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成果報告書詳細
管理番号20170000000521
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 クリーンデバイス社会実装推進事業 次世代半導体を用いた超小型電力変換モジュールの多用途社会実装
公開日2017/7/6
報告書年度2015 - 2016
委託先名ニチコン株式会社 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P14016
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成27年度ー平成28年度成果報告書 クリーンデバイス社会実装推進事業 「次世代半導体を用いた超小型電力変換モジュールの多用途社会実装」

 近年、電気機器の省エネルギー化が求められ、既存のSi半導体より低損失かつ高速スイッチングが可能で消費電力が小さい次世代半導体SiCなどを用いることが期待されている。電力変換機器の小型化に向けての実証実験、及び、信頼性確認を実施した。具体的には1)電力変換機器の小型化、2)SiCモジュールの信頼性ガイドラインと標準化提案である。各開発項目につき取り組んだ成果は以下の通りである。

1)電力変換機器の小型化 (ニチコン株式会社)
 次世代半導体SiCを用いた高精度、高安定性を兼ね備えた電力変換モジュールを開発し、加速器用電源に搭載してSPring-8のX線自由電子レーザーSACLAの加速器電源として実証を行い成功した。また、公共・産業用蓄電システム(分散型電源)の高周波絶縁型双方向インバーターにもSiC電力変換モジュールを搭載し、従来よりも駆動周波数を約6倍に高周波化し、懸念されるノイズや性能の確認を行った。製品の容積、重量もそれぞれ大幅ダウンが達成出来た。この双方向インバーターをV2H(Vehicle to Home:自動車と住宅の電源接続)に搭載することで容積が30%削減可能なことも確認出来た。
 
2)SiCモジュールの信頼性ガイドラインと標準化 (大阪大学産業科学研究所)
 SiC電力変換モジュールの信頼性評価方法などのガイドライン整備や国内外の標準化への取組として、市場ニーズ調査、実装技術ロードマップ作成を通じ得られた想定される実駆動環境から、モジュール高温駆動に対する信頼性を評価する3つの試験方法を策定した:(A)高温放置試験:250℃ 1000時間、 (B)冷熱温度サイクル試験:-50ー250℃ 1000サイクル 、(C)駆動時の半導体チップ発熱温度をパラメータとしたパワーサイクル試験。ユースケース仕様に対する共通設計の視点から、TO-247フレームにSiCチップを実装したモジュールを標準モジュールとし、信頼性試験を実施した。実装部品は250℃の耐性を有すること、接合界面、樹脂接着界面に残留する応力の温度変化によるダイ接合部の剥離、ワイヤ接続部の剥離が終息の主な原因であることを明らかにした。実施要綱、評価方法を信頼性ガイドラインとしてまとめた。信頼性の要となる実装基板に関する熱特性評価方法を国際標準化ドラフト原案として策定し、更にはパワーサイクル試験方法については継続して検討を行うこととした。
英文要約Title: Clean Device Promotion Project, “Promotion of SiC power modules through both field test for identified use cases and standardization of reliability” (FY2015-FY2016) Final Report

 For the sake of energy conservation, the next generation wide band gap semiconductors such as silicon carbide (SiC), which possesses intrinsic low energy loss and high-speed switching characteristics, has been expected to be applied to most of electronic appliances. Proving experiment and reliability test for the validity of the power conversion modules aiming at down-sizing were carried out, to be obtaining more concrete and precise 1)miniaturization design of power conversion module and 2) a guideline on module reliability and a proposal for standardization. Practical accomplishments are summarized as follows.
 
1) Miniaturization design of power conversion modules (Nichicon Corporation)
 A power conversion module capable of stable high-frequency operation employing the next generation semiconductor SiC has been successfully developed and demonstrated its capabilities by using it in the accelerator power supply for the X-ray free electron laser SACLA at Spring-8 synchrotron radiation facility. In parallel, insulated bi-directional DC-DC power converters have been designed and tested their performance including noise suppressing capability by applying them to power storage systems for public and industrial use and V2H (Vehicle to Home) as well with fruitful end. At product level, both volume reduction and weight reduction by 30 % respectively has been completed as a target value.
 
2) Guideline on reliability of module and proposal for standardization (Osaka University)
 Based on the market research and technology road map by both Nichicon Corporation and Osaka University, module operations at high ambient temperature was extracted as one of the most important reliability requirements, and three methods for evaluation has been specified; 1) high temperature storage test: at 250 °C up to 1000 hours, 2) heat shock test : -50 to 250 °C up to 1000 cycles, and 3) power cycle test: junction temperature of a chip as a parameter. From a concept of a shared module design, one standard module as device under test (TO-247 frame basis) was employed and a series of evaluation activities were performed. The results gained are as follows. The electrical components in the module have heat resistivity at 250 °C, and E.O.L (the end of life) comes along with a mechanical degradation at the die attach or/and an abnormal failure at the wire bonding caused by internal thermal stress. All data and knowledge has been summarized as a guideline for the testing methods and evaluations for SiC devices.
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