国内首次成功确认了搭载氧化镓肖特基势垒二极管的输出功率350W电流连续型功率因数改善电路的实机动作 ——证实了高输出、高耐压、优异的节能性

2023年4月6日 NEDO (国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构) 诺贝尔水晶科技有限公司

作为NEDO“战略性节能技术创新计划”的一环，致力于“β-Ga2O3肖特基势垒二极管的产品化开发”的(株)诺贝尔水晶技术，氧化镓(β-Ga2O3)肖特基势垒二极管( SBD )的实机动作确认成功。 将开发中的耐压1200V的β-Ga2O3SBD搭载在电流连续型PFC (功率因数改善)电路上，进行评价后，确认了该电路在输出电压390V、输出功率350W的高输出下可以正常工作。 这是国内首次通过高输出功率确认实机动作。 另外，将本用途中广泛使用的硅( Si )制快速恢复二极管( Si FRD )与电力转换效率进行比较后，得到了1%的效率改善结果，确认了节能性也非常出色。 本实机动作的确认，将成为中耐压( 600-1200V )的β-Ga2O3SBD被电力电子设备采用的一个重要的实证事例。 根据本成果，β-Ga2O3功率器件有望为太阳能发电用功率调节器、工业通用逆变器、电源等功率电子设备的高效化、小型化、汽车电动化和飞天车等电能的高效利用做出贡献。 作为2030年日本的节能效果量，目标是10万kL/年(换算成原油)。

表  功率转换效率比较结果

近年来，作为超越硅( Si )半导体性能的新材料，碳化硅( SiC )※1和氮化镓( GaN )※2正在被广泛研究。 氧化镓(β-Ga2O3)※3具有大大超过这些材料的优异材料物性，并且可以通过“熔液生长法”廉价地制造高品质的单晶基板。 根据这些特征，如果β-Ga2O3功率器件※4被实用化，则能够实现家电、电动汽车、铁道车辆、工业用设备、太阳能发电、风力发电等功率电子设备的进一步低损失、低成本化，因此国内外的企业和研究机构都在加速研究开发。株式会社诺贝尔水晶技术公司是2020年至2022年在NEDO (国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构)“战略性节能技术创新项目※5/β-Ga2O3肖特基势垒二极管产品化开发”项目中，致力于β-Ga2O3肖特基势垒二极管( SBD )※6的产品化开发。迄今为止，在本项目中，成功开发了β-Ga2O3100mm外延晶片的高品质化※7和安培级1200V耐压的β-Ga2O3SBD等，取得了持续的重大成果。 此次，为了实现β-Ga2O3SBD的实用化，在电流连续型PFC (功率因数改善)电路※9中搭载了正在开发中的β-Ga2O3SBD，并进行了评估。 结果，成功验证了电路的输出电压390V、输出功率350W的高输出动作。 这是国内首次通过高输出确认实机动作。 

  另外，将本用途中广泛使用的Si制快速恢复二极管( Si FRD )※10与电力转换效率进行比较后，得到了1%的效率改善结果，确认了节能性也非常出色。 通过对本机动作的确认，今后有望在电力电子设备中采用中耐压( 600-1200V )的β-Ga2O3SBD。

大功率电源下电流连续工作的实证

将此次开发的β-Ga2O3SBD (图1 )搭载在高输出( 350W )电源的PFC电路(图2 )上，进行了电流连续动作的实证试验。 图3显示了电源工作时β-Ga2O3SBD和Si FRD的电流ICA (蓝线)和电压VCA (红线)随时间的变化。 纵轴的1格，电流为2A，电压为100V。 根据图3的二极管的电压波形，可以确认在反方向施加了390V的电压。 之后，如果电压从反方向切换为顺方向，则电流沿二极管顺方向流动时的电流波形ICA最大为8A的梯形波※11，可以确认电流连续动作。 图4显示了β-Ga2O3SBD和Si FRD的反向恢复特性※12。 红线( VCA )表示施加到二极管的电压，蓝线( ICA )表示流经二极管的电流。 β-Ga2O3SBD和Si FRD各自图表的中央至左侧表示正向施加电压时电流流动的状态。 从中央到右侧表示将电压从正向切换到反向时电流难以流动的情况。 还确认了与Si FRD相比，β-Ga2O3SBD的反向恢复电流得到了大幅抑制。 确认这些动作后，在比较电路的输出功率与输入功率的比例(功率转换效率)后，确认了β-Ga2O3SBD的效率比Si FRD改善了1% (表)。

图1开发的β-Ga2O3SBD封装照片

图2评价用电源的PFC电路图和β-Ga2O3SBD的搭载部位

图3电源电路的工作波形( a )搭载β-Ga2O3SBD )搭载Si FRD

图4反向恢复特性( a )配备β-Ga2O3SBD )配备Si FRD

(株)诺贝尔水晶技术公司将推进此次开发的β-Ga2O3SBD在4英寸自由生产线上的制造工艺的确立。 同时，以进一步高性能化为目标，采用沟槽结构的新一代β-Ga2O3SBD的开发也将推进。 另外，反相型MOS(Metal-Oxide-Semiconductor )晶体管※13的研究开发也将在有效利用本开发成果的同时进行。 根据本成果，β-Ga2O3功率器件有望为太阳能发电用功率调节器、工业用通用逆变器、电源等功率电子设备的高效化、小型化、汽车电动化和飞天车等电能的高效利用做出贡献。 以β-Ga2O3SBD在工业用通用变频器和电源中的普及为开端，通过向各种电力电子设备的推广，降低电力消耗，作为2030年日本的节能效果量，将以10万kL/年(换算成原油)为目标。

※1碳化硅( SiC ) 是硅和碳的化合物，是宽间隙半导体之一。 ※2氮化镓( GaN ) 镓和氮的化合物，是宽间隙半导体之一。 ※3氧化镓(β-Ga2O3) 镓和氧的化合物，是宽间隙半导体之一。 ※4功率器件 是指能够控制高耐压、高电流的半导体元件，用于变频器等电力转换设备。 ※5战略性节能技术创新计划 摘要:站点内链接战略性节能技术创新计划 ※6肖特基势垒二极管( SBD ) 这是一种利用了当被称为肖特基结的半导体和金属接合时，电流只能向一个方向流动的整流性的二极管。 肖特基结型二极管与PN结型二极管相比，具有开关损耗小的优点。 ※7成功实现※7 β-Ga2O3100mm外延晶片的高品质化 参考: NEDO发布( 2022年3月14日)“成功开发了将位点内链接杀手缺陷减少到传统的1/10的第三代氧化镓100mm外延晶片” ※8安培级1200V耐压的β-Ga2O3SBD的开发 参考: NEDO发布( 2021年12月24日)“网站内链路世界首创，开发安培级1200V耐压的“氧化镓肖特基势垒二极管” ※9电流连续型PFC (功率因数改善)电路 这是为了通过300W以上的电源电路抑制线圈的峰值电流，实现小型化而采用的电源电路方式。 ※10快速恢复二极管( Si FRD ) 是使用硅半导体的PN结二极管，通过重金属扩散等缩短了正反方向导通的切换所需的时间。 ※11梯形波 电流连续型电路中的典型电流波形。 在电流不连续电路中为三角波波形。 ※12反向恢复特性 是指向二极管施加的电压从正向切换为反向时的电流和电压随时间变化的行为。 ※13反相型mos (金属氧化物半导体)晶体管 将形成n型层和p型(高电阻)层的2种杂质分2次离子注入所需区域形成的MOS晶体管。 在反转型中，向栅极施加正电压时，电子会在绝缘膜/P型(高电阻)层界面蓄积，从而流过电流。 4 .咨询处 (关于本新闻发行版内容的咨询方式) NEDO节能部负责人:北井TEL:044-520-5281 (株)诺贝尔水晶技术营业部负责人:增井TEL:03-6222-9336 (其他关于NEDO业务的一般咨询方式) NEDO宣传部负责人:坂本、黑川、桥本、铃木、根本 tel:044-520-5151 e-mail:nedo _ press [ * ] ml.nedo.go.jp 使用电子邮件时，请将上述地址的[*]转换为@。 在报纸、电视等上介绍本机构的名称时，请使用“NEDO (国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构)”或“NEDO”。