パワー半導体のスイッチング損失を半減、「自動波形変化ゲート駆動ICチップ」：東京大学が開発

東京大学は、パワー半導体のゲート端子を駆動する電流波形を自動で制御するための機能を1チップに集積した「自動波形変化ゲート駆動ICチップ」を開発した。このICチップを用いると、パワー半導体のスイッチング損失を49％低減できることを確認した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

駆動回路、センサー回路、制御回路を1チップに集積

　東京大学生産技術研究所の高宮真教授と畑勝裕助教、東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻修士課程の張狄波大学院生らによる研究グループは2024年3月、パワー半導体のゲート端子を駆動する電流波形を自動で制御するための機能を1チップに集積した「自動波形変化ゲート駆動ICチップ」を開発したと発表した。このICチップを用いると、パワー半導体のスイッチング損失を49％低減できることを確認した。

　パワー半導体は、ゲート駆動回路によりゲート端子の電圧を制御することで、オン／オフの切り替えを行う。この時、一般的なゲート駆動回路だと、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低減することはできなかったという。

　これを解決する方法として、ゲート端子を駆動する電流波形を制御するゲート駆動回路が提案されている。既に、「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」を組み合わせた「自動波形変化ゲート駆動回路」などが開発されてきた。ところが、外形寸法が約14×7cmと大きく、コストも高いという課題があった。

　研究グループは今回、「駆動回路」「センサー回路」「制御回路」の3つを1つのICチップに集積した。これにより、「スペース」と「コスト」の問題を解決したという。今回の実験では、シリコンのパワー半導体に開発したICチップを適用したところ、600V、80Aの条件でスイッチング損失を49％低減できることを確認した。開発した技術はシリコンだけでなく、SiC（炭化ケイ素）などさまざまなパワー半導体に適用することができる。

開発した自動波形変化ゲート駆動ICの機能ブロックイメージ［クリックで拡大］ 出所：東京大学

試作した自動波形変化ゲート駆動ICのチップ写真［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　東京大学によれば、ドイツの自動車関連企業からは、「ゲート駆動回路に波形変化技術を導入することで、スイッチング損失が56％低減し、電気自動車の電動システム全体の損失が7.6％低減する」とのシミュレーション結果が報告されているという。

開発した自動波形変化ゲート駆動ICでシリコンのパワー半導体を駆動する様子［クリックで拡大］ 出所：東京大学