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1
新型パワーデバイスを用いたパルス電源の低損失化とエネルギー回生
熊本大学 パルスパワー科学研究所パルスパワー基盤部門(パルスパワー発生制御分野)
教授 佐久川 貴志
JST東京本部別館1Fホール(東京・市ケ谷)令和元年9月26日
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技術背景(パルスパワーとは?)
エネルギーを極短時間に圧縮
瞬間的なMW~TW級電力で
極限活性場生成可能な技術
※ここで、 パルス電源は半導体パルスパワー発生装置を指します。
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最も簡単な従来型パルスパワー発生回路
高電圧
直流電源 エネルギー蓄積コンデンサ
放電スイッチ
負荷
Anode
Cathode
Grid
Heater
放電スイッチ(Thyratron)
産業化への課題オンは高速だがオフが出来ない
電極消耗で経年で劣化が早い
寿命が短い(108パルス程度)
安定性が低い
パワーデバイスの進展+
磁気回路の実用化
オン/オフ制御性に優れる劣化が無い長寿命 (1012パルス以上)高安定動作
産業化成功
半導体製造のフォトリソグラフィー光源エキシマレーザの励起パルス電源
技術背景(半導体パルスパワー)
高速サイリスタの開発GTOサイリスタの改良
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実用化(アプリケーション)への技術動向
光源・ビーム・プラズマプロセス
水処理・環境改善
医療・バイオ
フォトリソグラフィー用エキシマレーザTFT液晶アニールレーザ大気圧パルスプラズマ発生オゾナイザ
水処理装置(衝撃波利用アオコ処理)殺菌処理プラスチック-金属分離リサイクル水中放電利用化学活性種生成
視力矯正角膜除去エキシマレーザ顕微鏡組み込み細胞パルス印加装置X線CT用高電圧パルス発生装置
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従来技術(半導体パルス電源装置)
3つのモジュールから構成
1. コントローラ2. 充電器3. パルスパワーモジュレータ
システム構成例 小型パルスパワーシステム外観
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従来技術(小型磁気パルス圧縮回路)
2段磁気パルス圧縮回路
動作電流電圧波形
基本的にエネルギーはC-C転送
C0→C1→C2→(Cp+Load)
LC共振回路による電流パルス圧縮
余剰エネルギーは回路内で消費される
熱となる!
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従来開発技術(大型磁気パルス圧縮回路)
多段磁気パルス圧縮回路
エネルギー回生動作電圧波形
IGBTスイッチを使用トランスに3次巻き線高速ダイオードを利用サージ電圧対策は必要
磁気パルス圧縮を用いたEUV光源
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開発背景(次世代半導体:SiC)
Material Si SiC(4H)
GaN Diamond
Band gap [eV] 1.12 3.26 3.39 5.47Electron mobility μe [cm2/Vs] 1400 1000 900 2200
Breakdown strength Ec [kV/cm] 300 2500 3300 10000
Thermal conductivityλ [W/cmK] 1.5 4.9 1.3 20
Relative permittivityεr
11.8 9.7 9 5.5
Saturated drift velocity νsat [cm/s]
1.0 x107
2.2 x107
2.7 x107
2.7 x107
スイッチング電圧
オン抵抗(損失)
絶縁破壊電圧
冷却
2
2 cd
bd EeN
V絶縁破壊電圧: Vbd
3
24
c
bdon AE
VRオン抵抗: Ron
オン抵抗(損失)
スイッチング速度
半導体材料の物理特性
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開発背景(次世代半導体:SiCーMOSFET)
パワーデバイスのスイッチング容量と動作周波数
サイリスタ
IGBT
SiC-MOSFET?
使用デバイスの変遷
GTOサイリスタ
現在
2000年頃
1990年頃
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低損失評価(SiC-MOSFET vs IGBT)
Switch Device SiC-MOSFET IGBT
Device Model C2M0025120D
(CREE)IRGPS60B120KDP
(IR)
Switching Voltage 1200 V 1200 VPulse current 250 A x6p 240 A ×6p
Storage capacitance
2500 nF 2500 nF
Storage energy : 1 [J/module] at V0=900V
SiC-MOSFETs IGBTs
評価モジュールによる性能比較
比較評価デバイスの仕様値
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低損失評価(SiC-MOSFET vs IGBT)
202
1 VC入力エネルギー [J] =
損失率 [%] =入力エネルギー
スイッチング損失✕ 100
スイッチング損失 [J] = dtIVT
(t)(t)0
評価パラメータの定義
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低損失評価(SiC-MOSFET vs IGBT)
IGBTSiC-MOSFET
05
10152025303540
0 200 400 600 800 1000 1200
Rat
e of
Sw
itchi
ng L
oss:
η [%
]
C0 Charging Voltage:V0 [V]
SiC-MOSFET
IGBT
Low switching loss
V VI
I
SiC-MOSFETとIGBTの損失率比較
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ターンオフサージ(通常方式)
C0:初段コンデンサ, C1:2次側コンデンサSW:半導体スイッチ, D:逆並列ダイオードST:可飽和トランス,FRD:高速逆回復ダイオードDs:スナバダイオード,Cs:スナバコンデンサRs:スナバ抵抗
スナバを付加したパルス発生基本回路
ターンオフサージ電圧波形(オフタイミング考慮無し)
入力電圧の3倍以上に達する
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エネルギー回生の流れ
※高速ゲートターンオフのタイミング制御が重要!
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現状技術
トリガ信号(TTL)10μs 時の各電圧電流波形
ゲート信号を十分長くした場合ゲート電圧
スイッチング電流電圧波形
出力電圧波形
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ターンオフサージ低減とエネルギー回生
トリガ信号(TTL)3μs(Id の反転タイミング)時の各電圧電流波形
ゲート電圧
スイッチング電流電圧波形
出力電圧波形
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高耐圧(3kV)テストモジュール開発
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高耐圧テストモジュール外観
140
D.C. H.V.Input
Trig. Signal(5V,TTL)
A.C.Input
Storage Capacitor
(C0:100nF)
SiC-MOSFETs
PulsedPoweroutput
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開発状況(次世代半導体:SiC)
スナバレス高機能パルス発生回路
縦型構造のMOSFET(VMOS)内蔵のボディーダイオードを利用
シンプルな回路構成!
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高耐圧(3kV)SiC-MOSFET試験
トリガ信号(TTL)1μs高速ターンオフ時の各電圧電流波形
高速ターンオフゲート電圧
3kVスイッチング電流電圧波形
出力電圧波形
エネルギー回生(700V)
サージ電圧抑制
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まとめと将来展望
ディスクリート型SiC-MOSFETを用いて3000Vの高速
スイッチング(高di/dt化)を達成。
IGBTに比べ損失率半減 (1700V動作時)。
ターンオフタイミングの最適化でエネルギー回生を実現。
スナバレスでターンオフサージ電圧フリーを達成。
SiCデバイスの導入により、パルスパワー電源の高性能化が加速、理想的なスイッチングの実現に近づく。
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想定される用途
• エキシマレーザーの励起装置(フォトリソグラフィ、液晶アニール、視力矯正用など)
• パルスプラズマ発生装置
• 高繰り返しパルス電源装置
• 蓄電機器のエネルギー回生回路
• 移動体のモバイル蓄電装置のエネルギ-回生の可能性
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企業への期待
• パルスレーザ、パルスプラズマ、パワーエレクトロニクスの技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• また、電気自動車などのモバイル蓄電機器を開発中の企業、高機能電気エネルギー応用分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。
• エキシマレーザには即導入が可能な技術である。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :スナバレスターンオフサージ抑制回路、
エネルギー回収方法及びプログラム
• 出願番号 :特願2019-115930• 出願人 :国立大学法人熊本大学
• 発明者 :佐久川 貴志
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お問い合わせ先
熊本大学 熊本創生推進機構
主任リサーチ・アドミニストレーター
和田 翼
TEL 096-342-3247
FAX 096-342-3300
e-mail [email protected]