パワーデバイス パワーデバイスの基礎と活用技術

本セミナーでは、半導体物性及びデバイス特性と、パワーエレクトロニクス回路との特性を「つなぐ」考え方を学びます。パワーデバイスの特性を理解し、サクサクとパワエレ回路を設計したい… 多くの回路設計者がそう思うにもかかわらず、パワーデバイスの基礎である半導体物理について学ぼうとすると難解な理論と数式に阻まれます。また、デバイス特性では、多くの数式が紹介され、式の重要性を見極めるのに苦労し、独学での習得は容易ではありません。 　そこで、本講座では、以下の3つのステップを通して、半導体物性、パワーデバイスの特性を理解できるように工夫しています。

• 半導体物理、パワーデバイスの構造・動作を、わかりやすい図で理解する。
• 回路設計に重要な式は、具体的な数値演習で理解する。
• 重要な式の具体的な使い方は回路シミュレーションで理解する。

　実用的な観点から、パワーエレクトロニクス回路で多用されているダイオード、IGBT、MOSFETの3種類について特に詳しく説明します。また、最近注目されているSiCやGaNといったワイドギャップ半導体については、耐圧と温度特性のメリットを具体的数値例で理解します。さらに、安定動作に欠かせないドライブ回路、発熱による損傷などのトラブル防止や回避策についても紹介します。

1. パワーデバイスの概要
   • パワーエレクトロニクスとは
   • パワーデバイスの概要
   • パワーエレクトロニクスで使われる回路と動作原理
   • パワーエレクトロニクスで使われる回路の演習 (Excel、電卓演習)
   • 単相インバータの動作 (PSIMの使い方を理解する演習)
2. 半導体の物性 (SiC、GaN含む)
   1. Si半導体の物性
      • エネルギーバンドとバンドギャップ
      • 金属、半導体、絶縁物とバンドギャップ – 半導体と絶縁物の違いは? -
      • 真正半導体、n型半導体、p型半導体
      • デバイスの速度を支配するn型半導体とp型半導体の移動度
      • 伝導度・比抵抗を決める移動度
      • 移動度と伝導度・比抵抗の関係 (Excel、電卓演習)
   2. ワイドギャップ半導体 (SiC、GaN)
      • ワイドギャップ半導体の概要とメリット
      • GaNパワーデバイスとSiパワーデバイスの特性比較
      • GaNパワーデバイスの温度特性
      • パワーデバイスの絶縁破壊と耐圧
      • 演習 Si、GaN、SiCの耐圧比較 (Excel、電卓演習)
3. パワーデバイスの構造と動作原理
   1. パワーダイオード
      • pn接合とダイオード
      • pinダイオードとショットキーダイオード
      • ダイオード特性の基本式
      • ダイオード特性の計算 (Excel、電卓演習)
      • ダイオード特性と素子温度の計算 (PSIM演習)
   2. IGBTの特性とデバイスの動作点
      • バイポーラデバイスとユニポータデバイス
      • トランジスタ特性
      • IGBTの特性
   3. MOSFETの特性、損失、素子温度の上昇 (Excel、PSIM演習)
      • 横型構造MOSFETの特性
   • 縦型構造MOSFETの特性
4. パワーデバイスの基本特性と選定方法
   1. パワーデバイスの動作点
      • IGBTの動作点 (Excel、電卓演習)
      • IGBTの動作点 (PSIM演習)
   2. スイッチング損失
      • 動作時の温度上昇
      • MOSFETの動作特性 (Excel、電卓演習)
      • MOSFETの動作特性、損失 (PSIM演習)
   3. パワーデバイスの選定
      • パワーデバイスの選定ガイドライン
5. パワーデバイスのドライブ回路
   • ローサイドとハイサイドのドライブ回路
   • 並列回路のドライブ回路
   • MOSFETのドライブ回路
   • IGBTのドライブ回路
6. トラブルの防止と回避策
   • デッドタイム
   • ノイズによる誤動作
   • パワーデバイスの熱設計と動作温度制限