高周波電力変換器への次世代パワー半導体デバイスの実装技術
およびその応用技術
研究背景
Si（シリコン）デバイスの性能を上回るSiC（炭化珪素）・GaN（窒化ガリウム）などの次世代パワー半導体デバイスが盛んに開発・研究
電力Si

 高温動作可能

冷却系の簡易化

LoadCdc

 スイッチング速度の低下
 スイッチング損失の増加
 サージ電圧の上昇

GaN

低損失

 動作速度が速い

配線インダクタンスや浮遊容量などの寄生成分により，スイッチング特性が悪化

高周波用途
 電源装置 無線伝送 通信機器

SiC

次世代パワー半導体デバイスの特徴
 オン抵抗が小さい

技術的課題

高耐圧・大電力用途
 鉄道
 自動車
 航空機

Switching loss

v, i

Vgs1

DC
sourceSurge voltage

v, i

Vgs2

動作周波数t

材料毎のパワーデバイス活用領域予想t

寄生成分 : 少

寄生成分 : 多寄生成分を考慮したハーフブリッジインバータ

 電力系統・鉄道などの高電圧用途

高周波・高効率・小型な電力変換器を実現

 自動車・航空機などの高温環境用途
 電源装置・通信機器などの高周波用途

次世代パワー半導体デバイス適用に向けて実装技術の向上が必要不可欠

SiC・GaNなどの高速動作特性を十分に発揮できない

研究目的
次世代パワー半導体デバイスの性能を最大限に引き出すために, 寄生成分を抑制し, 電力変換器のスイッチング特性・高周波特性を改善
次世代パワー半導体デバイス普及のために，高速動作特性を活かした応用技術を提案

実機検証

l = 30 mm
w = 30 mm
t = 0.3 mm
f = 1 MHz

0.3t
d0.2

導体間距離dを短くするほど,配線インダクタンスを低減可能

lw

主回路構造の工夫

0.1
0.0
0.0

0.1

0.2
0.3
0.4
Distance d [mm]0.5DC-link
positive
electrode Sdc

0.6

 4層基板の採用
 板厚の削減

導体間距離とインダクタンスの関係

Vgs1
Cp-nDC-link
negative
electrodeVdc

tcRg
Co-pSoOutputelectrode: Cu: Core: Resist: Prepreg

Model B

tc = 0.2 mm
tp = 0.1 mm
So = 201 mm2
Sdc = 6664 mm2

浮遊容量を低減する主回路構造を検討

Outputelectrode

導体間距離 [mm]0.40.2

配線インダクタンス [nH]

24.0

12.0

Model Cの構成

Value

Parameter

Model B Model C Model D

Total stray inductance [nH]

12.0

19.5

12.5

Stray capacitance Cp-n [pF]

1350

474

1010

Stray capacitance Co-n [pF]

95.0

1.99.5

超高速モータへの応用

パワー半導体デバイスのスイッチングにより，所望の電圧・電流となる矩形波電圧を出力
vu

Three-phaserectifier

PWM
inverterCommercial
power supply

従来のモータドライブシステムでは，電流制御性や電磁ノイズ・システム効率の観点から，20 kHz以上での高周波スイッチングが求められていない

vdc

6Controlunitiutiw

Torque [Nm]

鉄損抑制効果600

Model Bに対するModel Dのスイッチング損失変化率マップ

77.8 ns
86.7 ns

Model B
3
Model C
4
Model D
560

15090120
Time [ns]Model B・Model D

測定結果

180

 D-S間電圧のスイッチング速度を10%以上改善
 広い動作点に渡りスイッチン
グ損失を低減寄生成分の低減により,スイッチング特性を改善

Model C

試作したインバータの外観

SiC・GaNの高速動作特性を活かした応用技術を検討

Maximum 94.7%@1.70 kW output

研究室で開発した低寄生成分SiCインバータ

93.091.00.120.10

Systemefficiency

9Efficiency [%]95.0

94.0 %

0.08

89.0
87.0
85.0

0.06

83.0

0.04

Loss, Efficiency

Loss, Efficiency

200 300 400 500
DC-link voltage [V]Model Dの構成

0.14

47Max. efficiency 98.3%( Vdc = 494 V, Il = 5.5 Arms)

98.4
98.2
98.0
97.8
97.6
97.4
97.2
97.0
96.8
96.6
96.4
96.2
96.0

Typicaloutput power(1.7 kW)

65432

81.0

0.02

1

79.0

00.00
10000 25000 40000 55000 70000 85000 100000
Rotation speed [rpm]

77.0
75.0

Efficiency [%]Rg = 3.3 Ωtd = 300 nsm = 1.0898.0 %Efficiency 98.1%( Vdc = 465 V, Il = 3.6 Arms)

0100

200 300 400 500
DC-link voltage [V]600

100 kHz時のインバータ効率の負荷特性（SCT3160KL）

モータ効率マップ（スイッチング周波数120 kHz）

60.9350100

PWMインバータを用いたACモータ駆動システムの一例

1042

10%速度向上30-5%インバータのスイッチング動作に伴い,電流にスイッチングリプルが重畳> 20 kHz

0.945

3

θ

8641

測定したスイッチング波形

0.965

Motor loss

1205iu128

100Vdc = 564 V
Il = 4.8 A

研究室で開発した100,000 rpm超高速モータ

高周波インバータの需要

0.955

6080Time [ns]ターンオフ特性0.16Systemefficiency

406M スイッチング周波数起因の鉄損が大きい

1036.2 ns0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10Testmotort 低インダクタンスのため電流リプルが大きい

10 ～ 20kHz

700
600500400300200
1000-1000 Model Dでは配線インダクタンスを増加させず, 浮遊容量を低減可能

高速モータ

122022.4 ns

ターンオン特性 Model C・Dともに浮遊容量を低減可能

0.18

 基本波電流周波数が高い

Vdc = 564 V
Il = 4.8 A

Typicaloutput capacity

fsw = 100 kHz
Rg(ext) = 3.3 Ω

738%速度向上

0DC-link
positive
electrodeDC-link
negative
electrode
Outputelectrode

8Model B
3
Model C
4
Model D5

測定結果から導出した寄生成分

パワーデバイス（TO-247）内部のリードインダクタンス（18 nH）以下まで配線インダクタンスを低減

効率・メンテナンス性の観点から，PWMインバータを用いたACモータ駆動システムが広く利用

Throughhole

DC-link
positive
electrode

配線インダクタンス低減の工夫
が浮遊容量を増加させる要因に…

4層, 厚銅基板（300 µm） 4層, 標準銅箔厚（35 µm）

ShieldelectrodeDC-link
negative
electrode

外観

100×100×0.6

デバイスと並列に形成された浮遊容量がスイッチング特性を悪化

主回路上に形成される浮遊容量大きい浮遊容量を形成

200×130×2.4

D2 Co-nVgs2

 導体間距離が短い 対向面積が広い

寸法 [mm]

S2

tp

Co-n

Model Bの特徴

主回路基板の仕様と寄生成分の測定結果

構成

Cp-n

Model Bの層構成と設計パラメータ

板厚0.6 mmの極薄PCB

Model A

Il700
600500400
300
200
1000-100

Load current [Arms]

Inductance [nH]

0.4

tp

D1 Co-pChange ratio of switching loss [%]配線インダクタンスの低減

Rg

S1

Drain-source voltage [V]Shieldelectrode

Load current [A]

浮遊容量の低減

Drain-source voltage [V]

寄生成分の低減

Motor loss

2

Inverter loss

Inverter loss
00

Switching frequency
一般的なモータ駆動時の損失・効率（Si-IGBT駆動想定）

0.925

超高速モータ×低寄生成分SiCインバータ100

 高周波スイッチングによるモータ鉄損抑制

98

Motor

Inverter

System0.935

Switching frequency
高速モータ駆動時の損失・効率（SiC・GaNデバイス駆動想定）

従来の20 kHzよりも高い80 kHzで最大シス
テム効率93.0%を達成

 高速モータの低インダクタンス特性
 次世代パワー半導体デバイス適用によるインバータ損失の低減

 寄生成分の低減による高周波スイッチング時のインバータ効率の向上

寄生成分の低減効果

高周波スイッチングによるモータドライブシステムのシステム効率改善に期待

次世代パワー半導体デバイスの適用による高周波スイッチングの優位性を確認

Efficiency [%]298.7

9694.2

9493.09298.7

98.5
94.4

93.0

98.1

97.5
94.7

92.3

9020406080
100120Switching frequency [kHz]140

スイッチング周波数－各部の効率（SCT3160KL）（Vdc = 465 V, Pout = 1.7 kW）