宇宙機内でのセンサーネットワークの無線給電を可能に
2018/11/06 産業技術総合研究所,宇宙航空研究開発機構
ポイント
- ハイブリッド構造の整流回路によるマイクロ波から直流への電力変換を初めて実証
- 高確度なインピーダンス測定技術によりハイブリッド構造に適した整合回路を実現
- 宇宙機内でのセンサーネットワークへの無線給電化に期待
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）物理計測標準研究部門【研究部門長 藤間 一郎】電磁気計測研究グループ 岸川 諒子 主任研究員、堀部 雅弘 研究グループ長と国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構【理事長 山川 宏】（以下「JAXA」という）宇宙科学研究所 川﨑 繁男 教授は、窒化ガリウム（GaN）ダイオードとシリコン（Si）整合回路を混成したHySIC（Hybrid Semiconductor Integrated Circuit）構造の整流回路により、マイクロ波から直流への電力変換動作を世界で初めて実証した。
宇宙機では、安全で確実なミッション遂行のため、各所に取り付けたセンサーにより機体や装置の状態を常時監視する技術が必須である。センサーへの駆動電力供給法としては、軽量化や耐久性向上の観点から無線給電技術が有望であるが、空間を伝播するマイクロ波を直流電力に変換する整流回路が必要である。整流回路にはダイオードが用いられるが、宇宙空間においては地上の約100倍～1000倍の頻度で宇宙線が到来するため、一般に採用されているSiなどのダイオードでは高い頻度での誤動作や破損が予測される。そこで今回、宇宙線に対する耐性を向上させるため、ダイオードの部分にはバンドギャップの広いGaNを採用した。一方、マイクロ波を効率良くGaNダイオードへ入力するための整合回路の部分はほとんど配線であるため、宇宙線による誤動作の影響は小さいことから、量産が容易なSi回路を用いて、小型軽量化と低コスト化が可能なHySIC整流回路を開発した。今後、開発したHySIC整流回路を高性能化し、宇宙機内の無線給電を実用化することで、将来の宇宙開発へ貢献することが期待される。
この技術の詳細は、2018年11月6～9日に国立京都国際会館（京都府京都市）で開催される2018 Asia-Pacific Microwave Conference（APMC 2018）にて発表される。
開発したHySIC整流回路の写真（左）と概略図（右）
開発の社会的背景
安全で確実なミッション遂行のため、宇宙機内にはガスセンサーや振動センサーなどのさまざまなセンサーが数多く取り付けられ、機体や装置の状態を常に監視している。現在、これらセンサーへの駆動電力の供給には電力線が用いられているが、電力線の重さや耐久性が課題になっている。また、機体に電力線が固定されているため、宇宙機の形状変化が制限されるという課題もある。
電力線を用いずに駆動電力を送る無線給電技術は、宇宙機の軽量化、打ち上げ時の耐振動性や形状変化の自由度の向上を可能にし、将来の宇宙開発を支える重要な基盤技術の一つである。また、今後もわが国が世界の宇宙開発を牽引するためにも、宇宙機内で機能する無線給電システムの開発が求められている。
研究の経緯
HySICは、複数種の半導体を混成させた回路であり、一種類の半導体では不可能な機能を実現できると期待されている。そこで産総研とJAXAは共同研究により、宇宙機内センサーへ無線給電するためのHySIC整流回路の開発に取り組んだ。この回路では、空間を伝播するマイクロ波からセンサー駆動用の直流への電力変換を行うダイオードには宇宙線に対する耐性が高いGaNを、マイクロ波を効率良くGaNダイオードへ入力するための整合回路には小型軽量化が可能なSi整合回路を採用することにした。開発にあたっては、産総研がマイクロ波領域でのGaNダイオードの高確度なインピーダンス測定技術の開発を、またJAXAが保有する回路設計技術を組み合わせてHySIC整流回路の作製と動作実証を行った。
なお、今回の開発は、一般財団法人 宇宙システム開発利用推進機構からJAXA宇宙科学研究所に再委託された経済産業省「太陽光発電無線送受電高効率化の研究開発」（平成26年度～平成28年度）の成果が基になっている。
研究の内容
宇宙機内では、センサーが収集した情報はマイクロ波を用いた無線通信で制御ユニットに集約され、活用される。無線通信はすでに高度な技術が発達しており、マイクロ波による無線給電は無線通信回路の一部を共用できるため、センサーとの親和性が高い有望な技術である（図1）。制御ユニットのアンテナからマイクロ波を空間に放射し、そのマイクロ波を各センサーに取り付けたアンテナで受け取り、センサー駆動用の電力として用いる。センサーへは直流を給電する必要があるため、マイクロ波を直流へ変換する整流回路が必要になる。整流回路は電力伝送効率に大きく影響するため、宇宙機への搭載に適した整流回路が望まれている。電力損失の少ない高機能のHySIC整流回路を開発するには、マイクロ波領域でGaNダイオードのインピーダンス特性を測定し、そのインピーダンス特性に整合するようにSi整合回路を設計する必要がある。
図1 センサーへの無線給電システムの概要とHySIC整流回路
マイクロ波領域におけるGaNダイオードのインピーダンス測定では、さまざまな測定方法や伝送線路特性の補正技術があり、最適な組み合わせが分かっていなかった。そこで今回、GaNダイオードのデバイス構造とマイクロ波領域に適した測定方法と伝送線路特性の補正技術の組み合わせを新たに見いだし、GaNダイオード単体のインピーダンス特性を高確度で測定することができた。図2にGaNダイオード測定用に独自に設計・作製した回路を示す。測定を行うコネクターとGaNダイオードの間には伝送線路があるが、その伝送線路をマイクロ波が伝播する際に損失と位相変化が生じる。図2右側の伝送線路特性補正用デバイスを用いて伝送線路による損失と位相変化を補正することで、GaNダイオード単体のインピーダンス特性の正確な測定が可能となった。
GaNダイオード単体の正確なインピーダンス特性が得られたことで、高機能のHySIC整流回路を実現するためのSi整合回路の設計が可能となった。GaNダイオードのインピーダンス特性は入力マイクロ波の電力に依存して変化する。一方で、Si整合回路のインピーダンス特性は入力マイクロ波の電力に依存せず一定である。そのため、マイクロ波が入力している状態で両者のインピーダンス特性を整合させる必要があり、電力変換効率を最大とするためのSi整合回路の設計手法に課題があった。今回開発したHySIC整流回路は100 mW級の直流電力を得ることを目標とし、出力電力が100 mW級の際にGaNダイオードとSi整合回路のインピーダンスが整合状態となって、電力変換効率が最大となるよう、Si整合回路の基本パターンを設計した。さらに、シミュレーションにより、基本パターンを基に入力電力などが変動した際の電力変換効率への影響を解析し、Si整合回路のパターンを改良し、高い変換効率で安定した整流動作を実現した。
これらのマイクロ波領域のGaNダイオードのインピーダンス測定技術とSi整合回路の設計技術により、HySIC整流回路を世界で初めて動作させることができた（図3）。また、入力マイクロ波電力に対する出力直流電力は良好な電力変換特性を示した。今回得られた100 mW程度の直流電力により、宇宙機内に設置した8個の温度センサーを動作させることができ、例えば、スマートフォンなどに搭載されている通信（Bluetooth®）に用いる場合であれは、1～3台程度との通信ができる電力を供給できる。
GaN/Si HySIC整流回路は、宇宙線への耐性が高いだけでなく、高電力・高電圧での電力伝送を可能にし、高効率の高速充電が実現する可能性がある。さらに、従来の基板上に製造された整流回路に比べて小型化できるため、省スペース性にも優れている。この技術をさらに発展させることで、宇宙空間における無線電力伝送の実現に繋がる可能性があるだけでなく、将来の地上におけるセンサーネットワークへの電源供給や電気自動車の充電への利用も期待される。
図2 GaNダイオードと伝送線路補正用のデバイス
図3 入力マイクロ波電力に対する出力直流電力の測定結果
今後の予定
今後は、HySIC整流回路のさらなる高性能化を目指す。また、HySIC整流回路を用いた無線給電システムを宇宙機へ搭載するべく、実用化のための研究開発を進めていく。
用語の説明
- ◆窒化ガリウム（GaN）、シリコン（Si）、半導体
- 半導体とは、導体（電気抵抗が小）と絶縁体（電気抵抗が大）の中間の電気抵抗をもつ物質である。半導体に光・放射線や宇宙線などのエネルギーが加えられると、そのエネルギーが半導体のバンドギャップより大きい場合は、電流を流せる状態に変化する。これにより、例えば、余剰な電流が流れ、回路の誤作動や破壊が起こる可能性がある。そのため、大きいエネルギーをもつ宇宙線が到来しない限り電流を流せる状態にはならない広いバンドギャップをもつ窒化ガリウム（GaN）は、宇宙用半導体材料としての適用が期待されている。シリコン（Si）は最も普及した半導体の一つで、優れた回路集積技術が確立しており、小型で軽量な回路が作製できる。
- ◆整流回路、ダイオード、整合回路
- 高周波信号を直流信号に変換する回路を整流回路という。一般的に、整流回路はダイオードと整合回路から構成される。ダイオードは半導体で作製されるデバイスで、ある方向に電圧をかけると電流が流れ、逆方向に電圧をかけるとほとんど電流が流れない性質をもつ。この特性を利用すると、高周波から直流への変換（整流）ができる。多くの高周波回路のインピーダンス値は50 Ωであるが、ダイオードのインピーダンス値は50 Ωではないので、整合回路によりインピーダンスを整合させることで、マイクロ波電力の反射を小さくし、高い変換効率をもつ整流回路を作製できる。
- ◆マイクロ波、直流
- 時間的に特性が変化する電気信号を高周波といい、特に、周波数が300 MHzから300 GHzの電気信号をマイクロ波と呼ぶ。一方、時間的に特性が変化しない電気信号を直流という。
- ◆インピーダンス
- デバイスの高周波領域での特性を表す物理量がインピーダンスである。単位はΩ。インピーダンス特性が異なるデバイスと回路を接続すると、接続面で高周波信号の反射が起こり、電力の損失となる。損失を最小にするには、両者のインピーダンス値を一致させるインピーダンス整合が必要である。多くの高周波回路やシステムは、インピーダンス値が50 Ωになるように設計・作製されている。
- ◆伝送線路、伝送線路特性の補正技術
- 高周波を伝送する伝送路（配線）を伝送線路という。テレビのアンテナケーブルに代表される同軸構造、水道管のようなパイプの中を伝送させる導波管構造、平面基板上に配置したコプレーナ線路やマイクロストリップ線路がある。
被測定デバイスと測定器を直接接続できない場合、両者をつなぐ伝送線路が必要である。そのため、マイクロ波領域では、測定結果に被測定デバイスと伝送線路の特性が含まれる。そこで、測定結果から不要な伝送線路の特性を取り除き、被測定デバイスの特性のみを評価する補正技術が重要になる。
