成果報告書詳細
管理番号20110000001747
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業/挑戦研究(事前研究) 次々世代MPU用給電システムの事前研究
公開日2012/2/17
報告書年度2009 - 2010
委託先名国立大学法人九州工業大学 国立大学法人東北大学 国立大学法人九州大学 国立大学法人長崎大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約まえがき:本研究は、超高速パワーデバイスおよび超小型キャパシタ、超小型・薄型インダクタを研究開発し、さらに、それらの要素部品を組み合わせて一体化したマイクロコンバータを試作することを目指し、その過程における課題を抽出し、基本仕様を確立する。さらに、MPU用電源システムとして、このマイクロコンバータを用いた階層型コンバータシステムを想定し、その高電力密度化の課題を明らかにすることである。本研究では、4つの大学の共同研究の体制をとり、次の4つの研究課題に分け、分担した。
(1) 階層型コンバータシステムの高電力密度化の研究(長崎大学)
 階層型コンバータシステムの基本となるマイクロコンバータの2段縦続接続システムの安定性について九州大学と共同で検討した。その結果、入出力インピーダンスに関わる安定性条件を導出し、各段の並列コンバータ数の設計条件を検討した。更に、コンバータシステムの高機能化、また、高電力密度化を図る回路・システム手法として、マトリックスPOL電源システムを提案している。ここでは、ワンチップ化したPOL(Point-of-Load)を多数個直並列に配置し、負荷側の要求に応じた電圧、電流が得られるように動的制御を行う。この電源システムの制御方法は必然的にDSPによるディジタル制御を想定している。各POLのゲート駆動方法や制御指針等の検討は今後の課題であり、マトリックスPOL電源システムそのものを集積化することも将来の検討課題である。
(2) 階層型コンバータシステムの高安定化の研究(九州大学)
 階層型コンバータシステムの基本となるマイクロコンバータの2段縦続接続システムの安定性について長崎大学と共同で検討した。その結果、入出力インピーダンスに関わる安定性条件を導出し、各段の並列コンバータ数の設計条件を検討した。
(3) 超高速パワーデバイスの研究とスイッチング電源高効率化への応用およびマイク
    ロコンバータ用高誘電体キャパシタの研究(九州工業大学)
 オンチップキャパシタは、次世代パワーSoC技術のもっとも重大なボトルネックといわれている。この研究では、まず解析モデル式を新たに構築した。このモデル式を用いて、典型的なケースについて理論的な性能限界を計算し、トレンチキャパシタの可能性と課題を抽出した。この解析式によると、たとえばMHzレベルの高速スイッチングに対応する500nFのコンデンサをチップ上に作る場合、数mm2から10mm2もの大きな面積が必要になることが分かる。実際的な構造については、TCADを用いて半導体の基本方程式を解いてコンデンサの特性を解析した。
(4) マイクロコンバータ用超小型・薄型インダクタの開発(東北大学)
 複数の磁性体について基礎的磁気特性を計測し、またJiles-Atherton型の磁化モデルパラメータを抽出し、1W・10MHz動作を前提に0.5mm以下の総厚とするようなモデルインダクタを設計・試作した。この際、ARPA-E (Advanced Research Projects Agency - Energy) workshop on Power Technologies(公開ベース)で得た知見を反映させた。
英文要約Research and Development Program for Innovative Energy Efficiency Technology : “Pre-Research Survey Project on Power-Distributing Converter Systems for Future Micro-Processor Units” (FY2009 ~ FY2010) Final Report
 The goal of this project is the development of micro-capacitors and micro-inductors, and the experimental fabrication of a micro-converter through the integration of these micro devices. Furthermore, the final result is estimated to complete a new powering system required for the next-generation micro-processor units. This project was performed by four groups having their individual aims. The activities of four groups are summarized as follows:
(i) Increase in Power density of a Multi-Layer Power-Distributing Converter System (Nagasaki University): We have proposed “A Multi-layer Converter System” for a future MPU, and focus its power-density increase. Firstly, consider the stability criterion for a cascade-connected dc-dc converter system in co-operation with Kyushu University group. Further, we propose a new architecture of a power- distributing converter system by connecting a lot of POLs in series and parallel configuration, which is named as “Matrix-Connected POL Powering System.” This converter system is controlled by a DSP digital controller. A lot of techniques such as the gate-driving circuits for floating switches and the controller design have to be developed in the next step. Furthermore, the single-chip integration of this matrix POL system is future work.
(ii) Stabilization of a Multi-Layer Power-Distributing Converter System (Kyushu University) : In cooperation with Nagasaki University, we considered the stability criterion for a cascade-connected dc-dc converter system, which is the basic system of a Multi-Layer Power-Distributing Converter System.
(iii) Survey of High-Speed Semiconductor Power Devices for High-Efficiency Switching Power Converters and On-Chip Capacitors for Miniaturized Converters (Kyushu Institute of Technology) : The on-chip capacitor technology will be the most important bottle neck to put the future Power SoC into market. In the research, we establish a simple yet efficient capacitor model equation for the theoretical limit. This model shows that the total area has inverse proportion to maximum electric field, which implies that the quality of insulation layer (SiO2 for example) quality is the key issue. As the result, even according to the theoretical model, 500nF capacitor requires substantially large total area of 3-10mm2 for MHz switching. The TCAD results show some case study with practical design of trench capacitors.
(iv) Development of Super-Low-Profile Inductors for Micro-Miniaturized Converters (Tohoku University) : The theme charged to Tohoku University is “Development of Super-Low- Profile Inductors for Micro-Miniaturized Converters.” Basic magnetic properties and Jiles-Atherton type magnetic hysteresis model parameters were extracted for more than two kinds of candidate magnetic materials for the inductor. These parameters are used to design a model inductor with power rate of 1W and switching frequency of 10 MHz, in which knowledge from ARPA-E (Advanced Research Projects Agency - Energy) workshop on Power Technologies (open-base) were considered. Then one sample of the super-low-profile inductor was experimentally manufactured.
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