産業技術総合研究所(産総研)は、 東芝、東芝三菱電機産業システム(TMEIC)、首都大学東京(首都大)および茨城工業高等専門学校(茨城高専)と共同で、SiC-PiNダイオードとSi-IEGTを用いた高電圧・大電力の電力変換器(インバータ)の開発を行い、試作器として直流電圧±5kV-300kVAの単相3レベル変換器を作成、IEGTのスイッチング周波数を従来比で4倍となる2kHzにすることに成功したことを明らかにした。これは、インバータとしては4kHzと対価な駆動となる。

今回の共同研究開発では、電力変換器の高速化を妨げている技術的な問題を突破するために、スイッチング特性に優れる高耐電圧(6kV級)のSiC-PiNダイオードとSi-IEGTを組み合わせた高速スイッチングモジュールが開発された。

試作したSiC-PiNダイオード2インチウェハ上に作製した4mm角素子

今回試作された電力変換器に用いたモジュールの基板一式

また、従来はSiダイオードの特性から電力変換器のスイッチング周波数の上限が決まっていたが、今回はSiダイオードではなく、より高速で低損失、高耐電圧のSiCダイオードを用いることで、従来の限界を超える高速化が図られた。具体的には、産総研の開発した4mm角のSiC-PiNダイオード素子を、東芝が開発したSi-IEGTと組み合わせて高速スイッチングモジュールを作製するとともに、このスイッチングモジュール用の冷却体設計と高速駆動ゲートドライブ回路を開発したという。

試作された高速スイッチングモジュールとゲートドライブ回路

この高速スイッチングモジュールは、素子が高速駆動できることから、絶縁変圧器が必要不可欠な直列多重接続方式ではなく、変圧器が不要の3レベル変換方式を採用することが可能となる。3レベル変換方式による出力は素子のスイッチング周波数の2倍の動作と等価な電力変換器となる。

回路方式の比較

また、スイッチング周波数の高速化により出力波形が改善されるので、出力波形の歪みを除くためのフィルタの容量も削減できる。このため、これまで高電圧・大電力の電力変換設備を直列多重接続方式で構成する場合に締めていたシステムの半分のスペースの絶縁変圧器、および約1/4のスペースを占めていたフィルタ設備部分の装置スペースを削減することが可能となる。

スイッチング周波数の高速化を実証するために、今回作製した高速スイッチングモジュールを用いて単相3レベル変換方式の試験器を試作、その性能の実証試験が行われた。結果、Si半導体だけを使う従来の電力変換器(スイッチング周波数500kHz)に比べて4倍以上の高速駆動(スイッチング周波数が500Hzから2kHzに向上)ができることが実証された。また、3レベル変換方式を採用したことにより、絶縁変圧器の省略ならびにフィルタ設備の容量削減が可能となり、Si半導体のみを使う従来型の電力変換設備に比べて、約1/5に小型化できる見通しが得られたという。

試作された電力変換器の外観

なお、産総研では共同研究開発に参加した各機関と連携し、技術の実用化を目指して、共同研究開発を今後も行っていく予定としている。