新型プラズマ発生装置の基本的特性

次世代パワー半導体スイッチを用いたキャパシタ充電電源の作製

神戸市立工業高等専門学校 赤松 浩、村中智穂子 戸田 颯

Development of Capacitor Charging Power Supply with Next Generation Power Semiconductor Switch

Hiroshi AKAMATSU, Chihoko MURANAKA, and Hayate TODA

Abstract

A capacitor charging power supply for pulsed power generators has been developed with a forward-type single chopper geometry. GaN-HEMT (TPH3206) and SiC-MOSFET (SCT2120AF) as a next generation power semiconductor switch have been compared for high speed switching device of single chopper. In addition, cobalt-based amorphous (FS32) and nanocrystalline soft magnetic material (FT-3M) have been compared as a toroidal core for pulsed transformer. In this work, capacitor charging power supply has been constructed on circuit simulator and universal board. In both simulation and experiment, TPH3206 has shorter capacitor charging time up to 1000 V than SCT2120AF. In addition, FT-3M was able to charge capacitor up to 1000 V faster than FS32.

Keywords: Capacitor charging power supply, Next generation power semiconductor switch, Gallium nitride, Silicon carbide.

1. 緒言

従来のマグネトロンスパッタリングを大電力 およびパルス状で運転する大電力パルススパッ タリング(High Power Pulsed Sputtering: HPPS)は、

イオン化率の高いメタルプラズマの形成とそれ による緻密な成膜が可能である^1-5)。HPPS用のパ ルスパワー電源では、1000 V程度の電圧をエネル ギー蓄積キャパシタに充電し，スイッチングする ことでマグネトロンスパッタリング源を駆動す る。

パルスパワー用キャパシタを充電する直流電 源に着目すると、交流100 Vを変圧器およびダイ オードで昇圧・整流する方式が候補に挙がる^6-8)。 先行研究として、梶原らはシングルチョッパ型の 昇圧電源を作製し、次世代パワー半導体スイッチ と し て 炭 化 ケ イ 素(silicon carbide: SiC)に よ る

MOSFET を電気回路シミュレーションおよび実

験から検討した⁷⁾。また、石川らは、２石チョッ パ方式の充電電源を SiC-MOSFET を用いて作製

した⁸⁾。

近年、次世代高速パワー半導体としてSiCの他 に窒化ガリウム(gallium nitride: GaN)を用いたも のが入手できるようになった。これらは、従来の シリコンベースの素子を上回る性能指数を持っ ている ⁹⁾。とくに、大電力を高繰り返しでスイッ チングできることから、MHzレンジの高周波動作 による変圧器の小型化が可能となる。

本研究では、パルスパワー電源の小型化を想定 し、1 石フォワード型チョッパ回路に用いる半導 体スイッチとして、次世代パワー半導体スイッチ であるGaN－HEMTおよびSiC MOSFETを比較 した。また、昇圧用パルストランスに用いるトロ イダルコアとしてFT-3MとFS32を比較した。

2. 実験装置および方法 2.1 電気回路シミュレーション

1 石フォワード型チョッパ方式のキャパシタ充 電電源の動作を調べるため、フリーの電気回路シ

Fig.1 Simulation circuit of capacitor charging power supply with single forward chopper geometry.

ミュレーションソフトLTspice XVIIを用いて動作 シミュレーションを行った。Figure 1に、LTspice で描いた回路図を示す。回路の動作を説明する。

交 流 100 V を 全 波 整 流 し 、 電 解 コ ン デ ン サ

C1=1000 Fにエネルギーを蓄積する。次に、半導

体スイッチをターンオンすると、コンデンサの電 圧が昇圧用パルストランスの1次コイルに印加さ れ、2 次コイルに昇圧された電圧が現れる。ここ では、パルストランスの1次および2次コイルの インダクタンスをそれぞれ25 Hおよび2.5 mH とし、昇圧比は10倍とした。

パルストランスの2次側では、ダイオードによ る半波整流を介してキャパシタC2=110 nFを充電 する。回路中のR1、R2、およびR3は配線の抵抗 である⁷⁾。また、パルストランスの1次側にはコ アのリセットとしてリセットコイル L1 およびダ イオードD6を設けている。

シングルチョッパを動作させる半導体スイッ チには、次世代パワー半導体スイッチであるGaN

－HEMT として TPH3206PS (Transphorm)および SiC－MOSFETとして SCT2120AF (Rohm)を使用 した。これら半導体スイッチのサブサーキットモ デルをダウンロードし、シミュレーションに読み 込んだ。

半導体スイッチのゲート駆動信号V2は、パル

ス時間を200 ns、デューティー比を0.2、繰り返し

周波数を1 MHzとした。

2.2 キャパシタ充電電源の作製および評価

LTspice による電気回路シミュレーションをも

とにして、キャパシタ充電電源を作製した。Figure 2に、電気回路図を示す。回路の動作は、LTspice

Fig.2 Developed electrical circuit of capacitor charging power supply with single forward chopper geometry.

Table 1 Power semiconductor switch used in this work.

のものと同様である。なお、半導体スイッチを過 電圧から保護するため、バリスタを追加した。２ 次側の半波整流用のダイオードには、SiC－SBD を用いた。

半導体スイッチには、LTspice と同様にGaN－

HEMT として TPH3206PS および SiC－MOSFET としてSCT2120AFを用いた。Table 1に、各半導 体スイッチの仕様を示す。半導体スイッチには

141 Vが印加されるので，マージンとしてこれよ

り3倍以上の耐電圧をもたせることにした。これ らの素子を選定した基準は、耐電圧が600 V程度 のものとした。両素子は、ともにパッケージが

TO-220 であり小型である。GaNおよびSiCにお

いて、ゲートを駆動する電圧VGSがそれぞれ-18 V から18 Vおよび-6 Vから22 Vと異なっている。

しかし、本研究ではFig. 3に示すようにフォトカ プラ(TLP351, Toshiba)および DCDC コンバータ (QA01C, Mornsun)で構成したゲート駆動回路を共

AC100 V

Full wave rectification

C1=1000 F

Pulse transformer ( 4 : 37 )

R=1 MW C₂=110 nF

SiC-SBD

Vcharge

GaN or SiC Vi

Reset coil

Varistor

Image

Package TO-220 TO-220

SiC-MOSFET GaN-HEMT

650 600

VDSS[V]

V_GS[V] ±18 -6 to 22

I_D[A] DC ID[A] Pulse

29 17

72 60

R_DS(ON)[mW] 150 120

SCT2120AF TPH3206PS

Fig.3 Gate drive circuit for power semiconductor switch.

通で使用した。フォトカプラへの信号は、PIC マ イコン(PIC16F84A)によって発生させた。

パルストランス用のコアとして、コバルト基ア モルファスである FS32(Toshiba)およびナノ結晶 軟磁性材料である FT-3M(Hitachi)を使用し、比較 を行った。Table 2 に、パルストランス用コアの 仕様を示す。コアの2次巻線を密に巻いた場合の 巻数が37だったため、1次巻線の巻数は4とし、

昇圧比を10に近づけた。

キャパシタ充電電源の評価は、パルストランス 2 次側のキャパシタ充電電圧 Vchargeを計測し、１

000 Vまでの充電時間で評価した。

3. 実験結果

3.1 シミュレーションによる比較

Figure 4に、LTspiceによるキャパシタ充電電源 のシミュレーション結果を示す。Vcharge は、パル ストランス2次側のキャパシタC2の充電電圧で ある。同図から、目標電圧 1000 Vまでの充電時 間は、TPH3206PSおよびSCT2120AFでそれぞれ

290 sおよび380 sであった。また図では示して

いないが、充電時のパルス電流は TPH3206PS お よびSCT2120AFでそれぞれ2.9 Aおよび2.7 Aで あった。シミュレーション上では、TPH3206PSが

SCT2120AF より高速で充電を達成できているこ

とが分かった。

3.2 作製した電源回路における半導体スイッチの 比較

Figure 5に、半導体スイッチ用のゲート駆動回

路の出力電圧波形を示す。同図(a)のように、PIC

Table 2 Toroidal core for pulsed transformer.

Fig.4 Capacitor charging voltage simulated by LTspice with GaN-HEMT (TPH3206PS) and SiC-MOSFET (SCT2120AF).

Fig.5 Waveforms of PIC microcomputer and gate drive circuit output.

による信号はパルス時間200 ns、デューティー比

0.2、および繰り返し周波数1 MHzとした。同図(b)

から、フォトカプラからの出力電圧は-2.5 Vから

Signal 15 W

43 W (TLP351)

DC/DC convreter

+15 V -5 V

QA01C

Photocoupler

G S

FS32 FT-3M

f_out[mm]

f_in [mm]

h [mm]

32 20 9.5

35.8 17.3 17.5 Saturation flux

density [T] 0.56 1.23

Relative permeability

1000 kHz 4000 5000

Co-based amorphous

Nanocrystalline soft magnetic material

0 100 200 300 400 500

0 200 400 600 800 1000

SiC (SCT2120AF) GaN HEMT (TPH3206)

Time [s]

Vcharge [V]

-10 -5 0 5 10 15

Vgate [V]

Time [200 ns/div]

-2 0 2 4 6 8

VPIC [V]

Fig.6 Measured capacitor charging voltage simulated for GaN-HEMT (TPH3206PS) and SiC-MOSFET (SCT2120AF).

14 V となっていることがわかる。この電圧は、

TPH3206PSおよびSCT2120AFのゲート駆動電圧 の範囲に入っている。

Figure 6に、作製したキャパシタ充電電源にお

い て 、 半 導 体 ス イ ッ チ を TPH3206PS お よ び

SCT2120AF としたときのキャパシタ充電電圧

Vchargeの変化を示す。なお、パルストランスのコ

アにはFT-3Mを用いた。同図から目標電圧1000 V

までの充電時間は、TPH3206PSおよびSCT2120AF でそれぞれ390 sおよび520 sであった。LTspice による動作シミュレーションにくらべ両スイッ チとも充電時間が長くなったが、TPH3206PSの方 が速いという傾向は同様であった。

3.3 パルストランスコアの比較

Figure 7に、半導体スイッチにTPH3206PSを使 用し、パルストランスのコアにFS32およびFT-3M を用いた場合におけるキャパシタ充電電圧 Vcharge

の変化を示す。半導体スイッチのゲート駆動信号 は3.2と同様である。同図のように、FS32を用い た場合は、充電電圧は目標値1000 V に到達でき なかったことがわかる。これは、Table 2からFS32 の飽和磁束密度が0.56 Tであり、FT-3Mに比べ半 分以下であったため、飽和によって昇圧が十分に なされなかったからと考えられる。

以上から本研究において、半導体スイッチに

TPH3206PS、パルストランスのコアにFT-3Mを用

Fig.7 Capacitor charging voltage simulated for toroidal core FS32 and FT-3M.

いた組み合わせの時に 1000 Vへの高速充電が達 成できることがわかった。

4. 結論

本研究では、パルスパワー電源のエネルギー蓄 積用キャパシタを高速で充電できる1石シングル チョッパ方式の小型直流電源を作製した。シング ルチョッパの半導体スイッチとして、次世代パワ ー半導体であるGaN-HEMTのTPH3206PSおよび SiC-MOSFET のSCT2120AFを、電気回路シミュ レーションおよび実験から比較した。さらに，小 型のパルストランス用トロイダルコアとしてコ バルト基アモルファスの FS32 およびナノ結晶軟 磁性材料のFT-3Mを比較した。その結果、以下の ことが分かった。

(1) LTspice による電気回路シミュレーションの

結果、キャパシタの目標充電電圧1000 Vま で の 充 電 時 間 は 、TPH3206PS お よ び SCT2120AFでそれぞれ290 sおよび380 s

であり、TPH3206PSの方が高速充電できるこ

とがわかった。

(2) 作製した1石シングルチョッパによるキャパ シタ充電電源においてキャパシタを 1000 V まで充電する時間は、TPH3206PS および SCT2120AFでそれぞれ390 sおよび520 s で あ り 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 同 様 に

TPH3206PS の方が高速充電できることがわ

0 100 200 300 400 500

0 200 400 600 800 1000

Time [s]

Vcharge [V]

GaN HEMT (TPH3206) SiC (SCT2120AF)

0 100 200 300 400 500

0 200 400 600 800 1000

Time [s]

Vcharge [V]

FT3M

FS32

かった。

(3) 半導体スイッチに TPH3206PS を使用し、パ ルストランス用トロイダルコアとして FS32

およびFT-3Mを比較したところ，FS32では

キャパシタを1000 Vまで充電することはで きなかった。これは、FS32 の飽和磁束密度 0.56 TがFT-3Mの1.23 Tの約半分であり、昇 圧作用が飽和したためと考えられる。

(4) GaN-HEMT およびSiC-MOSFETを用いるこ とで、大電力パルススパッタリング装置のパ ルスパワー用キャパシタの充電電源に適用 できる小型かつ高速のキャパシタ充電電源 が構成できることが分かった。

References

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