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成果報告書詳細
管理番号20170000000591
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト 次世代パワーエレクトロニクス応用システム開発の先導研究 小型高効率GaN発振器を用いたUVーC発生装置の研究開発
公開日2018/6/2
報告書年度2015 - 2016
委託先名東京計器株式会社 株式会社プラズマアプリケーションズ
プロジェクト番号P10022
部署名IoT推進部
和文要約開発項目 「低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト/次世代パワーエレクトロニクス応用システム開発の先導研究/小型高効率GaN発振器を用いたUV-C発生装置の研究開発」 平成27年度ー平成28年度成果報告書

(東京計器株式会社)
UV-C発生装置マイクロ波電源に使用する小型高効率発振器(マイクロ波半導体発振器)を開発した。発振器の小型化と低消費電力化を実現するために、発振器に使用する高効率増幅器の増幅素子にはGaN-HEMT(GaN:窒化ガリウム)のベアチップ品を採用した。
高効率増幅器は、GaN-HEMTとセラミック基板から成る整合回路を20mm x 30mmサイズのセラミックパッケージにAuSn半田を用いて実装し、パッケージ入出力端にて基本波(2450MHz)50Ω整合とした。結果、60W増幅器ではドレイン効率78.1%(出力電力67W)の性能を達成した。この性能は、マグネトロンやシリコンLDMOSに対するGaNの優位性が示された結果といえる。
UV-C発生装置のマイクロ波電源(MW電源)に用いる発振器(GaN発振器)は、製作した高効率増幅器を用いて名刺大サイズ程度(100mm x 55mm)に小型化され、発振周波数2.455GHz,出力電力60W,効率65%程度の性能を示した。
また、開発した小型高効率発振器を用いてUV-C発生装置に使用するMW電源を試作した。このMW電源は、GaN-HEMTゲート電圧をパルス制御することによって出力電力を可変することができる。結果として、パルス周期30kHzにてデューティーに比例した出力電力を得た。発振周波数は現時点ではメカニカル制御のため、共振器にバラクタを使用するなどした電子制御が課題となる。
 低コスト化に向けてパッケージを使わないポッティング封止の検討についても一部おこなった。封止前後においては電気的特性に変化が見られたが、熱衝撃試験前後での特性変化は観測されずポッティング封止した増幅器の機械的弱点は検出されなかった。

(株式会社プラズマアプリケーションズ)
マイクロ波半導体発振器は、1)低電圧動作、2)低出力、3)出力/周波数の安定度が高く可変、4)小型、5)マイクロ波回路の全同軸化が可能、といったマグネトロン発振器にない優位点を有している。本研究では、これらの特性を活用して従来品よりも優れたマイクロ波放電UV-Cランプの試作と検証を目標とする。
AC/DC放電では陰極によりランプ寿命が制限されると同時に陰極前面に放電維持機構である無発光陰極降下部が発生する。マイクロ波放電では無電極で無発光領域が無いのでランプ長を短くでき、ランプ長あたりUV-C放射光出力(W/cm)を大きくできる。実用面からは、UV-C 変換効率(マイクロ波入力基準)30%程度の無冷却点灯UV-Cランプが求められる。このような諸条件を満たすマイクロ波放電UV-Cランプを開発するために、水銀とアルゴン量の異なる種々の形状のランプを製作して、UVーCランプ特性の測定を行った。
この結果、ランプ長あたりUV-C放射光出力が従来品の3ー4倍の小型UV-Cランプを開発することができた。また、このマイクロ波放電UV-Cランプは、大腸菌と枯草菌に十分な殺菌効果があり、直径1cm、長さ15cmのマイクロ波入力10Wで点灯するUV-Cランプを使用した磁気攪拌機使用水殺菌試作装置は30L/分の処理能力があることを確認した。この時の全AC入射電力はー70Wであった。
マイクロ波半導体発振器は高価で変換効率が低いことが課題であるが、LDMOS半導体では変換効率はー40%に達しており、東京計器が試作した50W 出力のGaN半導体発振器では51%を実現している。このように、上記の課題は遠からず解決されると考えられる。
英文要約Title: The next-generation power electronics project for realizing a low-carbon society. Leading research of next-generation power electronics application systems developments. Feasibility Study on Research and development of UV-C generators using compact, high-efficiency GaN oscillators (FY2015-FY2016) Final Report

(Tokyo Keiki Inc.)
We have developed compact, high-efficiency oscillators to be used as power sources of UV-C generators. So, to make oscillators compact and high-efficiency together, bare die GaN-HEMTs are used as amplifying elements of high-efficiency amplifiers.
Each high-efficiency amplifier comprised from a bare die GaN-HEMT and ceramic substrates as matching circuits, is implemented in a 20mm x 30mm ceramic package using AuSn eutectic solder and matched with 50Ω. The measurement of 60W amplifier results in 78% efficiency with a saturated output power. These results indicate GaN's superiority compared with magnetrons and Silicon LDMOS.
The oscillator used as power sources of UV-C generator is about business card size(100mm x 55mm).The measurement results in approximately 60W output power and 65% efficiency at 2.455GHz.
Using the oscillator and an ACDC power supply, a microwave power supply for UV-C generator has been developed. This has variable output power capability by pulse controlling of the gate voltage. Frequency tuning is done mechanically so far, but will be changed to electrical method in the near future.
We also have studied potting sealing for cost reduction. Changes in electrical characteristics aren’t observed before and after thermal shock test, but, they are observed before and after potting sealing. So, it is evaluated that the designed amplifiers with potting sealing don’t have mechanical weakness.

(Plasma Applications Co., Ltd)
Solid State Microwave generators (SSM) have such attractive characteristics as low driving DC voltage, low MW power generation, high MW output stability, controllable MW frequency, compact size, which are big advantages over the Magnetron Microwave generator. The present research is aimed to develop the compact microwave discharge UV-C lamps with stronger UV-C power density compared with the conventional AC/DC discharge ones. In general, a cathode dark region becomes long with decreasing gas-pressure at AC/DC discharge, which makes the UV-C lamps long. Moreover, electrodes reduce the life time because of the damage by the collision with ions accelerated at the cathode fall. Microwave discharge UV-C lamps are free from these problems so that the UV-C output power /lamp length (W/cm) becomes 3 to 4 times larger than the conventional UV-C lamps, keeping almost same UV-C conversion efficiency as around 30%. The UV-C Lamp with 10mm in diameter and 150mm long operated by 10W input microwave power showed good sterilization effects for Escherichia Coli and Bacillus Subtilis. The prototype water sterilization system showed the water processing speed of 30L/min water, consuming by total AC electric power of 70 W. There are problems for the SSMs concerned with the price and the microwave conversion efficiency. However they will be solved soon by LD MOS and GaN improvement. In fact, Tokyo-Keiki has developed the prototype GaN SSM with conversion efficiency higher than 50%.
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