プレスリリース

2004

2004年2月27日
関西電力株式会社

ＳｉＣ（シリコンカーバイト）製１２ｋＶＡ級３相インバータの開発について

　当社はこの度、素子にＳｉＣを用いた１２ｋＶＡ級３相インバータを開発し、併せて電力線への連系接続に成功しました。ＳｉＣインバータでは世界最大の電力容量であり、また連系接続に成功しているのは当社のみです。

　インバータとは、電気の交流・直流を変換したり、周波数の変換を行なう機器で、エアコンや各種モーターの制御用に広く用いられている他、燃料電池や風力発電機を電力線に連系接続するためにも欠かせない装置です。インバータの材料としては従来、Ｓｉ（シリコン）製のパワー半導体（※１）が用いられてきましたが、当社では平成９年から、Ｓｉに比べて耐電圧性能が高く、高温に耐え、電力損失が少ないＳｉＣパワー半導体の開発に取り組んできまして、全てのパワー半導体部分にＳｉＣを用いた４ｋＶＡインバータの実験機開発と電力線への連系に平成１５年に世界に先駆けて成功しました。今回は、3倍の出力の１２ｋＶＡインバータの開発と系統連系に成功しました。これはＳｉＣインバータでは、世界最大の電力容量であり、従来は６．５ｋＶＡ（※２）が最大です。

（※１）
電流のオン・オフや電流の方向等を制御する半導体の中でも、耐電圧12Ｖ以上で電流容量が0.1Ａ以上のものをパワー半導体と呼ぶ。パワーが大きいことから、電力制御機器等に使用されている。
（※２）
米国ロクウェルサイエンス社とその後の当社の達成値。

　将来、このＳｉＣインバータが実用化され、従来のＳｉインバータに置き換われば、電力の損失を半分以下（ＳｉＣ：約１．４％、Ｓｉ：約３．５％）に抑えられることから、産業界全体の省エネが実現できます。当社では今後、電力系統関連設備はもとより、産業用モーターや燃料電池等の分散型電源、新幹線、リニアモーターカーなど様々な用途に適用できるよう、ＳｉＣインバータの大容量化を進め、平成１８年頃を目途に、数百ｋＶＡ級の汎用インバータとして、実用化を目指します。

　なお今回開発したＳｉＣインバータの特長は次のとおりです。

  1. （１）インバータは、制御信号により電流のオン･オフの切り替えを行う「SiCスイッチング素子」と、電流が流れる方向を制御する「SiCダイオード素子」によって構成されており、両素子を１つのモジュールに納めております。今回これらを下記のように改良しました。

    • 高速ＳｉＣスイッチング素子「SICGT」を、現在主流のＳｉスイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ「ＩＧＢＴ」やターンオフサイリスタ「GTO」に比べて、単位面積あたりの通電可能な電流（※３）が約５倍でも高速オン・オフ動作ができるようにＣＲＥＥ社と改良。（※３）
      （※３）
      単位面積あたりの通電可能な電流はSi素子が50A/cm2、SiC素子が250A/cm2。
    • 両素子を納めた金属型高耐圧モジュールを更に高耐熱（※４）にし冷却ファンを小型化。
      （※４）
      耐熱温度はSiモジュールが125℃、SiCモジュールが275℃。

  2. （２） インバータの出力を増大するために高電圧化しスイッチング損失を低減するために高速化しますと、各種の高速高電圧ノイズによる誤動作や素子破壊が発生します。これを防ぐために下記の回路を開発し適用しました。

    • インバータ回路の素子Ａがオフ動作中に他相の素子Ｂがオンするとそのノイズで素子Ａが破壊するので、必ず素子Ａのオフ終了後に素子Ｂをオンさせる「同時オン防止回路」。
    • 素子のオフ動作時に制御回路の速度が遅いと、オフ時に発生する局所的な温度急上昇で素子が破壊するので、これをを防ぐ「高速大電流制御回路」を開発。
    • 制御回路から高速に大電流を流すと、素子のオフ動作時に素子内部抵抗で電圧が急上昇して素子が破壊するので、これを防ぐ「破壊防止機能」を開発し制御回路に取り付け。

　但し、SiGTOで一般的に使用される保護回路「スナバ保護回路」は、ＳｉＣ素子が本質的に高耐量を有するので、部品点数低減と低損失化のために使用しておりません。

12kVA級ＳｉＣ３相インバータの概要

【12kVA級ＳｉＣ３相インバータの諸元】

    前回 今回
・出力電力 ： 4kVA 12kVA
・出力電流（ピーク値 ） ： 15A 15A
・直流電源電圧 ： 720V 1400V
・PWM周波数 ： 2kHz 2kHz
・変調率 ： 0.5 0.8

【これまでの開発状況】

○ＳｉＣダイオードの高耐圧化に成功。
［耐電圧：6.2kV、電流容量：5A級、動作可能温度：250℃］
（平成11年1月28日　お知らせ済み）
○ＳｉＣダイオードのさらなる高耐圧化に成功。
［耐電圧：12.3kV、電流容量：1A級、動作可能温度：250℃］
（平成12年2月21日　お知らせ済み）
○ＳｉＣスイッチング素子の低損失高耐圧化に成功。
［耐電圧：4.5kV、電流容量：0.5Ａ級、動作可能温度：200℃］
（平成13年1月15日　お知らせ済み）
○ＳｉＣダイオードのモジュール化による大電流化、耐高温化に成功。
［耐電圧：3?5kV、電流容量：200?600Ａ級、動作可能温度：350℃］
（平成14年5月24日　お知らせ済み）
〇ＳｉＣ製4kVA級3相インバータの開発と系統連系に成功。
［定常出力：4kVA、直流電源電圧0.72kV］
（平成15年6月12日　お知らせ済み）
〇ＳｉＣ製12kVA級3相インバータの開発と系統連系に成功。
［定常出力：12kVA、直流電源電圧：1.4kV、PWM周波数：２kHz］
（今回の発表内容）

【参考：株式会社クリー社の概要】

株式会社クリー社（Cree,Inc.）

設　立 ：
1987年
資本金 ：
91,000ドル
代表者 ：
Charles M. Swoboda (President & CEO)
事業内容：
炭化シリコン(ＳｉＣ)系、窒化ガリウム(GaN)系およびその関連化合物の半導体材料とデバイスの開発・製造

以　上

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