東海地域におけるganﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ開発€¦ · 特徴. 圧延機制御 ......

第２回窒化物半導体応用研究会－1

東海地域におけるGaNﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ開発－パワーエレクトロニクスからの期待－

平成２０年６月２７日（金）

１．ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの利点２．ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽとﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの発展の歴史３．ﾊﾟﾜｴﾚ発展の考え方４．技術要求とﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ（ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾃﾞﾊﾞｲｽ）５．次世代ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽへの要求６．知的クラスター創成事業（名古屋工業大学）

名古屋工業大学松井信行


１．ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの利点

可変抵抗による電圧制御（抵抗制御） DCチョッパによる電圧制御（ﾊﾟﾜｴﾚ）

a sV V I R= − ⋅負荷端子電圧　

100[%]a

s

VV

η = ×変換効率　

ON

OFF

ON

OFF

ON1

100%(

L sv VT

T

α

α

=

=

負荷端子電圧

デューティー比

変換効率理想素子）


１．ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの利点

DCチョッパによる電圧制御（ﾊﾟﾜｴﾚ）,a aV i

sVai

T1T t

,a aV i

sVai

T1T t

,a aV i

aisV

T

1Tt

,a aV i

aisV

T

1Tt

Tfsw

1=スイッチング周波数を上げると

電流脈動小＝トルク脈動小＝高品質制御


理想素子≠ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽの実際

制御品質の向上＝スイッチング周波数の高速化

トレードオフ

G（ゲート）

C（コレクタ）

E（エミッタ）

例: IGBT

ci

OFF → ON

CEv

CEvci

導通損失

瞬時ｽｲｯﾁﾝｸﾞ損失pswon

スイッチング損失∝fsw ＋導通損失＝パワーデバイス総損失＝熱

ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ自身のトレードオフ

ontt


２．ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽとﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの発展の歴史サイラトロン（放電管）からサイリスタ（半導体）へ

サイラトロン実用化1958年サイリスタ（別名：ソリッドサイラトロン）

劇的な小型化


２．ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽとﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの発展の歴史パワーデバイスの開発動向

IGBT Module

CSTBTTM *注

Trench MOS Power MOS.

Module

First Wave (Uncontrollable

Latching Devices)

First Wave (Uncontrollable

Latching Devices)

Second Wave

(Uncontrollable Non-Latching

Devices)

Second Wave

(Uncontrollable Non-Latching

Devices)

Third Wave (MOS-Gate

Controlled Devices & Power ICs)

Third Wave (MOS-Gate

Controlled Devices & Power ICs)

1960 1970 1980 1990 2000

Bipolar Tr. Module

Light Trig. Thyristor

GCT GTO

Highβ Bip. Tr. Module

SIT Bipolar

Transistor

Sub μm MOS Power MOSFET

IGBT

Sub μm IGBT

Trench IGBT

New Devices (SiC Devices)

1991 ：第2世代 MOSFET & IGBT (5μm design rule).


1995：第4世代 IGBT (1μm design rule; Trench Version).

1995：第4世代 MOSFET (1.5μm design rule).

1997：第5世代 MOSFET (1μm design rule).

1999：第4世代 IGBT (1μm design rule; Planar Version).



1995：第4世代 IGBT (1μm design rule; Trench Version).

1995：第4世代 MOSFET (1.5μm design rule).

1997：第5世代 MOSFET (1μm design rule).

1999：第4世代 IGBT (1μm design rule; Planar Version).

System Integrated ASIPM *注

System Integrated ASIPM *注

Thyristor RC

Thyristor RC

注：ASIPM Mitsubishi’s Application Specific Inteligent Power Module CSTBT Mitsubishi’s carrier stored trench gate bipolar transistor

注：ASIPM Mitsubishi’s Application Specific Inteligent Power Module CSTBT Mitsubishi’s carrier stored trench gate bipolar transistor

IPM; ASIPM *注

DIP-IPM; HEV-IPM; HVIPM;

Power ICs

IPM; ASIPM *注

DIP-IPM; HEV-IPM; HVIPM;

Power ICs

Thyristor

Triac

出展：荒木達，「パワーデバイス新技術」，ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ学会, 第19回専門講習会ﾃｷｽﾄ，p.26 （2004年）


1960 1970 1980 1990 2000

DC MotorDrives

AC MotorDrives (Main)

AC MotorDrives(Aux.)

Static LeonardThyristor LeonardThyristor

Load Commutated Inverter


GTO Inverter

GTO

Cycroconverter

IEGT Inverter

Voltage SourceThyristor Inverter

Current SourceThyristor Inverter

GTO InverterTransistor Inverter

IGBT Inverter

Bipolar Tr. Module

IGBT IGBT

Module

２．ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽとﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの発展の歴史製鉄業界における技術動向

出展：齋藤涼夫・小西博雄・加我敦，「ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ装置における発展形態と今後の課題」, 電学論Ａ, Vol.124-A, No.8, pp.653-660, （2004年）

速度制御精度改善，速度応答改善，可変速レンジの拡大


２．ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽとﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの発展の歴史電鉄業界におけるパワエレの歩み

1960 1970 1980 1990 2000

DC MotorDrives

AC MotorDrives


Bipolar Tr. Module

IGBT IGBT

Module

Chopper Control (Armature)Chopper Control (Field)Thyristor

VVVF Inverter

GTO Thyristor Inverter GTO Inverter

Three level Inverter

IGBT Inverter

PWM Converter

Bipolar Transistor


保守の簡素化，高性能，高信頼性，快適性


２．ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽとﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽの発展の歴史電力業界におけるパワエレの歩み

1960 1970 1980 1990 2000

Sakuma PC

proj

ect

AC

/DC

Con

verte

r

FC/BTB

HVDC

Sakuma Thyristor Test

Shinshinano FC(1)

Shinshinano FC(2)

Minami-Fukumitsu Asynchronous Tie

Hokkaido-Honshu HVDC(3)

Hokkaido-Honshu HVDC(1)(2)

Ku Channel HVDC

TypeMercury-arc

RectifierThyristor Converter

(External-commutated Type)Self-commutated

Converter

Capacity(Self-commutated)

37.5MW 125kV 300MW 125kV

300MW 250kV

1400MW 250kV

(50MVA)

Rating Thyristor(Self-commutated)

2.5kV 500A(40φ) 2.5kV 1500A/4kV 800A(60φ) 6kV 2400A(100φ) 8kV 3500A(150φ)

GTO(4.5kV 1.5kA/6kV 6kA)

Insulated/Cooling Oil / Oil Air / Air Air / Water

Gate Trigger Electromagnetic Direct LightIndirect Light

Thyristor


高電圧・大容量化，コンパクト化，高信頼化，高機能・高性能化

GTO

GCT

IGBT

IGBT IEGT


MOSFET Thy/GTO/GCTIGBT/IPM MOSFET MOSFET Thy/GTO/GCTThy/GTO/GCTIGBT/IPM IGBT/IPM

10 100 1000 10000 100000 10 100 1000 10000 100000 1.E‐01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E‐01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

装置電圧（V）

装置

容量

（K

VA

） UPS 　

・小型・低損失化（共振方式の検討）

・MOSゲート化

　

交通用電源　・小型・低損失化　

送配電PE 　

・小型・低損失化　大形ドライブ

・小型・低損失化　電鉄ドライブ

・MOSゲート化、IPM化へ

　産業ドライブ太陽電池燃料電池

HEV・FCVドライブ・小型化・軽量化・省エネ・低損失化　・高圧化・高集積化　

家電機器・省エネ・低損失化　・低騒音化　・低ノイズ化（EMI対策）　・Vector制御適用　

RF級電源　・高効率・低損失化

（高周波共振制御）・小型化

・Active-converter採用　・小型・低損失化　　

・省エネ・低損失化・小型化

・系統連携機能の向上

・省エネ・低損失・小型化　・低ノイズ化（EMI対策）　・メンテナンス簡易化　・Matrix-Conv適用検討

　・高圧ダイレクト駆動　

UPS 　


・MOSゲート化

　


送配電PE 　















・MOSゲート化

　

交通用電源　・小型・低損失化

（共振方式の検討）・MOSゲート化

　



・MOSゲート化

　


送配電PE 　・小型・低損失化　

送配電PE 　





　



　産業ドライブ太陽電池燃料電池太陽電池燃料電池


HEV・FCVドライブ・小型化・軽量化・省エネ・低損失化　・高圧化・高集積化　・小型化・軽量化・省エネ・低損失化　・高圧化・高集積化　







・Active-converter採用　・小型・低損失化　　・Active-converter採用　・小型・低損失化　　・Active-converter採用　・小型・低損失化　　













パワーエレクトロニクス装置の応用マップとパワーデバイスのニーズ

出展：荒木達，「パワーデバイス新技術」，ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ学会, 第19回専門講習会ﾃｷｽﾄ，p.26 （2004年）


①シーズから発展・・・新しい機能を持った素子の開発がパワエレに新しい命を吹き込んできた

②ニーズから発展・・・それぞれの時代が要求するものづくり技術が新しい素子の開発を生んだ

・ASIC（用途指向形半導体集積回路）・ASEM（用途指向形モータドライブ）

ものづくりニーズに応える

参考資料：マイウェイ・テクノサービス株式会社発行，「パワーエレクトロニクスダイジェスト（PED）」，2005. Jul. Vol.7松井信行，Front Message “パワーエレクトロニクスの流れに想う”

パワエレ発展の二つの見方

・ASPD（用途指向形パワーデバイス）???

３．パワエレ発展の考え方


４．技術要求とﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ（ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾃﾞﾊﾞｲｽ）サイリスタからＩＧＢＴへ（過去）

製品トレンド要求項目ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾃﾞﾊﾞｲｽ特徴

圧延機制御

交流電化

小型・高効率な

電力変換

サイリスタ

（小型）静止電源

fsw:100Hz程度

チョッパ電車粘着・低M/T比・

省エネ

逆導通サイリスタ

回路の小型化

fsw:250Hz

ｲﾝﾊﾞｰﾀｴｱｺﾝ

交流可変速

省エネ

（ｵｲﾙｼｮｯｸ）

ﾊﾟﾜｰﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ

自己消弧形素子

fsw:4kHz※1

地下鉄

千代田線

粘着・低M/T比・

省エネ

IGBT電圧制御素子

fsw:数‐十数kHz※2

※１・・・電圧形・電流形の議論の終焉，Six in One※２・・・電圧駆動形のeffect，IPM化


４．技術要求とﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ（ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾃﾞﾊﾞｲｽ）ＩＧＢＴから次世代素子へ（現在から未来へ）

製品トレンド要求項目ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾃﾞﾊﾞｲｽ特徴

HEV, PEV 環境問題

燃費向上

IGBT fsw=数kHz

ﾏﾄﾘｯｸｽｺﾝﾊﾞｰﾀﾒﾝﾃﾝﾅﾝｽﾚｽ

高信頼性・

有寿命部品レス

RB素子

（逆耐圧性向上）

fsw=数‐十数kHz

モータ

◎従来技術（ｺﾝﾊﾞｰﾀ／ｲﾝﾊﾞｰﾀ）

平滑コンデンサ（異形バルク部品，有寿命）

◎ﾏﾄﾘｯｸｽｺﾝﾊﾞｰﾀ

モータ

平滑コンデンサレス直接AC-AC変換

双方向素子（RB-IGBT逆並列）


RB-IGBTの一例（トレンチ分離形終端型）

ＩGBTの特性そのものは，従来のNPT形ＩＧＢＴと同等分離領域小，チップサイズも小さくできるプロセスは従来のＩＧＢＴと同じ高耐圧化には深いトレンチを形成する必要＝量産難

ダイジンク側面


RB-IGBTの一例（分離層改良型）

出展：富士電機時報，Vol.80, No.1, p.81 (2007)

[改良] ウェハー裏面よりV字溝を形成し，その側壁にイオン注入。レーザアニールによりp+分離拡散層を形成。

高耐圧化の熱処理時間を短縮

[従来技術]高温・長時間の熱拡散で深い分離拡散層を形成


５．次世代ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽへの要求

• 高耐圧化－1200V耐圧（産業用AC200～400V系のインバータ用途）

• 高ｽｲｯﾁﾝｸﾞ周波数化－ﾊﾟﾜｴﾚ機器の高電力密度化（変換電力／装置容積）

リアクトルなど異形部品の小型化fsw>100kHz（産総研＋首都大学東京の研究Ｇ）※1

fsw=200～500kHz（スイス連邦工科大の研究Ｇ）※2

• 低損失化＆高動作上限温度化－高電流密度化 >500A/cm2（HEV, PEV用途）

出展： ※1 H.Ohashi, “Recent Power Devices Trend”, IEEJ, Vol.12, No.3, pp.168-171(2002)※2 J. W. Kolar, et.al: “PWM Converter Power Density Barriers”, Conf. Proc. of the Fourth Power Conversion Conference (PCC-Nagoya), pp.P-9-P-29, 2007


MOSFET Thy/GTO/GCTIGBT/IPM MOSFET MOSFET Thy/GTO/GCTThy/GTO/GCTIGBT/IPM IGBT/IPM

10 100 1000 10000 100000 10 100 1000 10000 100000 1.E‐01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E‐01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

装置電圧（V）

装置

容量

（K

VA

） UPS 　


・MOSゲート化

　


送配電PE 　














UPS 　


・MOSゲート化

　


送配電PE 　















・MOSゲート化

　

交通用電源　・小型・低損失化

（共振方式の検討）・MOSゲート化

　



・MOSゲート化

　


送配電PE 　・小型・低損失化　

送配電PE 　





　



　産業ドライブ太陽電池燃料電池太陽電池燃料電池


HEV・FCVドライブ・小型化・軽量化・省エネ・低損失化　・高圧化・高集積化　・小型化・軽量化・省エネ・低損失化　・高圧化・高集積化　







・Active-converter採用　・小型・低損失化　　・Active-converter採用　・小型・低損失化　　・Active-converter採用　・小型・低損失化　　













パワーエレクトロニクス装置の応用マップとパワーデバイスのニーズ

出展：荒木達，「パワーデバイス新技術」，ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ学会, 第19回専門講習会ﾃｷｽﾄ，p.26 （2004年）1200V耐圧で大部分の用途がカバー


高出力密度ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽのロードマップ

出展： H.Ohashi, “Recent Power Devices Trend”, IEEJ, Vol.12, No.3, pp.168-171(2002)


現状のﾃﾞﾊﾞｲｽ冷却技術

◎優れた冷却性能を実現する放熱材料

出展：廣田幸嗣・三原輝儀・篠原俊朗，「モービル・パワー・エレクトロニクス入門－第３回－パワーモジュールの実装設計」，日経エレクトロニクス，pp.125-133（2007年6月18号）


◎両面冷却パワーモジュール(LEXUS600h)ワイヤ・ボンディングの代替技術

チップ裏面をはんだ接合，表面をCuスペーサを介したヒートスプレッダへの面接触

出展：廣田幸嗣・三原輝儀・篠原俊朗，「モービル・パワー・エレクトロニクス入門－第３回－パワーモジュールの実装設計」，日経エレクトロニクス，pp.125-133（2007年6月18号）

現状のﾃﾞﾊﾞｲｽ冷却技術

低損失化・高動作上限温度化が進めば，冷却系が簡素化


◎パワーモジュール内のCompatibilityにかかわる課題

①熱的課題局所的なチップ温度上昇による熱暴走＝瞬時に永久破壊

・３次元構造の熱回路網モデリングによる解析評価→チップの電力損失に見合ったマージンのある放熱設計

・サーマルダイオードによる温度モニター

高出力密度電力変換を支える周辺技術



②熱応力的課題チップの局所的な熱抵抗増加による熱破壊はんだや半導体チップにせん断歪みや伸縮歪みを生じはんだ接合部やチップの脆弱破壊

・低熱膨張係数の材料の選定→ｲﾝﾊﾞｰ，ﾓﾘﾌﾞﾃﾞﾝ(Mo)など金属両面に張り合わせたｸﾗｯﾄﾞ材

Cu-Mo合金，DBCセラミック基板・ボンディングワイヤの温度サイクルによる疲労破壊寿命予測・放熱グリースの長期安定性確保（ﾎﾟﾝﾌﾟｱｳﾄやﾄﾞﾗｲｱｳﾄ回避）

高出力密度パワエレを支える周辺技術



③電気磁気学的課題ワイヤやバスバーの寄生インダクタンスによる過渡電圧巻線の対地容量によるコモンモード電流電線の表皮効果線間結合によるコモンモード雑音(EMI）

・磁場・回路連成解析による解析設計対策

高出力密度パワエレを支える周辺技術

素子の能力を活かす回路トポロジーと連成設計を含め，ニーズに応じて信頼性を保証する総合的ソリューションが必要


大橋弘道、応用物理第７３巻第１２号p.1571、２００４年

知的クラスター創成事業（名古屋工業大学）GaN次世代ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽの創出

オン抵抗／耐圧比に優れるGaN


知的クラスター創成事業（名古屋工業大学）GaN次世代ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽの創出

大口径Si基板上GaNヘテロエピタキシャル技術の開発

大口径化コスト高出力化総合評価GaＮ/Si ◎ ◎ ○ ◎GaN/SiC △ △ ◎ ○GaN/サファイア ○ ○ △ △ＧａＮ／ＧａＮ △ △ ○ △ＳｉＣ △ △ ◎ ○

次世代自動車用高出力ﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ、高周波ﾃﾞﾊﾞｲｽの開発名古屋工業大学江川孝志教授を中心とするプロジェクトチーム

（1）６インチ用ＭＯＣＶＤ装置開発（2）Si上へテロエピの高品質化、結晶評価技術の確立（3）プラズマによるダメージフリードライエッチング技術の開発（4）高効率パワーデバイス・高周波デバイス開発（5）ＧａＮを用いた低消費電力回路技術の確立

高耐圧化，高ｽｲｯﾁﾝｸﾞ周波数化，低損失化＆高動作上限温度化

東海地域におけるganﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽ開発€¦ · 特徴. 圧延機制御 ......

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