TESLAではテクノロジーレポートとして掲載したものですが内容的にみて基礎講座としてＨＰに掲示します

次世代パワー半導体デバイスとその応用技術の動向
佐藤表−1

１．まえがきSiCやGaNなどのワイドバンドギャップ（Wide-band-Gap：以下WBGと記す）半導体を用いた次世代パワ材

ワイドバンドギャップ半導体材料の物性定数

料

バンドギャップ

ダイヤモンドGaN

4HSiC

Si

5.47

3.39

3.26

1.12

103.3

2.5

0.3

20

24.9

1.5（eV）

絶縁破壊電界強度 （MV/cm）
熱伝導度

伸二（W/cmK）

ー半導体デバイスが注目されている。高品質なSiCウエハが実用的な較を表−１に示す（1）。

小型にする。さらに高温動作によっレベルで生産できるようになり、次WBG半導体はSiと比較して絶縁て得られる温度差で抜熱が容易にな

世代パワー半導体デバイスは量産化

破壊電界強度が約１桁高い。これにることから、冷却装置の簡約化が行もされてきている。特に高性能な次より、Siに対して耐圧とキャリア量える。これは冷却器を小型にできる世代パワー半導体デバイスはをそれぞれ約１桁上げることができだけでなく、水冷が必要な用途が強ICSCRM（The International Con-る。キャリア量の増加は導通時の抵制空冷に、強制空冷が必要な用途がference on Silicon Carbide and抗値（Ron）を下げるので、高耐圧か自然空冷に置き換えることが期待でRelated Materials）などの国際会議

つ導通損失が小さいパワーデバイス

きる。

で盛んに議論されている。

が 実 現 す る。 ま た、 従 来 か らSi2．3．システムのポテンシャル

次世代パワー半導体デバイスおよMOSFETが活用できない高電圧領

びその応用は研究段階から実用段階

域もSiC-MOSFETがカバーできる電力変換損失の大幅な低減、すなに移行してきた。一般に、これらのので、ユニポーラデバイスの高速ス

わち、電力変換効率を大きく向上で新材料半導体は従来のSi半導体と比イッチング特性と低導通損失が両立きる。また、システムを小型化・軽較して高度なプロセスで作られるたする。さらにWBG半導体は熱的に量化により周辺回路のコストダウンめ高価になる。このため適用する場励起されるキャリアが少ないため、が期待できる。

合、変換器のコスト上昇は避けられこれを使ったパワーデバイスは高温高周波スイッチングは、スイッチない。普及に対してはコスト上昇以動作が可能である。例えば１kV耐ングに伴う入出力波形の脈動が抑制上の付加価値創出が求められる。

圧クラスのパワーデバイスにおいされるだけでなく、負荷変動や入力

本レポートでは注目されている次て、Siの動作限界温度が200℃程度変動に対する高速制御応答が得られ世代パワー半導体デバイスについなのに対して、SiCは1000℃以上とることから電力変換器入出力の電力て、応用技術の観点から特徴と開発（2）解析されている 。

品質も向上する。また、高速な制御応答は、電車や電気自動車に応用す動向を報告する。

２．WBG半導体のポテンシャル

2．2．回路のポテンシャル
パワーデバイスの高速スイッ

WBG半導体のポテンシャルにつチング動作によりスイッチングいて、デバイス／回路／システムに損失が小さくなり高周波で動作分けて述べる。

させることが可能になる。高周波スイッチングは、電気的フィ2．
1．デバイスのポテンシャルルタ（トランスやリアクトル、従来からパワー半導体に使われてコンデンサ）の容量を減らし、いるSiとWBG半導体の物性値の比これらの電気回路部品を大幅に4Kensetsu Denki Gijyutsu

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図−１ 技術のポテンシャル

テクノロジーレポート

るときに回生ブレーキの利用率を上昇させ、エネルギーの回生効率を上げるだけでなく、ブレーキの摩耗低減による寿命を延ばすことが期待される。
これらをまとめたのが図−１である。物性のポテンシャルと回路またはシステムのポテンシャルをつなぐ技術開発が重要になってきている。

３．NEDOプロジェクトでの開発例
従来の変換器に対して、Si-IGBTを単にSiC-MOSFETに置き換えるだけでも、電力変換損失を大幅に低（4）減できる。NEDOプロジェクト（3）ではSiCを用いた高出力電力密度三図−２

NEDOプロジェクトにおけるSiCインバータの開発例

相インバータを開発している。試作成果を図−２に示す。同図（A）は比較用のSi-IGBTインバータであり、同図（B）以降はSiCパワーデバイスを用いたインバータである。
（B）はSiC置き換えの低損失化により冷却に必要なヒートシンクを大幅に小型化し、４倍の出力電力密度（定格出力 電 力 ÷ 容 積 で 定 義、 単 位 はW/を達成している。同図
cc=kW/dm3）（C）以降では、加えて高温動作によるヒートシンクの簡約化と、高周波動作によるフィルタコンデンサの小容量化を行い、さらなる高出力電力密度を行っている。
開発した10kW容量SiCインバータの詳細を図−３に示す。約250ccの容積で誘導電動機を使った10kW実負荷評価も実施している。SiCパワー半導体デバイスはスイッチング損失が少なく50kHzの高周波スイッチング動作を行っているにもかかわらず97％以上の変換効率を達成している。

４．周辺技術の開発

図−３

三相PWMインバータの開発例

次世代パワー半導体デバイスにKensetsu Denki Gijyutsu

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は、従来のSiデバイスにない以下の熱変形による機械的応力がある。こめ、高温に対応した部品の開発また特徴がある。

れらにより長期信頼性が低下する。

は周辺部品の冷却技術が求められる。

・高温動作

このため、高温で利用できる接合技

・高速スイッチング動作術の開発が必要になる。高融点はん・高周波動作

だやシンター接合、拡散接合が開発

高速スイッチングはスイッチング

これらの特徴を活用することによされてきており、今後の動向が注目損失を低減し、変換効率を改善すされる。

る。しかし、スイッチング時の電圧り従来にない新しい付加価値を生み出す。このためには、新技術の開発が必要になる。

4．2．高速スイッチング動作

また、パワー半導体デバイス周辺サージや電圧リンギング（回路共振）にあっても高温に弱い部品が変換機が生じやすくなる。また、パワーデ動作温度の上限を抑える。このたバイスに発生する大きなdv/dtおよ4．
1．高温動作
前章で述べたとおり、高温動作の活用は、冷却の簡約化によるシステムの大幅な小型軽量化になる。また、Siデバイスが利用できない厳しい高温環境での応用も期待できる。
しかし、高温動作はモジュールの信頼性を低下させる。パワーデバイス周辺の構造を図−４に示す。

図−４

パワーデバイス周辺の構造

一般に、パワーデバイスの裏面電極ははんだ、表面電極はワイヤーを用いて回路パターンと接合する。従来、前者には200℃前後の固相線温度を持つはんだが使われている。
SiCで200℃を超える高温動作を目標とする場合には固相線温度が300℃以上の接合技術の開発が必要である。
高温動作においては、はんだとCuなどの回路パターンで意図しない金属間化合物を生成、線熱膨張率差と広い動作温度範囲による大きな

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図−５ スイッチングシミュレーション

テクノロジーレポート

びdi/dtが高周波の漏えい電流などのノイズやサージ電圧の原因となる。制御回路やセンサーなどの誤動作を誘発させることがあるので、ロバストな制御系を組む必要がある。
スイッチング速度と電圧サージの簡易シミュレーションを図−５に示す。スイッチングが高速なほど、サージ電圧とリンギングが大きくなる。ただし低速なスイッチングは損

図−６スナバ回路内蔵パワーモジュールのターンオフ時の電流経路失が大きくなる。
サージ電圧やリンギングは、回路の浮遊インダクタンスの大きさに大きく依存する。このため、低インダクタンスのパワーモジュールが開発されてきている。ただしモジュール内の浮遊インダクタンスを小さく作っても、モジュールの外にそれよりに大きな浮遊インダクタンスを持てばサージ電圧が大きくなる。そこで、パワーモジュールの中にスナバ

図−７ スナバ内蔵パワーモジュール回路を入れる試みも行われている。
スナバ回路の効果を、図−６を用いて説明する。同図でLSはパワーモジュール内の浮遊インダクタン
ス、LHとLLはパワーモジュールの外の浮遊インダクタンスである。Q２のターンオフにおいて、過渡的にスナバ回路を介して電流が流れる。
このとき、LSには大きなdi/dtが発生するが、LHとLLのdi/dtは小さい。このため、サージ電圧の大きさはモジュール内部のインダクタンスLSに依存する。すなわち、モジュール外部に浮遊インダクタンスLH,LLがある程度あってもサージ電圧が大きくならない。さらに、スナバに内蔵される抵抗素子によって、リンギングを減衰させる。
スナバ回路を内蔵したパワーモジ
ュールを図−７に示す（5）。また、このモジュールのターンオフ時スイッチング波形を図−８に示す。同図

図−８

ターンオフ波形

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（b）は同一形状でスナバを取りつけんあるが、システムに活かしきれてていないモジュールの波形である。

いない。これらを活かす応用技術おスナバ回路がある図−８（a）は同図

よび周辺部品の開発が今後の重要な（b）に対して、電圧のオーバーシュ研究課題になっている。

ートと共振を抑制できている。
4．3．高周波動作
高周波動作は、電気フィルタが小容量化できる。しかし、スイッチング回数の増加に伴ってEMIノイズが増加する。高周波スイッチングを行うときは、従来以上にノイズ電流の経路を考慮して、悪影響を生じないように心掛けることが重要になる。
加えて、鉄損の少ないトランスやリアクトルの選定が高周波動作変換器の高効率化に重要になる。
前章で述べたように、スイッチング周波数の上昇は、制御周期を短くして電力変換器の入出力電力品質の改善につながる。ただし、この性能を活かすためには高性能な制御マイコンやセンサーの開発が必要になる。

５．SiC変換器の開発例
系統安定化用に主スイッチングデバイスにSiC-MOSFETを用いたマトリックスコンバータを紹介す（6）

る 。主回路写真を図−９に示す。

〈参考文献〉（1） 四戸孝、 SiC パワーデバイス ,東芝
レビュー Vol.59, No.2, pp.49-53（2004）（2） Cyril Buttay, Dominique Planson,
図−９ SiC-MOSFETを用いた
Bruno Allard, Dominique Bergogne,
マトリックスコンバータ
Pascal Bevilacqua, Charles Joubert,Mihai Lazar, Christian Martin, Hervé
イホイール蓄電システムに適用し、Morel, Dominique Tournier, Christophe Raynaud, State of the art of
定周波数の商用電力と可変周波数のHigh Temperature Power Electronフライホイールで双方向に電力を伝ics , http://hal.archives-ouvertes.fr/
送する。電解コンデンサを必要としdocs/00/41/33/49/PDF/microtherm
09.pdfないマトリックスコンバータ方式で（3） NEDO
「パワーエレクトロニクスイあり、SiCの高温動作と高効率特性ンバータ基盤技術開発プロジェクト」，
を利用して自然冷却方式としてい2006-2008年度
る。寿命部品となる電解コンデンサ （4） NEDO「低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクや冷却ファンを用いていないため、ト／次世代パワーエレクトロニクス技20年以上の長寿命を達成する。
術開発（グリーンITプロジェクト）」，
2009-2012年度
６．まとめ（5） NEDO
「低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト」，2010システムを次世代パワー半導体デ2014年度
バイスに置き換えるだけでも、高効 （6） 加藤康司、石隈悟、伊東洋一、大沼善也、宮脇慧、伊東淳一、 SiC-MOS率化や小型軽量化などの恩恵があ
FETを用いたマトリックスコンバータる。しかし、単なる置き換えの場合、による高効率・長寿命フライホイール
蓄電システム ，平成27年電気学会産
既存のSiシステムとの競合になり、
業応用部門大会，1-12, pp.I-77-82（2015）

コスト重視のアプリケーションでは不利となる。

同変換器は、再生可能エネルギーに新材料パワー半導体デバイスによる電力変動を吸収するためのフラは、Siにないポテンシャルがたくさ

8Kensetsu Denki Gijyutsu

Vol.189 2016. 3（さとうしんじ：サンケン電気（株））