炭化珪素デバイスの高速スイッチング特性に注目したMHz級高周波電力変換器

MHz级高频功率转换器，专注于碳化硅器件的高速开关特性

基本信息

批准号：
18K13802
负责人：
奥田貴史
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-01 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18K13802/
关键词：
電力変換回路高周波動作 SiCデバイスデバイスモデル駆動回路回路シミュレーション寄生インダクタンス高周波電力変換回路パワーエレクトロニクス炭化珪素トランジスタデバイスモデリングパワープロセッシング

项目摘要

本研究では炭化珪素(SiC)パワーデバイスの高速スイッチング特性に注目し，駆動周波数10 MHzをこえる高周波電力変換回路の実現をめざす．SiCは高い絶縁破壊電界を有しており，Siデバイスの物理限界をこえる高耐圧，低オン抵抗のデバイスが実現できる．SiCデバイスはSiを置きかえる形で実用化がすすんでおり，本研究ではさらにその先を見据え，Siでは成しえない高周波電力変換回路の提案をめざす．昨年度では10 MHzに対応した回路シミュレーション環境を構築した．デバイスモデルに改良を加え，10 MHzの高周波スイッチングを精度よく再現できるようにした．特にミラー期間中ではチャネル領域の非理想的な特性の影響を受けやすく，注意深くモデリングを行う必要があることがわかった．また，受動部品にも注目し，MHzクラスでの振る舞いについて詳しく解析した．これらの知見を総合し，10 MHzという極めて高い周波数領域でも精度の高い電力変換回路のシミュレーションを実現することができた．今年度では構築した回路シミュレーション環境を用いて10 MHzを超える高周波で力変換回路の設計を行った．MOSFETの帰還容量や出力容量の影響を吟味し，スイッチング速度を制限している物理について考察した．また，寄生インダクタンスの影響についても詳細に調べ，回路パターンの最適化を行った．これにより，13.56 MHzの動作周波数においても直流100 Vから200 Vへの昇圧を実現することができた．また，今回得られた知見を1 MHz級電力変換回路に応用することで，1 kWの昇圧回路においても変換効率95%と非常に高い値を実現した．本研究にて得られた知見は高周波電力変換回路の設計に資するものだと考えられる．

在本研究中，我们重点关注碳化硅（SiC）功率器件的高速开关特性，旨在实现驱动频率超过10 MHz的高频功率变换电路。 SiC 具有高介电击穿电场，使得制造具有高击穿电压和低导通电阻的器件成为可能，超过了 Si 器件的物理极限。 SiC器件正在作为Si的替代品投入实际应用，本研究旨在超越这一点，提出Si无法实现的高频功率转换电路。去年，我们搭建了支持10 MHz的电路仿真环境。我们改进了器件模型，使其能够准确再现 10 MHz 高频开关。特别是，发现在镜像周期期间，容易受到沟道区非理想特性的影响，需要仔细建模。我们还重点关注无源元件，并详细分析了它们在 MHz 级的行为。通过结合这些发现，即使在 10 MHz 的极高频率范围内，我们也能够实现功率转换电路的高精度仿真。今年，我们利用自己构建的电路仿真环境设计了超过10 MHz高频的力转换电路。我们研究了 MOSFET 反馈电容和输出电容的影响，并讨论了限制开关速度的物理原理。我们还详细研究了寄生电感的影响并优化了电路图案。因此，即使在 13.56 MHz 的工作频率下，也可以将电压从 100 V 升压至 200 V DC。此外，通过将这次获得的知识应用于1 MHz级功率转换电路，即使在1 kW升压电路中，我们也实现了95%的极高转换效率。相信本研究中获得的知识将有助于高频功率转换电路的设计。