1200 V GaN Polarization Super Junction (PSJ) Diode on Sapphire

2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会講演番号 16a-P4-22

パウデック 八木修一, 平田祥子, 斉藤武尊, 神山祐輔, 中村文彦, 河合弘治,

サファイアサファイアサファイアサファイア基板上基板上基板上基板上 1200 V GaN 分極超接合分極超接合分極超接合分極超接合（（（（PSJ））））ダイオードダイオードダイオードダイオード

POWDEC K.K., Shuichi. Yagi, S. Hirata , T. Saito, Y. Kamiyama, F. Nakamura, H. Kawai

Nagoya Univ. IMaSS, A. Tanaka, Y. Honda, H. Amano

E-mail : yagi@powdec.co.jp, info@powdec.co.jp

【【【【1. 背景背景背景背景】】】】

【【【【6. 電流電流電流電流コラプスコラプスコラプスコラプス評価評価評価評価】】】】

謝辞謝辞謝辞謝辞：：：：本研究本研究本研究本研究のののの一部一部一部一部はははは平成平成平成平成28年度年度年度年度 環境省環境省環境省環境省・・・・未来未来未来未来のあるべきのあるべきのあるべきのあるべき社会社会社会社会・・・・ライフスタイルライフスタイルライフスタイルライフスタイルをををを創造創造創造創造するするするする技術技術技術技術イノベーションイノベーションイノベーションイノベーション事業事業事業事業（（（（高品質高品質高品質高品質GaN基板基板基板基板をををを用用用用いたいたいたいた超高効率超高効率超高効率超高効率GaNパワーパワーパワーパワー・・・・光光光光デバイスデバイスデバイスデバイスのののの技術開発技術開発技術開発技術開発とそのとそのとそのとその実証実証実証実証））））にににに関関関関するものであるするものであるするものであるするものである。。。。

評価回路図評価回路図評価回路図評価回路図

【【【【3. PSJ ( Polarization Super-junction ) とはとはとはとは】】】】

これまで GaN 素子特有の電流コラプス（スイッチング時の抵抗増大）の問題を改善するために、分極超接合（PSJ）構造を用いた GaN PSJ-FET を試作し、電流コラプスの改善を実

証してきた。参照：第63回応用物理学会春季学術講演会 21p-W541-10

PSJ構造構造構造構造ののののダイオードダイオードダイオードダイオードへのへのへのへの応用応用応用応用

【【【【2. 目的目的目的目的】】】】

PSJ構造構造構造構造ををををダイオードダイオードダイオードダイオードにににに適用適用適用適用しししし、、、、電流電流電流電流コラプスコラプスコラプスコラプスのののの抑制抑制抑制抑制とととと高耐圧高耐圧高耐圧高耐圧

化化化化をををを両立両立両立両立させたさせたさせたさせた横型素子横型素子横型素子横型素子をををを試作試作試作試作しししし検証検証検証検証をををを試試試試みるみるみるみる。。。。

【【【【5. ダイオードダイオードダイオードダイオードのののの構成構成構成構成とととと DC特性特性特性特性】】】】

GaN/AlGaN/GaN

Polarization Super-junction ( PSJ )

分極電荷分極電荷分極電荷分極電荷

分極電荷分極電荷分極電荷分極電荷

2次元正孔次元正孔次元正孔次元正孔ガスガスガスガス(2DHG)

2 二次元電子二次元電子二次元電子二次元電子ガスガスガスガス(2DEG)

AlGaN

GaN

GaNA

C

逆逆逆逆バイアスバイアスバイアスバイアス印加印加印加印加（（（（キャリアキャリアキャリアキャリア排出排出排出排出によるによるによるによる全長高抵抗化全長高抵抗化全長高抵抗化全長高抵抗化））））

n+

S

GD

Si super-junction MOS

(one pillar)

acceptor

donor

hole

electron

n+

S

GD

逆逆逆逆バイアスバイアスバイアスバイアス印加印加印加印加

Field (E) 一定電界一定電界一定電界一定電界

HV

Field (E )

一定電界一定電界一定電界一定電界

面積＝印加電圧

GaN-PSJ Si-SJ

構成横型・表面GaN/AlGaN/AlGaN

縦型・内部p/n pillar stack

キャリア起源 分極効果 不純物ドーピング

厚み(1unit) ～10 nm ～ µm

【【【【8. 実験実験実験実験のまとめのまとめのまとめのまとめ】】】】

① W : 219 mm, LPSJ = 20 µmでIf : 15 A (@ Va : 3 V )、破壊耐圧1.6 kVが得られた。

② 980 V スイッチングに於いて、電流電流電流電流コラプスコラプスコラプスコラプスはははは（実験精度内で）検出検出検出検出されなかったされなかったされなかったされなかった。Tr = 6.1 ns であった。

③ 逆回復時間逆回復時間逆回復時間逆回復時間(Trr)はははは 21.8 nsであった。

【【【【9. 結論結論結論結論】】】】① 成熟したGaN/sapphireエピ技術と PSJ素子技術により高耐圧性とコラプスフリー

特性をもつ横型ダイオードを実現した。② PSJ-FET と組み合わせることで、電圧振幅 1000 V 以上の電力機器への適用可能性を示した。（（（（16a-P4-24 でででで PSJ FET とととと Diode をををを用用用用いていていていて、、、、1 kV からからからから12 V へのへのへのへの

降圧降圧降圧降圧コンバータコンバータコンバータコンバータをををを実証実証実証実証））））

Si super-junction とのとのとのとの比較比較比較比較

チャネルチャネルチャネルチャネル方向方向方向方向のののの電界分布電界分布電界分布電界分布

素子構造素子構造素子構造素子構造

AlGaN

GaN

GaNA

C

HV

evacuation

evacuation

980 V スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング特性特性特性特性

名大未来材料・システム研 田中敦之, 本田善央, 天野浩

Vd : 980 V

Vg : -5 V

Vg : 25 V

Id : 3.4 A

(Id) Tr : 6.1 ns, Tf : 8.6 ns

電流コラプスなし

200 ns

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2

Anode Current [A]

Anode Voltage [V]

3.3 A

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15

IdVdIdVdIdVdIdVd

Drain Current [A]

Drain Voltage [V]

Vg : +2 V

0 V

-2 V

-4 V

Ron : 93 mΩ

10-7

10-6

10-5

10-4

0 500 1000 1500 2000

Current [A]

Drain Voltage [V]

Vg : -10 V

Ig

Id

VB : 1800 V

Vg : +3 V

Vd : 1047 VId : 5 A

1 µµµµs

tr : 51 ns, tf : 55 ns

200 ns

Vg : -7 V

RL : 200 ΩΩΩΩ

電流電流電流電流コラプスコラプスコラプスコラプスなしなしなしなし

PSJ-FET IdVd 特性特性特性特性 PSJ-FET Off 特性特性特性特性 PSJ-FET スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング 特性特性特性特性

p-GaN

C

SiO2

Polyimide

Lpsj : 20µµµµm

Sapphire

u-GaN

AlGaN

GaN

A

Ni/Au

p-GaN

C

SiO2

Polyimide

Lpsj : 20µµµµm

Sapphire

u-GaN

AlGaN

GaN

A

Ni/Au

【【【【4. PSJ構造構造構造構造ののののバンドバンドバンドバンド構造構造構造構造】】】】

GaN/AlGaN/GaNバンドバンドバンドバンド構造構造構造構造ホール素子測定結果

0

5

10

15

20

25

30

0

5

10

15

20

25

30

50 100 150 200 250 300

Temperature dependence

of Hole desity & Mobility

Hole Density ( 1e12 /cm

2 )

Mobility ( cm

2/Vs )

Temperature ( K )

PJ

PJp-GaN

p-GaN

←←←←PSJ

PSJ→→→→

分極電荷分極電荷分極電荷分極電荷

伝導帯伝導帯伝導帯伝導帯

価電子帯価電子帯価電子帯価電子帯

AlGaNGaN

GaN

電子電子電子電子

正孔正孔正孔正孔

電子エネルギー

分極電荷分極電荷分極電荷分極電荷

伝導帯伝導帯伝導帯伝導帯

価電子帯価電子帯価電子帯価電子帯

AlGaNGaN

GaN

電子電子電子電子

正孔正孔正孔正孔

電子エネルギー

A C

Tr Tf

90 %

10 %

Id

Tr; Tf のののの定義定義定義定義（（（（10 %- 90 %））））

Tr Tf

90 %

10 %

Id

Tr Tf

90 %

10 %

Id

Tr; Tf のののの定義定義定義定義（（（（10 %- 90 %））））

-5~18 VDouble Pulse

DUT

1mH 1.6 A

200 V

IGBT:ON

IGBT:OFF

Current Prob. Ir

H15R1203

1.2 kV 15 A

ダブルパルス法

【【【【7. 逆回復時間逆回復時間逆回復時間逆回復時間】】】】

順方向特性順方向特性順方向特性順方向特性 逆方向特性逆方向特性逆方向特性逆方向特性

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

0 500 1000 1500 2000

Anode Current [A]

Cathode Voltage [V]

VB : 1635 V

0

10

20

30

40

0 1 2 3 4 5

Anode Current [A]

Anode Voltage [V]

120 mΩΩΩΩ

W : 219 mm

破壊電圧破壊電圧破壊電圧破壊電圧 1.6 kV

テストテストテストテスト実装実装実装実装したしたしたしたPSJ-Diode のののの写真写真写真写真

Trr

100 %

25 %0 A

Trr のののの定義定義定義定義

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0 20 40 60 80 100

Reverse Current (Ir) [A]

Time [ns]

GaN PSJ

FRD

①①①①

②②②②

③③③③

④④④④

76.9

②②②② Si-

Diode

65.0

①①①① Si-

Diode

41.9

FRD

21.8

GaN

PSJ

76.7

④④④④ Si-

Diode

77.7

③③③③ Si-

Diode

Trr

[ns]

電圧回復が遅いのは逆バイアス電源の出力抵抗が大きいため

MOS

DUT

(GaN PSJ Diode)

100mΩΩΩΩ

逆方向

逆方向

逆方向

逆方向

バイアス

バイアス

バイアス

バイアス電源電源電源電源

（（（（Vr））））

順方向順方向順方向順方向バイアスバイアスバイアスバイアス電源電源電源電源

(Vf)

Vd

ゲートドライバゲートドライバゲートドライバゲートドライバ

GaN-PSJ

Diode

順方向順方向順方向順方向バイアスバイアスバイアスバイアス電源電源電源電源

逆方向逆方向逆方向逆方向バイアスバイアスバイアスバイアス電源電源電源電源

Si-M

OS

Vg

Vr100 mΩΩΩΩ 10 kΩΩΩΩ

VfId

Current

Probe

Vd

Diode がががが順方向時順方向時順方向時順方向時のののの Vd

Vd(順方向順方向順方向順方向)

= Vf – (0.1 Ω Ω Ω Ω + RMOS) x Id

= 2.1 V – (0.18 ΩΩΩΩ x 3.4 A)

= 1.5 V

Vd はははは Diode ののののアノードアノードアノードアノード・・・・カソードカソードカソードカソード間間間間のののの電圧電圧電圧電圧GaN PSJ Diode チップチップチップチップのののの順方向特性順方向特性順方向特性順方向特性においてにおいてにおいてにおいてVd = 1.5 V のののの時時時時アノードアノードアノードアノード電流電流電流電流はははは 3.3 A なのでなのでなのでなので、、、、

電流電流電流電流コラプスコラプスコラプスコラプスはははは発生発生発生発生していないしていないしていないしていない。。。。

1200 V/ 100 A Class Module using GaN Polarization Super Junction (PSJ) FET on Sapphire

2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会講演番号 16a-P4-23

パウデック 八木修一, 平田祥子, 斉藤武尊, 神山祐輔, 中村文彦, 河合弘治,

サファイアサファイアサファイアサファイア基板上基板上基板上基板上GaN分極超接合分極超接合分極超接合分極超接合（（（（PSJ））））FETをををを用用用用いたいたいたいた1200 V/100 A級級級級モジュールモジュールモジュールモジュール

POWDEC K.K., Shuichi. Yagi, S. Hirata , T. Saito, Y. Kamiyama, F. Nakamura, H. Kawai

Nagoya Univ. IMaSS, A. Tanaka, Y. Honda, H. Amano

E-mail : yagi@powdec.co.jp, info@powdec.co.jp

【【【【1. 背景背景背景背景】】】】

【【【【6. スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング特性特性特性特性】】】】

謝辞謝辞謝辞謝辞：：：：本研究本研究本研究本研究のののの一部一部一部一部はははは平成平成平成平成28年度年度年度年度 環境省環境省環境省環境省・・・・未来未来未来未来のあるべきのあるべきのあるべきのあるべき社会社会社会社会・・・・ライフスタイルライフスタイルライフスタイルライフスタイルをををを創造創造創造創造するするするする技術技術技術技術イノベーションイノベーションイノベーションイノベーション事業事業事業事業（（（（高品質高品質高品質高品質GaN基板基板基板基板をををを用用用用いたいたいたいた超高効率超高効率超高効率超高効率GaNパワーパワーパワーパワー・・・・光光光光デバイスデバイスデバイスデバイスのののの技術開発技術開発技術開発技術開発とそのとそのとそのとその実証実証実証実証））））にににに関関関関するものであるするものであるするものであるするものである。。。。

スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング評価回路図評価回路図評価回路図評価回路図

【【【【3. PSJ ( Polarization Super-junction ) とはとはとはとは】】】】

これまで分極超接合（PSJ）構造を用いたサファイア基板上GaN PSJ-FET を試作し、電流コラプスフリーで 1 kV でのスイッ

チング動作を実証した。しかし、パワーデバイスとして大電流化を行う際の特性は未検証である。

参照：第63回応用物理学会春季学術講演会 21p-W541-10

PSJ 構造構造構造構造 FET のののの大電流化大電流化大電流化大電流化

【【【【7. 実験実験実験実験のまとめのまとめのまとめのまとめ】】】】

①①①① 耐圧耐圧耐圧耐圧1.2 kV 、100 A 級級級級のカスコード接続を施したモジュールを試作した。

② 400 V スイッチングに於いて、電流コラプスは（実験精度内で）検出されなかった。 Tr = 19 ns, Tf = 117 ns であった。

③ 寄生インダクタンスの影響でゲート波形が共振していた。

【【【【8. 結論結論結論結論】】】】① PSJ構造により高耐圧性と電流コラプスフリー特性をもつ

1200V/100A級のモジュールを実現し大電流化の可能性を示した。

② カスコード接続によるノーマリーオフ化でも、コラプスフリーを実現した。③ しかしながら、モジュール内部構造を最適化し、寄生インダクタンスを低減する必要がある。

16a-P4-22 参照参照参照参照

モジュールモジュールモジュールモジュール写真写真写真写真

400 V スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング特性特性特性特性

名大未来材料・システム研 田中敦之, 本田善央, 天野浩

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15

IdVdIdVdIdVdIdVd

Drain Current [A]

Drain Voltage [V]

Vg : +2 V

0 V

-2 V

-4 V

Ron : 93 mΩ

10-7

10-6

10-5

10-4

0 500 1000 1500 2000

Current [A]

Drain Voltage [V]

Vg : -10 V

Ig

Id

VB : 1800 V

Vg : +3 V

Vd : 1047 VId : 5 A

1 µµµµs

tr : 51 ns, tf : 55 ns

200 ns

Vg : -7 V

RL : 200 ΩΩΩΩ

電流電流電流電流コラプスコラプスコラプスコラプスなしなしなしなし

PSJ-FET IdVd 特性特性特性特性 PSJ-FET Off 特性特性特性特性 PSJ-FET スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング 特性特性特性特性

【【【【4. PSJ-FET のののの I-V 特性特性特性特性（（（（1 chip））））】】】】

【【【【5. モジュールモジュールモジュールモジュールのののの I-V 特性特性特性特性】】】】

GaN/AlGaN/GaNバンドバンドバンドバンド構造構造構造構造

分極電荷分極電荷分極電荷分極電荷

伝導帯伝導帯伝導帯伝導帯

価電子帯価電子帯価電子帯価電子帯

AlGaNGaN

GaN

電子電子電子電子

正孔正孔正孔正孔

電子エネルギー

分極電荷分極電荷分極電荷分極電荷

伝導帯伝導帯伝導帯伝導帯

価電子帯価電子帯価電子帯価電子帯

AlGaNGaN

GaN

電子電子電子電子

正孔正孔正孔正孔

電子エネルギー

0

5

10

15

20

25

30

0

5

10

15

20

25

30

50 100 150 200 250 300

Temperature dependence

of Hole desity & Mobility

Hole Density ( 1e12 /cm

2 )

Mobility ( cm

2/Vs )

Temperature ( K )

PJ

PJp-GaN

p-GaN

←←←←PSJ

PSJ→→→→

Vd :

400 V

Vg :

-5 V

Id

Vg : +25 V

200 ns

RL : 100 ΩΩΩΩ

Id : 4 A

Tr : 19 ns Tf : 117 ns

電流電流電流電流コラプスコラプスコラプスコラプスなしなしなしなし

ゲートゲートゲートゲート波形波形波形波形共振共振共振共振

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

-2 0 2 4 6 8 10

IdVg

Drain Current [A]

Gate Voltage [V]

Vd : 0.1 V

10-10

10-9

10-8

10-7

-12-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

IgVg

Gate Current [V]

Gate Voltage [V]

0

20

40

60

80

100

120

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

IdVd

Drain Current [A]

Drain Voltage [V]

Vg : +10 V+8 V

+6 V

Ron : 15 mΩΩΩΩ

10-7

10-6

10-5

10-4

0 400 800 1200

off state

Drain Current [A]

Drain Voltage [V]

Vg : 0 V

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15

IdVd

Drain Current [A]

Drain Voltage [V]

Vg : +2 V

0 V

-4 V

Ron :

115 mΩΩΩΩ

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

0 400 800 1200

off state

Drain Current [A]

Drain Voltage [V]

Vg : - 10 V

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

-12 -8 -4 0 4

IgVg

Gate Current [A]

Gate Voltage [V]

10-8

10-6

10-4

10-2

100

-12-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

IdVg

Drain Current [A]

Gate Voltage [V]

Vd : 0.1 V

Sapphire

buffer

GaN

AlGaN

GaN

pS

G

D

Lpsj (20 µµµµm)

素子構造素子構造素子構造素子構造 TO-247

ノーマリーノーマリーノーマリーノーマリーオンオンオンオン

ノーマリーノーマリーノーマリーノーマリーオフオフオフオフ

Vg : 0 V

Vg : -10 V

耐圧耐圧耐圧耐圧1.2kV以上以上以上以上

耐圧耐圧耐圧耐圧1.2kV以上以上以上以上

Si-MOSををををカスコードカスコードカスコードカスコード接続接続接続接続サイズサイズサイズサイズ ：：：： 85 mm ×××× 55 mm

【【【【2. 目的目的目的目的】】】】

1.2 kV 耐圧耐圧耐圧耐圧のののの GaN PSJ-FET をををを複数用複数用複数用複数用いていていていて 100 A 級級級級をををを狙狙狙狙いいいい、、、、Si-MOSととととカスコードカスコードカスコードカスコード接続接続接続接続したしたしたしたモジュールモジュールモジュールモジュールをををを試作試作試作試作しししし特性検証特性検証特性検証特性検証をををを試試試試

みるみるみるみる。。。。

Tr Tf

90 %

10 %

Id

Tr; Tf のののの定義定義定義定義（（（（10 %- 90 %））））

Tr Tf

90 %

10 %

Id

Tr Tf

90 %

10 %

Id

Tr; Tf のののの定義定義定義定義（（（（10 %- 90 %））））

モジュールモジュールモジュールモジュール内部内部内部内部

Down Converter using GaN Polarization Super Junction (PSJ) Device on Sapphire

2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会講演番号 16a-P4-24

パウデック 神山祐輔,八木修一, 平田祥子, 斉藤武尊, 中村文彦, 河合弘治,

サファイアサファイアサファイアサファイア基板上基板上基板上基板上 GaN 分極超接合分極超接合分極超接合分極超接合（（（（PSJ））））素子素子素子素子をををを用用用用いたいたいたいた降圧降圧降圧降圧コンバータコンバータコンバータコンバータ

POWDEC K.K., Y. Kamiyama, Shuichi. Yagi, S. Hirata , T. Saito, F. Nakamura, H. Kawai

Nagoya Univ. IMaSS, A. Tanaka, Y. Honda, H. Amano

E-mail : kamiyama@powdec.co.jp , info@powdec.co.jp

【【【【1. 背景背景背景背景】】】】 【【【【3. PSJ-FET PSJ-Diode 素子特性素子特性素子特性素子特性】】】】

謝辞謝辞謝辞謝辞：：：： 本研究本研究本研究本研究のののの一部一部一部一部はははは平成平成平成平成28年度年度年度年度環境省環境省環境省環境省・・・・未来未来未来未来のあるべきのあるべきのあるべきのあるべき社会社会社会社会・・・・ライフスタイルライフスタイルライフスタイルライフスタイルをををを創造創造創造創造するするするする技術技術技術技術イノベーションイノベーションイノベーションイノベーション事業事業事業事業（（（（高品質高品質高品質高品質GaN基板基板基板基板をををを用用用用いたいたいたいた超高効率超高効率超高効率超高効率GaNパワーパワーパワーパワー・・・・光光光光デバイスデバイスデバイスデバイスのののの技術開発技術開発技術開発技術開発とそのとそのとそのとその実証実証実証実証））））にににに関関関関するものであるするものであるするものであるするものである。。。。

これまで GaN 素子特有の電流コラプス（スイッチング時の抵抗増大）の問題を改善するために、分極超接合（PSJ）構造を用いた GaN PSJ-FET 及び同構造を適用した GaN PSJ-

Diodeを試作し、電流コラプスの改善を実証してきた。

しかし、実際の高電圧アプリケーションを想定した検証は行われていない。

参照：第63回応用物理学会春季学術講演会 21p-W541-10

参照：第64回応用物理学会春季学術講演会 16p-P4-22

PSJ-FET PSJ-Diodeのののの実回路実回路実回路実回路へのへのへのへの応用応用応用応用

【【【【2. 目的目的目的目的】】】】

高電圧高電圧高電圧高電圧アプリケーションアプリケーションアプリケーションアプリケーションでのでのでのでのGaN素子素子素子素子のののの利用利用利用利用をををを想定想定想定想定しししし、、、、PSJ 構造構造構造構造ののののFET及及及及びびびびDiode をををを用用用用いたいたいたいた1kV入力入力入力入力12V出力出力出力出力ののののチョッパチョッパチョッパチョッパ方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧DCDCコンバータコンバータコンバータコンバータをををを構築構築構築構築しししし、、、、動作検証動作検証動作検証動作検証をををを行行行行うううう。。。。

【【【【6. 実験実験実験実験のまとめのまとめのまとめのまとめ】】】】

① 入力電圧1kVから出力電圧12Vへの降圧動作を確認し、平均出力28.87Wを得た。

② 降圧動作時において、コラプス等に起因すると思われる異常波形は測定範囲内において確認されなかった。

【【【【7. 結論結論結論結論】】】】① 成熟したGaN/sapphireエピ技術とPSJ素子技術により高耐圧性とコラプスフリー特性をもつ横型FET及びダイオードを用いて、降圧コンバータを実現した。

② 入力1kVから直接12Vへ降圧を行い、1kV以上の高電圧アプリケーションにおける横型GaNデバイスの適応可能性を示した。

名大未来材料・システム研 田中敦之, 本田善央, 天野浩

Vg : +3 V

Vd : 1047 VId : 5 A

1 µµµµs

tr : 51 ns, tf : 55 ns

200 ns

Vg : -7 V

RL : 200 ΩΩΩΩ

電流電流電流電流コラプスコラプスコラプスコラプスなしなしなしなし

PSJ-FET スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング 特性特性特性特性

【【【【5. 降圧降圧降圧降圧コンバータコンバータコンバータコンバータ動作実験動作実験動作実験動作実験】】】】

チョッパチョッパチョッパチョッパ方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧コンバータコンバータコンバータコンバータ回路図回路図回路図回路図

チョッパチョッパチョッパチョッパ方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧方式非絶縁型降圧コンバータコンバータコンバータコンバータ回路写真回路写真回路写真回路写真

【【【【4. チョッパチョッパチョッパチョッパ方式降圧方式降圧方式降圧方式降圧コンバータコンバータコンバータコンバータとはとはとはとは】】】】

チョッパ方式降圧コンバータはSW回路部とFilter回路部に分けられるSW回路部 ： 降圧比に応じたSW動作を行い平均電圧を変換Filter回路部 ： 電圧波形を平滑化

以上の手順により降圧を実現する。降圧比はSW動作周期Tに対するON時間tonの比（Duty比）で決まる。従って、ある周期TでSW動作する場合の最大降圧比は、使用するSW

素子の最小パルス幅による制約を受ける。

PSJ-Diode スイッチングスイッチングスイッチングスイッチング 特性特性特性特性

PSJ-FET IdVd特性特性特性特性 PSJ-FET OFF特性特性特性特性

Ron : 260mΩΩΩΩ Vg: +2V

0V

-2V

-4V

実装実装実装実装したしたしたしたPSJ-FET

Sapphire

buffer

GaN

AlGaN

GaN

pS

G

D

Lpsj (20 µµµµm)Lpsj

PSJ-FET 素子構造素子構造素子構造素子構造

PSJ-FET素子特性素子特性素子特性素子特性

PSJ-Diode素子特性素子特性素子特性素子特性Ron : 120mΩΩΩΩ

PSJ-Diode 順方向特性順方向特性順方向特性順方向特性 PSJ-Diode 逆方向特性逆方向特性逆方向特性逆方向特性 実装実装実装実装したしたしたしたPSJ-DiodePSJ-Diode 素子構造素子構造素子構造素子構造

p-GaN

C

SiO2

Polyimide

Lpsj : 20µµµµm

Sapphire

u-GaN

AlGaN

GaN

A

Ni/Au

p-GaN

C

SiO2

Polyimide

Lpsj : 20µµµµm

Sapphire

u-GaN

AlGaN

GaN

A

Ni/Au

入力電圧 1kV

動作周波数 25kHz

制御方式 オープンループ

出力電圧 12V 28.8W

Duty比 1.5%

使用素子 GaN FET,GaN Diode

降圧降圧降圧降圧コンバータコンバータコンバータコンバータ仕様仕様仕様仕様

平均出力電圧平均出力電圧平均出力電圧平均出力電圧 11.97V

平均出力電力平均出力電力平均出力電力平均出力電力 28.87W

⇒⇒⇒⇒入力電圧入力電圧入力電圧入力電圧1kVからからからから12Vへのへのへのへの降圧降圧降圧降圧をををを確認確認確認確認

降圧降圧降圧降圧コンバータコンバータコンバータコンバータ動作波形動作波形動作波形動作波形