三菱電機、6.5kV耐圧のフルSiCモジュールを開発：「世界最高の定格出力密度」

三菱電機は2018年1月31日、シリコンによる従来のパワー半導体モジュールよりも定格出力密度を1.8倍に高めた6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュールを開発したと発表した。ダイオードを内蔵したSiC-MOSFETを採用し、小型サイズを実現している。

[竹本達哉，EE Times Japan]

出力密度はSi比1.8倍、電力損失は3分の1に

　三菱電機は2018年1月31日、ダイオードを内蔵したSiC（炭化ケイ素）によるMOSFETを使用し、6.5kV耐圧のパワー半導体モジュールを開発したと発表した。三菱電機は、パワー半導体モジュールとして「世界最高の定格出力密度を実現した」としている。

開発した6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュール （クリックで拡大） 出典：三菱電機

　6.5kV耐圧は、シリコン（Si）を用いたパワー半導体モジュールの最高耐圧とされる。今回の開発により、ダイオード、トランジスタの双方をSiCデバイスで構成するフルSiCパワー半導体モジュールで、Siパワー半導体モジュールがカバーしてきた領域全てに対応できるようになった。

　開発したパワー半導体モジュールは、新たに開発したダイオードをSiC-MOSFETに内蔵した1チップデバイスを採用している。これにより、従来のダイオードとMOSFETによる2チップ構成時に比べチップ面積が半減したという。

　ダイオード内蔵SiC-MOSFETチップの発熱対策として部材メーカー4社と連携し、優れた熱伝導性と耐熱性を兼ね備えた絶縁基板と、信頼性の高い接合技術を開発。高い放熱性と高耐圧を備えながらパッケージを小型化することに成功。その結果、定格出力密度は、Siパワー半導体モジュールの1.8倍に相当する9.3kVA/cm³を実現した。なおパッケージは、「HV100パッケージ」と互換を持つ。

　開発品の電力損失は、Siパワー半導体モジュール比3分の1。動作周波数もSiパワー半導体モジュールの4倍まで高められるという。

6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュール（開発品）とSiモジュール（従来品）との比較 出典：NEDO

　三菱電機は、高耐圧フルSiCパワー半導体モジュールとして2013年に3.3kV品を開発していた。「（開発した6.5kV品により）これまで3.3kVのフルSiCパワー半導体モジュールを2つ直列につないでいた回路を1つに置き換えることができ、パワーエレクトロニクス機器の回路構成を簡素化できる。スイッチング損失の大幅低減、高周波動作対応により、パワーエレクトロニクス機器の省エネ、周辺部品の小型化も実現できる」とし、今後、要素技術の改善や信頼性評価を進め、鉄道や電力などのパワーエレクトロニクス機器への搭載を目指す。

　今回の6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュールの開発は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の助成を受け実施されたもの。同開発には、三菱電機の他、DOWAエレクトロニクス、三菱マテリアル、デンカ、日本ファインセラミックス、東京工業大学、芝浦工業大学、九州工業大学、産業技術総合研究所も参加している。