ＮＥＤＯとＦＵＰＥＴ、超小型・大出力ＳｉＣインバーターを開発

超小型・大出力ＳｉＣインバータを開発

−体積０．５リットル、１５ｋＷのモーターを駆動−


　ＮＥＤＯの次世代パワーエレクトロニクス技術開発の研究委託先である技術研究組合「次世代パワーエレクトロニクス研究開発機構（ＦＵＰＥＴ）」は、同一パワーとしては世界最小の完全空冷オールＳｉＣ（※１）インバータを開発、出力１５ｋＷのモーターの連続動作に成功しました。このインバータは体積５００ｃｍ３、出力パワー密度（※２）は３０ｋＷ／リットルの超小型で、産業用モーターの制御はもちろん、スマートコミュニティの実現に必要な電力変換や、電気自動車の小型化・軽量化・効率アップなど幅広い分野での利用が見込めます。このプロジェクトでは、引き続き開発を進め、さらに高いパワー密度の実現を目指します。

※１．シリコンカーバイド（炭化ケイ素）。ケイ素と炭素の化合物で、これを用いて作った半導体デバイスを従来のシリコン半導体デバイスに比べると、内部の電力損失が１／１００と小さく、高い周波数・高い温度（３００℃程度まで。Ｓｉの場合は１００℃程度まで）で使用することができる。
※２．インバータの単位体積あたり変換できる電力の値。これまでの最大値は、同じくＦＵＰＥＴが報告した２０ｋＷ／リットル（ＣＥＡＴＥＣ　２０１０）。


　＊図１，２は添付の関連資料を参照


１．背景
　太陽光や風力による発電や、電気自動車の普及をはじめとする電力利用の高度化は、資源枯渇や地球温暖化解決の切り札です。その中で、電力を望ましい電圧や周波数に変換する電力変換器（インバータ）が大きな役割を果たします。現在は、インバータに使われる半導体デバイスのほとんどが、材料にシリコン（Ｓｉ）を用いたものです。材料にＳｉＣを用いたデバイスは、現在開発中の新たなデバイスですが、内部の損失がＳｉの１／１００と小さく、３００℃程度までの高温で動作できるなど、いろいろな特性でＳｉデバイスを凌ぐので、インバータの効率を大きく向上させるものと期待されています。ＮＥＤＯでは、ＳｉＣデバイスやその応用機器の本格普及を目指して、材料からデバイス、インバータ機器の開発に至る幅広いプロジェクトを推進しています。その中で、技術研究組合次世代パワーエレクトロニクス研究開発機構（ＦＵＰＥＴ）（下村　節宏理事長）は、ＮＥＤＯからの研究委託を受け、２００９年より、小型で高性能なＳｉＣパワー半導体デバイスを使用した電力変換器の実現と普及に向けた技術開発を推進してきました。


２．今回の成果
　完全空冷のオールＳｉＣ三相インバータのプロトタイプ（モデル名”ＭＡＩＮＡ”）を開発するとともに、１５ｋＷの三相モーターを実際に連続動作させ、出力パワー密度３０ｋＷ／Ｌ（または３０Ｗ／ｃｃ）の実証に成功しました。
　このインバータはすべてのパワー半導体デバイスに従来のＳｉに代わりＳｉＣを用いたものにしています。体積は僅か０．５リットルほどで、Ｓｉ−ＩＧＢＴ（※１）を用いた市販の汎用インバータと比べると１／１０〜１／２０のサイズです（図１）。
　今回の結果は、体積を維持したまま、定格出力を初代モデル（”ＴＯＰＰＡ”，ＣＥＡＴＥＣ　２０１０で展示）に比べて５０％向上させたものです。
　技術上のポイントの一つは、小さい冷却器で高い冷却性能を得るために、パワーデバイスが最大２００℃で動作し続けられるように内部のモジュール（パワーモジュール）を設計した点にあります。このように２００℃という高温で動作できるのが、ＳｉＣデバイスならではの特長で、これが大幅な小型化ができる理由のひとつです。１５　ｋＷ出力時の電力変換効率は約９９％（※２）で、これもまた世界トップレベルです。今回の高出力実負荷動作性能を達成した技術上のポントは、次の３点です。

　１．実測とよく合う高確度な熱シミュレーションの実施
　２．誤動作防止回路を内蔵したパワーモジュールの開発
　３．高耐熱かつ低損失なＳｉＣ−ＪＦＥＴの採用

　このような大幅な小型化によって、これまで適用できなかったさまざまな用途に、インバータが使われていくものと考えています。
　このリリースの詳細は、９月１０日から米国で開催される国際会議ＩＣＳＣＲＭで報告します。


３．今後の予定
　引き続き、前記の特徴を持つＳｉＣインバータの設計の高度化を進めてさらなる小型・大容量のインバータの実現を目指すとともに信頼性強化を進めます。これにより、スマートコミュニティやＥＶなど、多くの応用分野へ展開できる技術を確立し、ＣＯ２排出量を削減したグリーンな社会の実現に貢献するよう、努力していきます。


【用語解説】
※１．絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）。材料にＳｉを用いたパワーエレクトロニクスデバイスの中では最も大きい電力の制御に適したもの。
※２．駆動回路の損失は含まない