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成果報告書詳細
管理番号20170000000556
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト 次世代パワーエレクトロニクス応用システム開発の先導研究 SiCモジュール特性を前提とした新車両主回路システムの基礎研究
公開日2018/3/8
報告書年度2015 - 2016
委託先名公益財団法人鉄道総合技術研究所
プロジェクト番号P10022
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 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト 次世代パワーエレクトロニクス応用システム開発の先導研究 「SiCモジュール特性を前提とした新車両主回路システムの基礎研究」

 更なる省エネ車両の開発を目指し、交流車主回路のトランスレス化に向けた基礎研究として、高耐電圧SiCモジュールを前提とした場合、トランスの絶縁性を、SiCモジュールを用いた回路で実現可能かどうかをミニモデル実験により検証した。更に、高い安全性が求められる鉄道車両にSiCモジュールを適用するため、モジュールの構成材料の開発を行った。

(1) 新車両主回路システムの基礎研究
 交流車主回路のトランスレス化の研究において、クリアすべき課題の一つは、トランス(主変圧器)の絶縁性を代替する新規回路の開発である。そのため、高耐電圧SiCデバイスを前提として、フライングキャパシタ方式により、電力の伝送と直流入出力間の絶縁状態確保を目指した回路を提案した(以下、提案回路)。この提案回路部分について、ミニモデルを試作し、実験による動作検証を行った。なお、ここでは、絶縁状態を異なる電位の回路が共存できる状態として捉え直している。
単体ミニモデルにおいて、双方向及びその切り替わり時の動作を検証した結果、入力電圧100 V、キャパシタピーク電流170 A、スイッチング周波数20 kHzまで、キャパシタの充電電流と放電電流の同時通流はなく、直流入出力間の絶縁を確保しつつ、フライングキャパシタを介して電力伝送が可能であることを実証し、平成27年度の目標を達成した。
 次に、高電位段と低電位段とで2段直列接続したミニモデルにおいて、双方向及びその切り替わり時の動作を検証した。その結果、入力電圧200 V、キャパシタピーク電流159 A、スイッチング周波数20 kHzまで、キャパシタ充放電電流の同時通流はなく、直流入出力間の絶縁を確保しつつ、フライングキャパシタを介して電力伝送が可能であることを実証し、平成28年度の目標を達成した。
 以上のことから、提案回路は、多段接続の場合でも、トランスの有する絶縁性を代替する新規回路として、交流車主回路へ適用できる可能性があることがわかった。
 また、シミュレーションにより、実車相当条件(入力電圧6 kV、2段直列接続、負荷側接地)における提案回路の動作確認を行い、トランスレス交流車主回路を提案し(特許出願中)、平成28年度の目標を達成した。

(2) SiCモジュールの構成材料の研究開発
 SiCモジュールの構成材料は、モジュールの高い信頼性を得るために高熱伝導、低熱膨張、絶縁性が要求される。そこで、基板、封止、パッケージなどの構成材料として、絶縁性で高熱伝導、低熱膨張な有機系スーパー繊維を強化繊維とした複合材料の適用による特性向上を検討した。この繊維クロスと耐熱および高熱伝導エポキシ樹脂を組み合わせた材料を試作し、熱特性を評価した。その結果、ガラス繊維クロスを基材とした従来の材料に比べて面内方向に高い熱伝導率が得られ、耐熱樹脂を使用すると、ガラス転移温度は200℃以上にできること確認した。
 高耐圧パワーモジュールを想定した絶縁層2 mm程度の厚い基板を対象として、基材をクロスから厚さ方向に配向させる加工方法を検討し、高熱伝導繊維を厚さ方向に配向させることで、厚さ方向の熱伝導率を10 W/(m・K)程度まで向上できることを確認した。また、この基板をモジュールに採用することで、従来の絶縁基板に比べてチップの温度上昇を7.3%程度低減できることなど解析により確認した。
英文要約Title : Next Generation Power Electronics Project for a Low Carbon Emission Society / Feasibility Study of Improved Systems for Next Generation Power Electronics / New Traction Circuit Systems using Property of SiC Modules for Trains (FY2015-FY2016) Final Report

The purpose of this study is to develop power circuits for AC electric trains with weight saving and downsizing. We are executing the research of the new transformer-less traction circuits which apply the SiC modules properties and also the research of developing high reliability SiC modules.

(1) The basic study on the new vehicle circuit systems
We devised a new traction circuit configuration which uses SiC modules for insulation function instead of the main transformers, manufactured the circuit models on an experimental basis, and executed the verification. The proposed circuits which ensure insulation transmit power with the flying capacitor method. The results verified of the bidirectional operation, demonstrating that power was transmitted for the input voltage of up to 200 V and the switching frequency of 20 kHz run, while ensuring the insulation state without any simultaneous conduction between the primary and the secondary terminals through the flying capacitor.
We suggested a power transformer-less A.C. fed electric trains using high withstand voltage property of SiC power devices by the circuit simulation (input voltage of 6 kV, circuit connected in two stage, loads are grounded) and the experiment results.

(2) The study of constitution materials of SiC module
The constitution materials of SiC module are required to have high heat conduction, low thermal expansion and proper insulation characteristics for ensuring high reliability of module. We studied the characteristic improvement of the constitution materials such as a board, a sealing and a package, by the application of the composite material which uses reinforcement fiber of an organic super fabric of high heat conduction, low thermal expansion and proper insulation characteristics. We have fabricated constitution materials of SiC module by combining this fiber cloth and heat-resistant, high thermal conductivity epoxy resin. We have tested heat characteristics of these fabricated materials. As a result, we have confirmed that the thermal conductivity in the plane direction of these materials was larger than that of the conventional materials using a glass fiber cloth, the glassy-transition temperature was more than 200 degrees in case of the heat-resistant type epoxy resin.
We examined a board of high voltage SiC power modules, which the thickness is about 2 mm. The fiber was oriented through thickness in this board that is thick. The thermal conductivity is about 10 W/(m・K) through thickness. As a result of calculation, the temperature of the semiconductor chip reduced 7.3% than this of the conventional board.
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