすることが可能になります。
ゲートドライバ
ゲートドライバはパワー半導体を制御するために必要な駆動回路です。ゲートドライバは電圧や電流を増幅し、パワー半導体に電流を高速にゲートに供給することでデバイスを高速にスイッチングします。一般的に、パッケージングされたパワー半導体とゲートドライバICをプリント基板にそれぞれ実装し、回路を構成しています。しかし、基板上で配線する従来の手法は、パッケージのピンと基板間や配線に存在する寄生素子成分が大きくなり、スイッチングスピードが制限されてしまいます。従って、従来手法はGaN HEMTのもつ高速スイッチング性能を十分に引き出すことができません。 一方、先述したようにGaN HEMTは1チップ上に複数のデバイスを単一集積化できるため、デバイス間の寄生素子成分を最小限に抑えることができます。本研究室では電力変換回路に使用されるパワーHEMTとゲートドライバを1チップ上に単一集積化し、GaN HEMTのもつ高速スイッチング性能を十分に引き出すことができる駆動手法を提案しています。また、GaN HEMTの更なる高速スイッチング動作に向けて、ゲートドライバについても2段階の回路構成による駆動力の高いゲートドライバを考案しました。
GaN集積回路
考案したゲートドライバとパワーHEMTを1チップ上に単一集積化したGaN集積回路を試作しました。試作したGaN集積回路は2.0mm×2.5mmと回路面積が小さく、1つのパッケージで構成されているため、基板への実装面積も小さくなりました。実際に測定し、GaN集積回路のスイッチング特性を従来手法と比較しました。結果より、従来手法と比較してGaN集積回路の波形の方が高速に立ち上がり、あるいは立ち下がっていることが確認できます。スイッチング時間はターンオン時間が35%、ターンオフ時間が71%、それぞれ従来手法と比べて小さくなり、提案手法であるGaN集積回路の高速スイッチング性能が示されました。GaN集積回路によるデバイスの高速スイッチング技術は、電力変換回路の小型軽量化へ向けた大きな進展の1つです。
【主な発表論文】
- Y. Yamashita, S. Stoffels, P. Niels, K. Geens, X. Li, J. Furuta, D. Stefaan, and K. Kobayashi, “Monolithic integration of gate driver and p-GaN power HEMT for MHz-switching implemented by e-mode GaN-on-SOI process”, IEICE Electronics Express, vol.16, no.22, pp. 20190516, Oct. 2019
Free: https://www.jstage.jst.go.jp/article/elex/16/22/16_16.20190516/_article/-char/en（外部リンク） - S. You, X. Li, D. Stefaan, G. Groeseneken, Z. Chen, J. Liu, Y. Yamashita, and K. Kobayashi, “Monolithically integrated GaN power ICs designed using the MVSG compact model for enhancement-mode p-GaN gate power HEMTs, logic transistors and resistors “, European Solid-State Device Electronics Conference, pp. 158-161, Krakow, Poland, Sept. 2019
- J. Nagao, Y. Yamashita, J. Furuta, K. Kobayashi, S. Stoffels, P. Niels, and D. Stefaan, “Monolithically Integrated Gate Driver for MHz Switching with an External Inductor”, IEEE Workshop on Control and Modeling for Power Electronics, pp. PS1.19, Toronto, ON, Canada, June 2019
- Y. Yamashita, S. Stoffels, P. Niels, D. Stefaan, and K. Kobayashi, “Monolithically Integrated E-Mode GaN-on-SOI Gate Driver with Power GaN-HEMT for MHz-Switching”, Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications, pp. 231-236, Atlanta, GA, USA, Nov. 2018
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