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成果報告書詳細
管理番号20190000000613
タイトル平成26年度―平成30年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム) 次世代パワーエレクトロニクス 次世代パワーモジュールの応用に関する基盤研究開発 「次世代パワーモジュールを使用したパワーエレクトロニクス機器とその統合システムの包括的研究開発」
公開日2019/6/25
報告書年度2014 - 2018
委託先名国立大学法人東京工業大学 公立大学法人首都大学東京 国立大学法人大阪大学 国立大学法人千葉大学 国立大学法人名古屋工業大学 国立大学法人横浜国立大学 国立大学法人筑波大学 国立大学法人北海道大学 国立大学法人山口大学 三菱電機株式会社 富士電機株式会社
プロジェクト番号P14029
部署名IoT推進部
和文要約基盤・実装技術
 パワエレ用インダクタの鉄損計測評価手法とそれを用いた小型低損失化技術,電力用コンデンサの損失計測技術と温度上昇計算法,EMIノイズの解析・抑制技術などを開発した。
 EMIノイズを,時間軸上の各断面でのノイズの周波数スペクトル分布よりノイズの伝搬様相を合成した動画による可視化を実現した。

回路・制御技術
 フライングキャパシタマルチレベル変換器とその多チャンネルゲート信号発生システムを開発し,高調波損失の低減効果と出力レベル数の関係を検証した。
 非絶縁降圧型,高周波絶縁型,高電圧受電絶縁型AC/DCコンバータを開発し,その有効性を実証した。
 電気自動車や新エネルギー発電用チョッパにSiCデバイスを適用して用途を限定し,効率99 %以上の高性能チョッパを実証した。
 インピーダンスソース・インバータにSiC-MOSFETを適用し,モータ駆動回路としての性能を評価した。
 SiC-MOSFETを使用した超高速モータ駆動用インバータと10万rpmの超高速モータの研究開発を行い,最大92.5%のシステム効率を達成した。
 産業用モータの内部/近傍に設置するSiC-MOSFETインバータシステムの研究開発を行い,総合電流ひずみ率4.75%を実証した。
 1.2-kV 400-A SiC-MOSFET 4-in-1モジュールを使用した双方向絶縁形DC-DCコンバータを設計・製作し,最高効率99.5%(34.4kW)を達成した。

応用技術
 SiC-MOSFETモジュールと機械接点を組み合わせたハイブリッド直流遮断器を構成し,定格440 AのSiC-MOSFETモジュール1個を使用して2.2kV 1kAの遮断に成功した。
 マルチレベル変換器と機械式電気接点を併用した新方式高圧ハイブリッド直流遮断器を考案し,直流300V,150A定格のミニモデルを設計・製作して動作検証を確認した。
 直流高圧系の制御用に高絶縁に電力を供給することを目的とし,面発光レーザアレイと太陽電池モジュールを使用した光無線電力電送システム(2m/10W)を開発した。
 SiC MOSFET を用いた高周波インバータが発生した高周波磁界が非磁性SUS304金属球を加熱し,汎用サーモグラフィックカメラで検知する新規システムを開発した。
 HVDC向け電力変換システムの開発の一環として,3.3 kV耐圧SiCを適用した変換器セルの設計,製作を実施した。
 2台のモジュラー・マルチレベル変換器を用いた高圧直流送電システムの瞬時電圧低下時の運転継続性能について,理論と実験の両面から検討した。さらに実時間・実電力の交流電動機・負荷エミュレータの研究に展開させた。
 トランスレス変換器への応用技術開発では,6.6kV系統へトランスレス直接連系を実現するモジュラー・マルチレベル・コンバータを開発し,目標効率98.5%を達成した。
 モジュラー・マルチレベルインバータを大規模太陽光発電システムに応用し,瞬時電圧低下時の運転継続性能について,三相130V, 50Hz, 12kWミニモデルを構築して瞬時電圧低下時の良好な運転継続性能を実証した。
英文要約Title: Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program/Next-generation power electronics/ Research and Development of Power Electronic Systems Using the Next-Generation Power Semiconductor Modules (FY2014-FY2018) Final Report

Comprehensive research has been done on passive components suitable for SiC-based power converters.
A scanning magnetic field probing system has been developed to visualize propagation of generated noise in a power conversion circuit.
Multilevel flying-capacitor converters have been constructed, intended for medium-power applications.
Non-isolated and isolated ac-to-dc converters have been developed with focus on size and power loss.
SiC power devices have been applied to a chopper circuit for fuel-cell electric vehicles and renewable energy generation systems.
Experimental research has been done on an impedance-source SiC-MOSFET inverter with boost and inverter functions for motor drive applications.
An SiC-MOSFET inverter for ultra-high-speed motors have been developed with the maximum efficiencies of 94.7%, 98.2% and 92.5% for the motor, the inverter, and the system, respectively.
A compact, efficiency PWM inverter using SiC-MOSFETs has been constructed with a small volume of 350 cc, exhibiting a high power-conversion of 99.6% at the rated power of 15 kW.
Experimental research has been done on high-power unidirectional and bidirectional isolated dc-dc converters. A prototype dc-dc converter had the capability of an efficiency of 99.2% at the rated operation of 100 kW.
A prototype hybrid circuit breaker combing an SiC-MOSFET module with metal contacts has been developed with the capability of a dc current interruption at 2.2 kV and 1 kA.
Another high-voltage dc hybrid circuit breaker combining a multilevel converter with a mechanical switch has been designed, built, and tested to verify its proper operation.
The 2-m 10-W class optical wireless power transmission systems have been developed for high-voltage dc systems, using a surface emitting laser array and solar cell modules.
A small foreign-metal particles detector based on the 400-kHz inverter using SiC-MOSFETs has been developed, experimentally verifying its stable and continuous operation.
The 300-kVA main power cell using 3.3-kV 1500-A SiC-MOSFETs has been developed and tested for HVDC systems based on modular multilevel inverters.
A theoretical and experimental discussion has been provided on low-voltage-ride-through performance of two identical modular multilevel converters for HVDC systems.
A modular multilevel converter intended for direct connection to the 6.6-kV power distribution grid has been developed, and tested, using 3.3-kV 40-A SiC-MOSFET modules.
Theoretical and experimental research has been done on a modular multilevel inverter for utility-scale photovoltaic systems, focusing on low-voltage-ride-through performance.
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