成果報告書詳細
管理番号20130000001063
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 次世代パワーエレクトロニクス技術開発(グリーンITプロジェクト)
公開日2014/1/24
報告書年度2009 - 2012
委託先名株式会社日立製作所 三菱電機株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所 技術研究組合次世代パワーエレクトロニクス研究開発機構
プロジェクト番号P09004
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成21年度-平成24年度成果報告書 次世代パワーエレクトロニクス技術開発(グリーンITプロジェクト)

1.SiC接合FETとSiCショットキーダイオードならびに、その回路技術を開発し、高効率サーバ電源の基本技術を確立した。SiC接合FETについては600V,40A,オン抵抗率2.1mΩ・cm2、Si素子に準ずる信頼性性能を実証した。またSiCショットキーバリアダイオードについては600V,40A,オン電圧1.5V、Si素子に準ずる信頼性性能を実証した。さらにサーバ電源向け回路技術について検討し、スピードアップ併用ソース端子分割駆動方式を考案し、ターンオン時間48.4ns、ターンオフ時間35.3nsを実証した。またデッドタイムを保証するためのマージン補償回路を考案した。開発した高速駆動回路技術とSiC素子を適用し、2kW電源を試作し、負荷率50%において変換効率95.10%を実証した。2.30kW級の太陽光発電用パワーコンディショナのプロトタイプを試作し定格運転時の効率が98%以上となることの実証とその性能実現に必要なSiC-MOSFETの高性能化を実現した。デバイス開発では、MOSFETの移動度を向上する処理技術を開発した。この処理とMOSFET構造の最適化により低オン抵抗化を実現した。素子サイズは5.77×5.72mmであり5mΩcm2のオン抵抗率を達成した。パワーコンディショナ-では定格出力時の効率98%以上を実現するため、上述のSiC-MOSFET及び低損失のフィルタを開発し3レベルのインバータを試作し電力変換効率の評価を行った。その結果、定格運転時の変換効率98%以上(ピーク効率98.88%)を確認した。3.変換器の応用分野開拓には小型化や軽量化が期待され、そのために電力変換器の出力パワー密度(電力変換容量÷変換器容積)性能を大きく向上させることを目指した。SiCスイッチング素子の低オン抵抗化による低発熱と高接合温度(Tj)による冷却系の小型化、高周波化という、SiC半導体の特性を生かした変換器の設計基盤技術の確立と、作製した変換器の検証を行った。スイッチング素子の開発では、低オン抵抗特性と耐圧性能との両立を図るMOSFET構造を検討し、作製に必要なプロセスの開発を行った。作製した素子特性を評価しダブルUMOS構造が適していることを実証した。素子の信頼性や歩留まりに影響するSiO2/SiC界面の評価の他にエピ膜ウエハの変形・欠陥の評価手法を開発した。変換器の高パワー密度化を目指した。低損失スイッチングデバイスを採用した高温動作電力変換器の設計・試作技術の開発では、接合温度250℃までを想定した。ヒートサイクル試験他による材料の熱環境における挙動を解明し、実装技術の信頼性評価を行った。SiCデバイスの高速性、低損失特性を引き出す回路技術、変換器の浮遊インダクタンス容量を減らす配線構造、高速スイッチング特性によるサージ電圧抑制、電磁干渉によるノイズ低減とフィルタの技術を開発し、70W/cm3の出力パワー密度をもつインバータを実証した。高温接合温度の採用はパワー高密度化に寄与するが、一方実装技術に関しては材料等が温度影響されるので、長期信頼性に対する材料開発や劣化を受けにくい新たな実装技術の開発が必要である。そのため、高温でのデバイス特性、材料技術を最適化する統合設計技術の開発を行った。それらのシミュレーション成果を踏まえて、両面接合構造を採用することで、実装材料への負荷を減らし、さらにワイヤンボンドを排し、低浮遊インダクタンス容量を実現する構造を提案して将来性を検証した。一層の高出力パワー密度化が可能である事を示した。
英文要約Title:Development of Next-generation Power Electronics Technology Project. (Green IT Project) (FY2009-FY2012) Final Report

1. A silicon carbide junction-field-effect transistor (SiC JFET), Schottky barrier diode (SiC SBD) and its gate-drive circuit were developed for providing high-efficiency server power supply. The results of this project in detail are as follows: We demonstrated a 600-V 40-A SiC JFET, its specific on resistance of 2.1 mΩcm2 and equivalent reliability in Si transistors. A 600-V 40-A SiC SBD, its forward voltage of 1.5V and equivalent reliability in Si diodes are also developed. High-speed driving circuits by speed-up capacitor with separated source terminal and timing adjust circuits for ensuring dead-time margin is proposed. This drive circuits and timing circuits give turn-on time of 48.4 ns and turn-off time of 35.3 ns. Efficiency of 95.10% at 50% load factor with a 2-kW proto-type power supply are demonstrated by utilizing above these techniques. 2. The objective of the project is to develop a technology to improve the efficiency of the power converter for photovoltaic systems to over 98% and realize an extremely low resistive power device to achieve this level of efficiency. For this purpose, we developed a new post-oxidation annealing process to improve the channel mobility of MOSFETs and applied to a larger size MOSFET with an effective area of 0.25cm2 and obtained a specific resistance of 5mΩcm2.As for the power converter, we fabricated a power converter of the 3-level system with a rated output power of 30kW using the SiC- MOSFET. And we verified that the power conversion efficiency is over 98% at the output rating and that the maximum conversion efficiency is 98.88% 3. High temperature operation of low on-resistance power devices improves the output power density of the power converters. Based on this situation, new device structure and fabrication process have been investigated in order to develop lower on-resistance power devices. In order to design the high temperature power converters whose power devices are operated in the range of 200 ~ 250 degrees C, the long-term reliability, cooling design, wiring inductance have been investigated, and the output power density of 70W/cm3 has been achieved. The prevention of the deterioration of the electric joints and the suppression of surge voltage are also analyzed, and the design strategy of the power converters using high device temperature has been clarified. Based on these investigations, the new power module structure which eliminates the wire-bond and increases output power density has been proposed.
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