“世界最小”のオールSiCインバータをFUPETが開発、パワー密度は従来開発品の1.5倍に：パワー半導体 SiCデバイス

NEDOとFUPETは、世界最小となる定格出力15kWのSiCインバータを開発したと発表した。電流容量の大きいSiCデバイスの採用や、誤動作を防ぐ積層セラミックコンデンサの内蔵により、従来開発品とほぼ同じサイズで出力電力を1.5倍に高めることに成功している。

[朴尚洙，EE Times Japan]

　新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）と次世代パワーエレクトロニクス研究開発機構（FUPET）は2011年9月6日、東京都内で記者会見を開き、すべてのパワーデバイスにSiC（シリコンカーバイド）デバイスを用いたオールSiCインバータ（モデル名は「MAINA」）を新たに開発し、従来開発品の1.5倍となる30kW/l（リットル）のパワー密度を達成したと発表した（図1）。

図1　FUPETが新たに開発したオールSiCインバータ

　今回開発したオールSiCインバータは、出力電圧が400V、出力容量が15kWである。15kW出力時の電力変換効率は約99％（駆動回路の損失は含まれていない）。インバータの外形寸法は146mm×91mm×38mmであることから、容積は504cm³なので、パワー密度は約30kW/lとなる。FUPETによれば、「定格出力が15kWのSiCインバータとしては世界最小だ」という。なお、スイッチング周波数は8kHzとなっている。

　FUPETは、2010年10月に、出力容量が10kW、外形寸法が151mm×91mm×37mm（容積は508cm³）、パワー密度が約20kW/lのオールSiCインバータ（モデル名は「TOPPA」）を発表している。今回発表した開発品は、約1年前に発表した従来開発品と比べて、2つのポイントで改良が施されている。1つ目は、使用しているSiC-JFET（接合型電界効果トランジスタ）の電流容量を約1.5倍に高めたことである。従来開発品は、オールSiCインバータの動作時温度として想定している200℃のときの最大電流容量が約40Aだった。これに対して、新たな開発品に用いたSiC-JFETは、200℃のときの最大電流容量が60Aまで高められている。なお、両開発品のSiC-JFETとSiC-SBD（ショットキーバリアダイオード）は、SemiSouth Laboratoriesの製品である。

　もう1つの改良ポイントは、インバータにおけるスイッチング動作の誤点孤を防ぐために用いている積層セラミックコンデンサを内蔵したことである（図2）。従来開発品では、インバータの外側に配置していたが、インダクタンスが大きくなることもあって誤点孤を防止する効果は限定的だった。一方、新開発品は、200℃のときでも容量の低下しない積層セラミックコンデンサを採用してインバータに内蔵することにより、誤点孤の発生を抑えることに成功した。積層セラミックコンデンサは村田製作所製で、容量は100nFである。

図2　誤点孤を防止するコンデンサの内蔵　従来開発品でインバータの外側に設置されていた積層セラミックコンデンサが、新開発品ではインバータに内蔵されている。

　FUPETは、NEDOから、2009年〜2012年にかけて行う次世代パワーエレクトロニクス（グリーンITプロジェクト）事業と、2010年〜2014年にかけて行う低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト事業の研究を委託されている。今回開発したオールSiCインバータの研究開発は、次世代パワーエレクトロニクス事業に属しており、日産自動車、サンケン電気、東芝、富士電機が参画している。

　なお、今回の発表の詳細については、2011年9月10日から米国オハイオ州クリーブランドで開催されるSiCデバイスの国際会議「ICSCRM（International Conference on Silicon Carbide and Related Materials） 2011」で報告が行われる予定だ。