世界初となる、パワー半導体のゲート端子を駆動する電流波形を自動制御するICチップを開発東京大学

東京大学生産技術研究所の高宮真教授らの研究グループは、2023年3月23日、パワー半導体のオンまたはオフを切り替えるスイッチング時に、パワー半導体のゲート端子を駆動する電流波形を適切なタイミングで自動的に複数回変化させる、「自動波形変化ゲート駆動ICチップ」を開発した。このICチップにより、パワー半導体のスイッチング損失が49％低減した。

研究グループはこれまで、パワー半導体の「ゲート駆動」という、「使いこなし」の観点に着目し、エネルギー損失を低減する手段を開発してきた。3端子のスイッチ素子であるパワー半導体は、ゲート駆動回路でパワー半導体のゲート端子の電圧を変化させ、スイッチオン、または、スイッチオフの状態に遷移するが、一般に使われているゲート駆動回路は、スイッチング時に生じるエネルギー損失とノイズの両方を同時に減らすことができないという課題があった。

パワー半導体とゲート駆動回路の関係

こうした課題に対応するため、ゲート端子を駆動する電流波形を変化させるゲート駆動回路が提案されている。これは、ノイズが発生する直前の期間のみ駆動電流を減らし、それ以外の期間は駆動電流を増やすことで、エネルギー損失とノイズの両方を同時に減らすことができるというものだ。

これまで、パワー半導体の動作条件が変動した際に、変動に応じて、ゲート駆動波形を適切なタイミングで自動的に複数回変化させる「自動波形変化ゲート駆動回路」が開発されている。

自動波形変化ゲート駆動回路は、「出力電流を可変としたゲート駆動回路」「適切なタイミングを決定するためのセンサ回路」「電流波形を変化させるための制御回路」の3点セットを組み合わせているが、サイズが14×7cm程度と大型で、コストの高さゆえに、これまで製品化されていなかった。

開発した自動波形変化ゲート駆動ICチップは、この3点セットを小型化。実際に製品に搭載して実用化に対応する。また、世界で初めて1つのICチップに、出力電流を可変としたゲート駆動回路、適切なタイミングを決定するためのセンサー回路、電流波形を変化させるための制御回路の3点セットすべてを搭載している。開発した技術は1チップ化により、省スペース、低コストが可能となる。

開発した自動波形変化ゲート駆動ICチップ

この技術は、シリコンや炭化ケイ素（SiC）などさまざまなパワー半導体に適用できる。今回、シリコンのパワー半導体に適用したところ、スイッチング損失を600V、80Aの条件で49％低減した。

開発したICチップを用いることで、パワー半導体の動作条件が変動しても、自動的に適切な波形でパワー半導体を駆動でき、スイッチング時に生じるエネルギー損失とノイズの両方を同時に常に減らせる。従来のゲート駆動ICチップと置き換えるだけで、パワー半導体のスイッチング損失を低減できるため、脱炭素化の促進が期待される。

世界初となる、パワー半導体のゲート端子を駆動する電流波形を自動制御するICチップを開発　東京大学