成果報告書詳細
管理番号20130000000788
タイトル平成21年度-平成23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 高耐圧SiCデバイスを用いた高効率小型電力変換器システム技術の研究開発
公開日2013/10/29
報告書年度2009 - 2011
委託先名株式会社東芝
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 本研究開発では、高耐圧大電流低損失SiCダイオードおよびこのデバイスを適用したモータ駆動システムの高効率・小型・軽量化を可能とする電力変換器技術を開発して、鉄道車両駆動永久磁石モータドライブシステムで実機レベルでの実証を行った。
 JBS構造による逆方向リーク電流の抑制と、pnダイオードの集積化によるサージ電流耐量の改善によって、大電力IGBTモジュールへの組み込みが可能な耐圧1.7kVのSiCショットキーバリアダイオードを開発した。このダイオードを組み込んだハイブリッドペアIGBTモジュールは、Si PiNダイオードを用いた従来モジュールに対し、ダイオードの逆回復損失を90%低減、IGBTのターンオン損失を50%低減できることを確認した。
また、PiNダイオードを試作して、耐圧4.5kV、電流容量25Aのチップを実証した。低損失化を図るため事前のデバイスシミュレーションにより素子構造の最適化を実施した。長期信頼性を確保するために4°オフSiC基板を採用したところ、従来の8°オフ基板に比べて順方向特性劣化が著しく低下し、信頼性が向上することを確認した。
近年、電力変換器は冷却器等の機器が大型化するため、鉄道車両下部の艤装スペースの制約が問題となっている。そのため、電力変換器に、耐圧1.7kVのSiCダイオードを組み込んだハイブリッドペアIGBTモジュールを使用することにより、電力変換器の低損失化を図り、従来比において電力変換器40%の体積減少を目指した。省エネの高まりと共に注目されている鉄道車両用PMSMモータ駆動用の電力変換器を対象として、実機としての設計-評価試験を行い、このモジュールの効果を検証した。試作した電力変換器は、長手箱タイプで大きさ:L2380×W750×H700、質量:700kgとなり、体積比で約60%削減、質量比で約50%削減の装置となった。パワーユニットは、従来は4個のモータ駆動に2個のユニットが必要だったが、低損失化により1個のユニットで駆動できるようになった。ジャンクション温度を実測したところ、137.3℃と素子規定値の150℃を下回った。評価試験の結果、このモジュールのダイオードの逆回復損失は72%低減、IGBTのターンオン損失は63%低減することができた。モータの組合せ試験においても、従来と同等の走行性能を確保できることを確認した。また、振動試験、温度試験においても規定値をクリアしており、実機においてハイブリッドペアIGBTモジュールを用いたVVVFインバータ装置は、従来よりも体積比で約60%削減、質量比で約50%削減することができた。
試作した4.5kV-150AのハイブリッドペアIGBTモジュールのダブルパルス試験を実施し、40%の損失低減効果が得られることを確認した。更に、2段ゲートドライブ方式を適用することで44%の損失低減効果が得られた。また、このモジュールを用いた評価用インバータ装置を製作し、鉄道車両用PMSMの駆動試験を実施した。試験は、最高速度300km/h相当までの加速及び停止間際までの回生ブレーキ動作を実施し、高耐圧下で変換器が正常動作することを確認した。同装置で力行ヒートラン試験を実施し、損失低減効果を冷却フィン表面の温度で観測した。その結果、ハイブリッドペアIGBTモジュールに2段ゲートを適用した場合で30Kの温度低減効果が得られていることを確認した。
英文要約 A silicon carbide Schottky barrier diode (SiC-SBD) for a rated voltage of 1.7kV has been developed. In order to suppress the reverse leakage current and improve the surge current capability, both of the junction barrier-controlled Schottky (JBS) and merged pin-Schottky (MPS) structures have been adopted, respectively. The diode chips have been successfully applied to a high power IGBT module. It has been confirmed that replacing the silicon diodes by the SiC-SBDs can reduce the diode recovery and IGBT turn-on losses down to 10% and 50% ones of the reference modules, respectively.
 Breakdown voltage of 4.5 kV and current capacity of 25 A were demonstrated by SiC pin diodes fabricated on 4 inch SiC substrates. The device structure was optimized by device simulation to reduce the power loss. For long-term reliability, SiC pin diodes were fabricated on 4°off-axis 4H-SiC substrates. The forward degradation of the devices was reduced and the reliability of them was significantly improved compared to those of devices fabricated on 8°off-axis substrates.
Recent years, the volume and the mass of inverter have been increasing because of size increase of cooling fin of the inverter. This becomes the problem as it is mounted on the under floor of the train where the space is limited. In order to solve such problem, the new type of module which utilizes 1.7kV SiC-SBDs (Hybrid-Pair IGBT module) has been developed. By using this new module, the loss of inverter can be lowered. We have been challenging to decrease the volume of the inverter by 40%. This project targets the inverter for PMSM motor of train which uses less electricity than IM motor. An effect of new module is measured by examination for the inverter. The prototype of the new inverter has dimensions of L2380×W750×H700 and mass of 700kg. Compared with a conventional inverter, the new inverter has 60% less volume and 50% less mass. In a conventional inverter, 2 power units are necessary to run 4 motors, but due to the low loss of the new module, only 1 power unit is required. From the measurement result, the junction temperature is 137.3℃, which is lower than the limit at 150℃. From the evaluation test of new module, the recovery loss is -72% and IGBT turn-on loss is -63%. From the motor combination test, the inverter is able to produce same power output as a conventional inverter. The prototype inverter has passed the shock and vibration test and temperature rise test. In conclusion, we have succeeded in developing the new prototype inverter with Hybrid-Pair IGBT module which has 60% less volume and weighs 50% less.
Compared to conventional Si modules, a loss reduction of 40% is achieved by interrupting tests with prototyped 4.5kV-150A Hybrid-Pair IGBT module. Furthermore, in the case of two stage gate drivers, the loss reduction of 44% is achieved. Operation tests with Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) for the railway traction system are conducted with the developed inverter applied to new module. In the operation bench tests, the PMSM with the inertia load is accelerated to the maximum speed of 300km/h and stopped by a regenerating brake. The developed inverter is operating properly under high-voltage tests. To evaluate a loss reduction by new modules, temperatures at several points of cooling fin surface are measured under heat run tests with a power running. The temperatures at the surface of the cooling fin are decreased by 30K by using developed Hybrid-Pair IGBT module with two stage gate driver.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る