固体絶縁方式の革新的高耐電圧・高信頼化

创新的高耐压高可靠性固体绝缘方法

• 批准号: 15J05161
• 负责人: 佐藤 正寛
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J05161/
• 关键词: パワーモジュール; IGBTモジュール; シリコーンゲル; 固体絶縁; 高分子材料; 量子化学計算; 空間電荷; 沿面放電; 部分放電; ストリーマ; PRPDパターン

パワーモジュールに印加されるような立ち上がりが10 nsのオーダの電圧波形を繰り返し印加できる電源回路を構築することで、種々の印加電圧波形下のパワーモジュール中の絶縁劣化現象を調査し、さらにそれを診断する方法を検討した。また、SiCチップ端の電圧分担特性を取得することに成功した。量子化学計算や分子動力学計算および、モンテカルロシミュレーションを用いたマルチスケールな、かつ、その場しのぎのパラメータを用いない計算方法によって高分子絶縁材料における電荷輸送特性を評価した結果、有機結晶のみならず絶縁材料の非晶領域において計算された電荷移動度が実験結果を良好に再現することが確認できた。さらに、代表的な高分子絶縁材料であるポリエチレンにおける正孔輸送の描像が以下のように明確になった：結晶状態では、静的なエネルギー乱れが小さいために、電荷輸送における電荷と分子の振動の相互作用に関する量子論的な効果が大きい。また、持続長よりも長いアルカン鎖の結晶では常温において分子間の振動のモードによって電荷の輸送が促進される領域にある。これらの効果によってポリエチレン(アルカン)材料は電子カップリング項が有機半導体材料と比べて一桁以上小さいものの、有機半導体材料に近い大きな移動度(~0.1 cm^2/Vs)を持つ。非晶状態では構造的な乱れによる電荷の局在化の度合いが強く、分子の再配向の影響が大きくなる。さらに、電荷の局在化領域の特徴長さにバラツキが生ずるため、正孔のホッピング前後のホッピングサイトエネルギーがバラつき、エネルギー的に不利な電荷移動が移動度を支配し、結果として非晶領域の正孔移動度は小さくなる。以上により、実験および、シミュレーションの双方から絶縁材料の選定指針や、設計指針を与えられることが示された。これらは固体絶縁材料の高耐圧化や高寿命化に資するものである。

通过构建可重复施加上升幅度为 10 ns 量级的电压波形（如应用于电源模块的电源电路）的电源电路，我们研究了在各种施加电压波形下电源模块的绝缘劣化现象，并进一步研究了电源模块的绝缘劣化现象。我们考虑了电源模块的绝缘劣化的诊断方法。我们还成功获得了SiC芯片边缘的均压特性。通过使用量子化学计算、分子动力学计算和蒙特卡罗模拟的多尺度计算方法，在不使用临时参数的情况下评估聚合物绝缘材料中的电荷传输特性，结果发现，不仅是有机晶体，而且还证实了计算出的绝缘材料非晶区的电荷迁移率很好地再现了实验结果。此外，典型的聚合物绝缘材料聚乙烯中的空穴传输情况已阐明如下：在结晶状态下，静态能量扰动很小，因此在电荷传输过程中会发生电荷和分子振动。关于相互作用的量子理论效应。很大。此外，在烷烃链长于持久长度的晶体中，室温下分子间振动模式促进电荷传输。由于这些效应，聚乙烯（烷烃）材料具有接近有机半导体材料的大迁移率（~0.1 cm^2/Vs），尽管电子耦合项比有机半导体材料小一个数量级以上。在无定形状态下，由于结构无序而引起的电荷局域化程度较强，分子重新取向的影响变大。此外，由于电荷局域区的特征长度变化，空穴跳跃前后的跳跃位点能量变化，并且能量上不利的电荷转移主导迁移率，导致非晶区迁移率变小。综上所述，实验和模拟都可以为绝缘材料的选择和设计提供指导。这些有助于提高固体绝缘材料的耐压性和延长使用寿命。

项目成果

Computational study on Kerr constants of neutral and ionized gases

中性气体和电离气体克尔常数的计算研究

• DOI: 10.1063/1.4929455
• 发表时间: 2015
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: M. Sato;A. Kumada;K. Hidaka
• 通讯作者: K. Hidaka

電子デバイス

电子设备

• 发表时间: 2008

Computational Study on Electron Mobility in Liquid Benzene

液苯中电子迁移率的计算研究

• 发表时间: 2016
• 作者: M. Sato;A. Kumada;K. Hidaka;佐藤正寛，熊田亜紀子，日髙邦彦;佐藤正寛;佐藤正寛;Masahiro Sato;Masahiro Sato
• 通讯作者: Masahiro Sato

Determination of Hole Mobility in Crystalline Polyethylene by First-principles Calculation

第一性原理计算测定结晶聚乙烯中的空穴迁移率

• DOI: 10.1541/ieejfms.136.561
• 发表时间: 2016
• 期刊: IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials
• 作者: 佐藤正寛，熊田亜紀子，日高邦彦;平野敏行;佐藤文俊
• 通讯作者: 佐藤文俊

Dynamic potential distributions of surface discharge in silicone gel

• DOI: 10.1109/tdei.2015.7116371
• 发表时间: 2015-06
• 期刊: IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation
• 影响因子: 3.1
• 作者: Masahiro Sato;A. Kumada;K. Hidaka;K. Yamashiro;Y. Hayase;T. Takano