ハイパワー半導体のアクティブ・バランシング技術
九州工業大学
大学院生命体工学研究科生体機能応用工学専攻
2019年12月10日教授

大村一郎
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従来技術とその問題点
IGBTなどのパワー半導体では、並列接続での電流不均一による信頼性低下が課題。このため電流容量ごとに多くのラインアップが必要で、標準化が困難。
 モータ駆動などに用いられるインバータ回路は並列接続ができないため、膨大なラインナップが必要で、標準化が遅れ、コストが高い。
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IGBTとインバータ：ラインアップのイメージ• IGBTのラインアップ
IGBT：エアコンから電気自動車や電車、風力発電、高電圧直流送電設備に間で用いられるパワー半導体。インバータに用いられ、効率よく電力変換し、省エネに貢献する半導体。

様々な形状や容量がありコストアップの要因に• インバータのラインアップ
インバータ：様々なモータの駆動に用いられる電力変換回路。緻密な制御により、モータやコンプレッサ、送電のロスを減らし、省エネを実現する。

応用や容量で形状等が異なりコストアップの要因に応用や容量によってさまざまなパッケージや筐体、部品が用いられ、高コスト。省エネ技術普及の遅れ。
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新技術の特徴・従来技術との比較• 【特徴】小型センサーと簡単な制御で、パワー半導体やインバータの並列が容易になる。
• 今回非常に単純なアルゴリズムでありながら、フィードバックでの安定動作を確認できた。
• 提案手法は、並列だけではなく、直列接続での電圧分担均一化にも使える。

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提案技術による標準化ユニット化
標準IGBTユニット

標準インバータ5電流均一化ディレイコントロールの方法
Gate Driver 1

Gate Driver 2

g1

Gate Driverng2

gn

実際の電流

Turn-onTurn-off

overshoot

電流センサ
小型センサーの出力

Turn-onovershoot

ピーク検出
PWM

Peak
Detection

Peak
Detection

Peak
Detection

Ipk1

Ipk2

Ipkn

Delay Control
g1

g2

overshootTurn-off

gn6

単純なアルゴリズム（高いところにディレイを加える）
PWM≈≈ ≈ ≈

Gate Signals

device3
device4Time

Turn-on Delay Time Compensation≈Currents≈≈Currents

device4≈≈

device2≈≈PWM
device3

device1Turn-off: Balanced current≈ ≈ ≈ ≈

device2

Turn-off: Imbalanced current≈ ≈ ≈ ≈ ≈device1

Gate Signals

Turn-on: Balanced current≈ ≈ ≈ ≈

Turn-on: Imbalanced current

TimeTurn-off Delay Time Compensation,,,7

実験結果：3−5回のパルスで電流均一化

8直列接続への適用
コレクタ電圧分担
Turn-off: Initial Condition

Gate Driver 1

Peak
Detection

vCE1
Gate Driver 2vCE2

Peak
Detection

Gate Driver nvCEng1 g2 gn
PWM

Turn-off: after 2nd iteration

Peak
Detection

vpkn

vpk2

vpk1

Delay Control

9想定される用途• 産業用インバータ• 電気自動車、電車• 直流送電（HVDC）

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実用化に向けた課題• システムのアナログ化によるコスト低減• ダイオード電流アンバランス是正• システムの信頼性、誤検知の防止

11企業への期待• ディレイ発生機能を持ったゲートドライバIC• インバータ実機での実験を行う環境• アクティブバランシング機能を持ったパワー半導体モジュール、ゲートドライブ基板の共同での研究開発
具体的な適用製品をお持ちの企業様、この機会に是非お声がけください。
参考資料：http://power.kyutech.ac.jp/publications.html
12本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：電力変換器、可変信号遅延回路
及び電力変換方法：特願2018-164922• 出願番号• 出願人：九州工業大学• 発明者：大村 一郎、トリパシ ラビ ナス

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参考論文
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Dynamic Current Balancing of Parallel Connected IGBT Devices using PCB Sensor forIntegration in Power Modules, Ravi Nath Tripathi, Masanori Tsukuda, Ichiro Omura, 11th
International Conference on Integrated Power Electronics Systems, March 2020, <accept>
Digital Gate Drive Control Method for Active Voltage Balancing of Series-connected IGBTDevices, Ravi Nath Tripathi, Takaaki Arimoto, Masanori Tsukuda, Ichiro Omura, 11th
International Conference on Integrated Power Electronics Systems, March 2020, <accepted>
Peak Minimization based Gate Delay Compensation for Active Current Balancing of Parallel
IGBT System, Ravi Nath Tripathi, Masanori Tsukuda, Ichiro Omura, Microelectronics
Reliability, Available online 23 September 2019, 113426
Active Voltage Balancing for Series Connected IGBT System using Gate Delay Control, Ravi
Nath Tripathi, Kouji Harasaki, Masanori Tsukuda and Ichiro Omura, 2019 International
Conference on Solid State Devices and Materials
A fully digital feedback control of gate driver for current balancing of parallel connected powerdevices, R.N. Tripathi, M. Tsukuda, I. Omura, Microelectronics Reliability Volume 89-90, 201814

お問い合わせ先
九州工業大学
イノベーション推進機構
グローバル産学連携センター
吉田 宏治
TEL 093-884-3499
FAX 093-884-3531
e-mail chizai@jimu.kyutech.ac.jp

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