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パワーデバイスの回路技術

～パワーエレクトロニクス・メカトロニクスにおけるパワーデバイスの役割と期待～

パワーデバイスの回路技術第4回窒化物半導体応用研究会 2009/01/23 於名古屋工業大学

名古屋工業大学・准教授・岩崎誠

プレゼンテーションの内容•エネルギーデザインとパワーデバイス•キーワード：高効率・省エネルギー，熱設計・静音，高速・高精度制御

パワーデバイスの回路技術 2009/01/23 2

エネルギーデザインの研究活動の中で

パワーデバイス（特にSiCやGaN）の現状・動向，実用化技術，アプリケーション学会論文・講演・講習会や商用アナウンスなど，様々な情報

産業機器，電力変換，鉄道，自動車，家電…

エネルギーデザインの視点から概観

エネルギーデザインとは？特にここで対象とするのはパワーエレクトロニクス，モーションコントロール，メカトロニクス

パワーデバイスの役割と効果

エネルギーデザインからみた変換器アプリケーション：コンバータ（DC-DC，スイッチング電源，順変換回路），インバータ，UPS…

効果のキーワードは「高効率，熱設計，高性能」

アプリケーションからパワーデバイスへの要求が事前評価できる

今後解決が必要な事項も残されている…


エネルギーデザインの概要

発電・送配電

電力系統制御

電力コンディショナー

高電圧・絶縁

電力変換器

モータ設計・制御

運動制御

機構設計

ネットワーク技術

信号処理技術

制御技術

半導体技術


モーションコントロールメカトロニクス

パワーエレクトロニクス

パワエレ・モーション・メカトロと製品群

発電・送配電

電力系統制御

電力コンディショナー

高電圧・絶縁

電力変換器

モータ設計・制御

運動制御

機構設計

工作機・加工機

半導体製造装置

家電製品新幹線

ハイブリッド自動車

パワーエレクトロニクス

汎用インバータ


パワーデバイスとアプリケーション

出展：パワーエレクトロニクス学会第23回専門講習会テキスト「最新パワーデバイスの動向と実用化技術」

サイリスタ

MOSFET


アプリケーションは何を要求？

スイッチング素子に要求される基本特性ノーマリオフ，低ON抵抗，低SW損失，高耐圧・高電流密度，高温度…

高効率・省エネルギー・高密度化（小型化）

熱設計・静音スイッチング電源（安定化電源，DC-DCコンバータ）

IT製品・機器，電子機器，自動車，家電…

PWMインバータ無停電電源（UPS），産業ドライブ，鉄道，自動車，家電…

電力消費量に占めるこれら電力変換器の割合から絶大な省エネ

熱設計・冷却方式での優位性，ファンレスによる静音

これらの優位性は現状のデバイスの置き換えでも十分なものは多い

高速・高精度な制御性能コンバータ（DCモータドライブ），インバータ（ACモータドライブ）産業ドライブ，精密機器制御，鉄道・自動車・家電…

高耐圧，大電流，高速スイッチングによる制御性能のブレイクスルー


電力変換器の例：スイッチング電源

DC-DCコンバータ，昇圧チョッパ回路，その他


超小型DC-DCコンバータの例50W/cm3の高密度化達成

昇圧チョッパ回路の例変換効率 94% ⇒ 98%へ向上4倍の高周波化（対Si-IGBT）


電力変換回路の例：PWMインバータ

産業・車両用ドライブ，UPS（無停電電源），その他

ノーマリオフでなければ電源短絡オン抵抗が導通時損失，スイッチング時の損失…


適用効果：高パワー密度インバータ

高パワー密度（小型化の指標）SiCインバータ（3.7kw）の例9 W/cm3の達成，損失～1/2 (キャリア10kHz）⇒ 冷却フィン小型化（熱設計の優位性），省エネ



社会へ与えるインパクト：省エネ

電力消費（電気エネルギー利用）の実情 IT機器の電力消費量が約500億kWh（総消費量の約20%）（総消費量の約50%は産業・運輸・商用・家電などのモータ）

IT機器のうち，データサーバによる消費が膨大⇒ スイッチング電源，UPSの電力消費

IT機器の電力消費量の伸長予想 2015年：約1000億kWh ⇒ 2025年：約2400億kWh

⇒ 2050年：約5000億kWh （現在の約10倍，総消費量も伸長…）

効率が数%向上するインパクトは莫大！！


こんな報告まで…


社会へ与えるインパクト：静音

IT機器，特にCPUの冷却へ与える効果は絶大

静音の実現 ⇒ 「ファンレス」が不可欠

省エネによる発熱抑制と高温動作対応 ⇒ GaNのメリット

例えば，インテルの方針にも…


制御機器の高性能化を目指して

直流サーボモータの制御ブロックの例コンバータ回路（Hブリッジチョッパ回路）


レーザ加工機の例

Laser beam

X-Y table

X-axis scanner

Y-axis scanner

PC board

F-θ lens

各軸のスキャナモータ揺動型DCモータ

Hブリッジチョッパ回路MOSFET×４個（前段に安定化電源）

~数千穴/秒の加工位置決め時間短縮と精度向上が鍵

産業・運輸用インバータに比して高SW周波数ポストパワーMOS


コンバータの仕様と制御系

電圧 [V] (Drain - Source)

電流 [A] (Source)

ｽｲｯﾁﾝｸﾞ周波数 [Hz]

技術資料(max)

200 [V]

52 [A] (pulsed)

1 [MHz]

25 [A] (max)

300 [kHz]

55 [V]

現行機

表：MOS-FETの仕様と運転仕様

ffu( )mP z ( )P z( )C z

*r y

*i

図：位置制御系のブロック線図

y *i *r ffu：位置応答：電流指令：位置指令：FF制御入力( )

要求される電流（トルク）制御応答周波数：20～30kHz

（一方，産業・家電などは1kHz程度）⇒ 現状ではMOSFETを採用キャリア周波数は数百kHz

位置決め制御応答周波数：数kHz

（加工速度に直接反映）


位置決め波形と性能向上効果

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

time [s]

posi

tion

res

pons

e [m

m]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.98

0.985

0.99

0.995

1

1.005

1.01

1.015

1.02

time [ms]

posi

tion

res

ponse

[m

m]

図：位置応答

現行機

ampモデル変更

(電圧100V, 電流40A)

22%の位置決め時間短縮

⇒ 制御アプローチで達成することは至難の業


現行機

ampモデル変更




電圧・電流波形

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-100-80-60-40-20

020406080

100

time [ms]

voltag

e re

fere

nce

[V

]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

time [ms]

curr

ent

refe

renc

e [A

]

電流・電圧指令波形

現行機

ampモデル変更



現行機

ampモデル変更



最近の制御技術では，これらの波形シミュレーションは勿論，電圧，電流，力・速度・位置などの制御量に制約を課した範囲内で最適な制御系設計も可能

⇒ 逆に所望の制御仕様に対する変換器の能力（仕様）を予め検討可能であるすなわち，パワーデバイスへの要求も事前評価できる！


今後解決が必要となる点

低損失で高温動作 ⇒ 高効率・省エネ，熱設計に有利周辺回路の素子・部品の熱特性も考慮に入れる必要あり例えば F.Renken, R. Knorr: “High Temperature Electronic for Future Hybrid Powertrain Applications”, CD-ROM Proceedings of 11th EPE Meeting, Dresden, Germany, 2005

高耐圧・大電流・高密度・高速スイッチング ⇒ 高性能制御ドライブの実現

制御システム全体のシミュレータを構築できれば，パワーデバイスに対して事前評価が可能パワーデバイスの新しいドライブ回路の開発が必要例えば野口，矢島，小松：「次世代超高速スイッチング素子ゲート駆動回路の開発」，電気学会論文誌D，Vol.129，No.1，pp.46-52，2009

電磁ノイズ，EMIを考慮に入れる必要あり


電子部品・配線の耐温度の例

出展： F.Renken, R. Knorr: “High Temperature Electronic for Future Hybrid Powertrain Applications”,

CD-ROM Proceedings of 11th EPE Meeting, Dresden, Germany, 2005

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