2006.3

SiC技術によるインバータで、電力損失を半減

関西電力と英Cree社は、SiC（シリコンカーバイド）を用いた110kVA級3相インバータの開発に成功した。両社が前回発表した12kVAから容量の大幅な増加を達成した。 　関西電力 電力技術研究所の菅原良孝氏は、「将来、Si（シリコン）インバータからSiCインバータに切り替われば、産業用電力は大幅に削減できるだろう。試算によると、インバータの電力損失は50％以上削減できる」と説明した。SiC素子は長年開発が続けられている。Cree社のアドバンスト・デバイス部門でエグゼクティブ・バイス・プレジデントを務めるJohn Palmour氏は、「われわれは、さまざまな改良を加えてSiCパワー素子の性能を高めてきた。例えば、欠陥密度を抑えた結晶成長や、エピタキシャル・プロセス、素子の設計/製造における改善などである」と述べた。さらに同氏は、「今後も更に開発を進めることが必要だが、さまざまな改良によってこの技術がより身近なものになってきている」と続けた。 　インバータのスイッチング素子は、4.5kV、100Aのゲート転流形ターンオフ（GCT）サイリスタである。Cree社によると、「この素子の寸法は8mm×8mmである。結晶欠陥密度を大幅に削減することによって実現した」という。また、スイッチング速度は2μs以下である。同社は、「同等のSi製ゲート・ターンオフ（GTO）サイリスタに比べて10倍高速化した」としている。Palmour氏は、「この素子にスナバ回路は不要だ。そのため部品数や発熱量を削減できる」と付け加えた。 図1　関西電力とCree社が共同開発したインバータ 図2　三菱のSiCインバータ試作品 　このほか、関西電力が作製したモジュールに搭載されているGCTサイリスタは、寸法6mm×6mmのSiC PiNダイオードで、最高300℃で動作する。このサイリスタもCree社によって製造された。なお、PWM周波数2kHzの3相インバータには6モジュールが搭載されている。 　またほぼ同時期に三菱電機も、SiCを使ったインバータで電力損失を低減する技術を発表した。同社は、SiC基板を使い、耐圧1200Vで電流10A級のMOS FETとSiC-SBD（Schottky barrier diode）を開発し、これらを使ったインバータを試作した。試作したインバータで3.7kW定格モーターを駆動したところ、シリコンベースのパワーデバイス（IGBT）を使ったインバータに比べ電力損失を54％低減できた、という。 　同社は2004年12月にSiC-MOS FETを試作している。その時の特性は耐圧1200V、電流1A級でオン抵抗率は12.9mΩcm2（ミリオーム平方センチメートル）だった。新開発のSiC-MOS FETはトランジスタの構造やドーピング濃度などを工夫することで、耐圧が同じで電流10A級を実現した。また、セルサイズの最適化などによって、オン抵抗率は10mΩcm2となり、従来に比べ22％小さくなった。 　今回試作したSiC-MOS FETとSiC-SBDを用いたインバータで、3.7kW/ 400Vの定格モーターを駆動したところ、インバータの電力損失はシリコンベースのパワーデバイス使用時に比べ、ほぼ半減したことを確認した。その分発熱が少なくなり、冷却用の装置を小型化できると見ている。 　インバータなどに使われるパワー半導体はこれまで、シリコン基板を材料としてきたが、ロスを低減するには限界に近づいている。これに対しSiC基板は、シリコン基板に比べ絶縁破壊電界強度が約10倍大きく、電気抵抗は小さい。スイッチングロスが低いため、高周波動作にも適しているという。また、SiCの禁制帯幅はシリコンに比べ3倍大きく高温動作が可能、といった特長を持つ。 （馬本 隆綱、ElectronicsWeekly） 連絡先：関西電力研究開発室 research@kepco.co.jp 三菱電機　先端技術総合研究所 業務部、FAX06-6493-3031 Advertisement