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先進パワーエレクトロニクス研究センター

パワー回路集積チーム
 電気エネルギーは輸送、制御のしやすさ、高効率等の特長があり、そのことから最終利用エネルギー形態としての電力化率は高く、今後、更なる増加が見込まれています。また、温室効果ガス削減等の観点から、太陽光・風力などの新しい発電、電気自動車など新しい用途が、急速に拡大しています。電気エネルギーは、電力系統から消費者まで、用途に応じて様々に変換され供給されるため、これを高効率に利用するためには、次世代電力変換器(インバーター)技術の開発・未活用分野への導入が重要となります。



電力変換機の革新と導入量拡大が必要


 ワイドギャップ半導体は、シリコン半導体に対し、材料特性の差異から、高温動作、高パワー密度、高速動作などの、高出力省エネ・デバイスとして有力な特徴を有しています。
 以上の観点から、パワー回路集積チームでは、ワイドギャップ半導体を電力エネルギー制御へ活用するため、電力変換器の設計技術(回路技術・実装技術・モジュール化技術・シミュレーション技術など)について研究を進めています。





研究概要

 電力変換器の設計は、パワー素子だけではできず、周辺技術を含めた設計体系の系統的な知見(データベース)が必要となります。特に、ワイドギャップ半導体では、従来のシリコン半導体に比べて、高温、かつ、高速に動作可能であるため、従来とは異なる、新しい設計技術が重要となります。




電力変換機の実現




 「三次元実装技術」
      

電気的な接合を形成するため、デバイスの片面をダイボンディングし、反対側をワイヤーボンドする構造が一般的です。SiCパワーデバイスを用いる場合、SiCパワーデバイスの高温動作により冷却器を小型化できますが、両面からの冷却により、より多くの抜熱が可能になります。また、将来の大電流密度化/高速動作を見据えて、三次元実装が有望であると考えています。


 「高温接合材料」
      

300℃以上の高温で動作可能な、ワイドギャップ半導体素子の特徴を生かすため、高温実装技術を開発しています。これまでは、300℃以上で利用可能な高温はんだを主に研究を進めてきましたが、三次元実装を目指して焼結計の接合材料の研究についても進めています。


 「モジュール作製技術」
      

三次元モジュール作製のため、新たなチップマウント方法として、フリップチップボンディング技術の開発を進めています。また、この技術を用いて、三次元モジュールの基礎開発に着手しています。


 「SiC回路技術」
      

SiCパワーデバイスを用いた回路は、従来のSiCパワーデバイスに比べ、スイッチング速度が速く、動作損失の点で有利と言われています。一方、この高速スイッチングのため、サージノイズなど、新たな問題も指摘されています。現在、スイッチング速度とサージ電圧の相関について考察し、ここに回路の寄生インダクタンス/素子のスイッチングダイナミクスを合わせ検討することで、サージ電圧の低減の可能性を検討しています。



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