成果報告書詳細
管理番号20130000000955
タイトル平成20年度-平成22年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発 エネルギー使用合理化技術実用化開発 インバータ高効率化のためのGaN双方向スイッチの研究開発
公開日2014/1/25
報告書年度2008 - 2010
委託先名パナソニック株式会社 国立大学法人名古屋工業大学 独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー部
和文要約本研究開発においてはエアコンなどの家電用インバータの電力損失を低減するために、シリコンの材料物性を凌駕する窒化ガリウムを用いた新規双方向スイッチにより、低損失インバータの実用化研究開発を行うことを目的とする。
平成20年度は双方向スイッチのゲート駆動回路開発、デバイスの大電流・高耐圧化を、平成21年度は空調ファンを想定したインバータ(250V-1A級)の試作・評価を、平成22年度はエアコンを想定したインバータ(600V-20A級)の試作・評価に取り組んだ。
GaN双方向スイッチインバータ技術の開発という全体計画における最終目標は家庭エアコン用インバータの中間定格動作時効率98%以上であったが、GaN-GITを用いた高出力インバータをエアコン実機に適用し1.5kW動作及び中間定格動作時効率99.2%(0.75kW出力時)を達成。同中間出力時において、従来のIGBTと比較し損失を21.8W低減し、当初目標での省エネルギー効果(10.24W以上)を実証した。
個別研究項目における成果は以下の通りである。
(1)GaN結晶成長技術
最終目標はGaN膜厚7μm、耐圧800V以上であったが、SiとGaN層の間にGaN/AlN歪超格子を挿入し、さらにピット密度を低減することによる耐圧向上を確認。エピ総膜厚9.0μmを実現、エピ(縦方向)耐圧として1813Vを実現。移動度を1826cm2/Vsまで向上した。さらに6インチ成長を確認した。以上の通り、目標を上回る値を実現できた。
(2)デバイス技術
最終目標は電流20A耐圧800V、さらに6インチ展開であったが、GaN-GITにおいて電流22A、耐圧830Vを実現した。さらに6インチ基板上でのデバイス動作を確認し電流120Aを確認した。以上の通り、目標を上回る値を実現できた。さらに新たな高耐圧化技術としてSi基板上GaN耐圧ブースト構造を提案し、耐圧2200Vを確認、従来同膜厚時と比較し耐圧を約5倍に向上させた。
(3)インバータ集積化技術開発
20A級インバータ集積化を目指した取り組みにおいて、新たにFeイオン注入を用いた高耐圧素子分離技術を開発し、ワンチップ集積化ICによるインバータ駆動を世界で初めて確認、変換損失をIGBTと比較し42%低減できた。
(4)IC/モジュール実装技術
高放熱実装技術を目指した取り組みにおいて、モジュール用両面放熱型リードフレーム実装、高放熱ヒートパイプパッケージを提案、デバイス動作を確認しその効果を実証した。
(5)デバイスモデリング
回路設計手法の確立を目指した取り組みにおいて、GaN素子の等価回路モデリングを確立し、スイッチング波形を再現、精度90%を確認した。
英文要約The purpose of this study is to develop technologies which will be applied for the commercialization of the highly efficient inverter systems by using Gallium Nitride (GaN)-based bidirectional switches. The GaN material has superior properties than conventional Si and thus expected to reduce the power consumption in motor drive in appliance systems such as air conditioners.
In FY2008, this study developed a driving circuit for the gate of the bidirectional switches and GaN-Gate Injection Transistor (GIT) with high drain current and breakdown voltage. In FY2009, this study developed inverter system with relatively low current aiming at fan motor system (250V-1A). In FY2010, this study developed inverter system with high current aiming at air conditioners (600V-20A).
The final technical target is over 98% efficiency at middle output in the inverter system for air conditioners. This study achieved high output power of 1.5kW together with efficiency of 99.2% at the middle output of 0.75kW. The operating loss is reduced by 21.8W from conventional IGBT-based inverters. This study achieved contribution of the energy saving over 10.24W which is set as a final target of this study.
The detailed achievements of this study for the individual categories are summarized as follows.
(1) Epitaxial growth of GaN
GaN/AlN strained superlattice is placed between the Si and GaN. In addition by reducing the surface pit density, this study achived total epitaxial thickness of 9 -m with vertical breakdown voltage of 1813V. 6-inch epitaxial growth of GaN on Si was also confirmed. These results are superior to the initial taget of the total thickness of 7-m with breakdown voltage of 800V.
(2) Device technologies
This study achieved high drain current of 22A with breakdown voltage of 830V which exceed the initial target of 22A and 800V. In addition, fabrication process over 6-inch wafer was established by which very high drain current of 120A was achieved. A novel technology to increase the breakdown voltage of GaN on Si was also proposed. The blocking-voltage-boosting technology achieves the breakdown voltage of 2200V, which is 5 times higher than the value for conventional GaN on Si with the same epitaxial thickness.
(3) Integration technologies for inverter system
High voltage device isolation using Fe-ion implantation enables successful integration of GaN-GITs on Si for the world first GaN-based monolithic inverter IC. The operating loss is 42% reduced from that by conventional IGBT-based inverters.
(4) Assembly/packaging technologies for integrated circuits and power modules
A new lead frame with heat spreading to both sides and heat-pipe package technologies were proposed, by which the reduction of the power consumption was confirmed.
(5) Device modeling
Equivalent circuit model for the GaN-GIT was established. The model well emulated the waveforms and the accuracy reached 90%.
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