中田修平 研究室

パワエレ機器の電力変換部には従来Si半導体が使われてきている。近年Wide Band Gap(WBG)半導体が耳目を集めている。2016年度までの会社時代は、WBG半導体を用いて電力変換時の損失低減検証を行い、大幅低減（70%-90％減）を実現してきた。WBG半導体は優れた省エネ性能のお陰で徐々に製品化されてきています。
WBG半導体のもう一つの特徴は、高速応答性にあるが、その性能が十分活かしきれているとは言えない。
研究室では、パワー半導体の知見と回路の知見をもとに、素子の高速応答性に着目して速い速度、周波数を制御することで新たな応用分野を開拓していく予定である。

SiCパワーデバイスは、従来のデバイスに比べて高速で動作できる特長があります。しかし、どこまで早く駆動できるかに関する実験は行われていませんでした。
今回、素子に加わる電圧を急激に変化させることのできる評価設備を新たに立ち上げ、高速動作の限界性能評価を行うことが出来るようにしました。
その結果、パワーデバイスに加わる電圧を50V/ns-100V/nsの速度で変化させると素子特性が劣化することが明らかとなりました。このことは、駆動時間を10nsより短くすると特性劣化に至ることを示しています。
今後は、劣化要因の分析を行い限界性能の向上を目指したいと考えています。

電力変換器の小型化にはパワー半導体を高周波でスイッチングする手法が有効であり、高速駆動が可能なワイドバンドギャップ型パワー半導体はこの適用に適している。しかしながら、スイッチング毎にスイッチング損失が発生するために、その低減が必要となる。LLC型電力変換器（図1）は、スイッチング時の素子に加わる電流及び電圧が0A、0Vにすることが可能（図2）で、大幅なスイッチング損失の低減が可能となる。今回、SiC-MOSFETを用いてLLC型コンバータを試作した。構成部品であるtransformerの巻き線を最適化することで1.4MHzでスイッチングしたときの効率96.7%を達成した（図3）。