2017.2.28

尼吉康开发了可确保稳定的高频驱动的SiC电源转换模块
―大型辐射光设施“SPring-8”加速器电源上确证成功,
应用于尖端医疗用加速器电源―

 
国立研究开发法人新能源・产业技术综合开发机构
尼吉康株式会社
国立大学法人大阪大学
国立研究开发法人理化学研究所
 

  在尼吉康、大阪大学、理化学研究所共同参与的NEDO项目中,利用下一代半导体SiC(期待通过设备的小型化实现节能),开发了可确保稳定的高频驱动的电源转换模块,并且作为要求高精度、高稳定性的大型辐射光设施“SPring-8”的X线自由电子激光SACLA的加速器电源确证成功。
  尼吉康推动尖端医疗用加速器电源、电动汽车、普通家庭的供电系统V2H(Vehicle to Home)、公共及产业用蓄电系统上普及应用这次成果。此外,以大阪大学为主,在可靠性评估方法等指导方针的制定和国内外的标准化活动中反映这次成果,促进使用下一代半导体SiC的电源转换模块的普及和实用化。

下一代半导体SiC的电源转换模块(尺寸86×84×24.8㎜)(左图)和
计划搭载的电源产品(V2H系统(中图)、公共及产业用蓄电系统(右图))
下一代半导体SiC的电源转换模块(尺寸86×84×24.8㎜)(左图)
和计划搭载的电源产品(V2H系统(中图)、公共及产业用蓄电系统(右图))

 
1.概要

  近年来,随着对电气设备的节能化要求增加,相比现有的Si半导体更能实现低损耗和高速开关电源的耗电少的下一代半导体SiC※1的实用化深受期待。此外,相比现有的半导体模块,可实现高频驱动,让电感器等构成部件变得更小。从而能实现电源产品的小型化,减少使用构件和运输产品时的能源消耗等,能带来各种节能效果。但是,高频驱动还存在噪音增大影响稳定性等,实用化上遇到了课题。
  这次,在尼吉康株式会社、国立大学法人大阪大学、国立研究开发法人理化学研究所共同参与的NEDO项目※2中,利用下一代半导体SiC开发了可确保稳定的高频驱动的电源转换模块,实现了电源装置的体积缩小到现有产品的2/3的小型化。通过将它搭载于要求高精度、高稳定性、低噪音的大型辐射光设施“SPring-8”的X线自由电子激光(XFEL※3)设施“SACLA”※4的加速器电源上进行确证,确认了采用电源转换模块后不受高频驱动的噪音影响,成功地验证了具有不逊于现有的Si半导体模块的工作状况。今后,尼吉康在尖端医疗用加速器电源※5、电动汽车、普通家庭的供电系统V2H(Vehicle to Home)、公共及产业用蓄电系统上普及应用这次成果。
  此外,鉴于高温环境下可以工作的SiC半导体模块不能用现有的Si半导体模块相同的方法和标准进行评估,因此在NEDO项目中致力于开展SiC半导体模块可靠性评估方法等指导方针的制定和国内外的标准化活动。主要活动是以大阪大学为主,构建了主要的元器件厂家和设备厂家参与的WBG贴装联盟※6和国内标准化机构一般社团法人日本电子电路工业会、一般社团法人电子信息技术产业协会、一般社团法人日本精细陶瓷协会等团体的联合体制。在指导方针和标准化活动中反映这次验证结果,从而促进今后的SiC半导体模块的普及和实用化。
  这次的成果将在2017年3月1日(周三)~3日(周五)期间东京有明国际展览中心举办的“2017年第8届日本国际二次电池储能展览会”的尼吉康展台展出。
(官方网站:http://www.batteryjapan.jp/

 
2.这次取得的成果

  在本项目中,模块内部收纳了栅极驱动电路※7,并且采用SiC功率场效应晶体管※8实现了驱动频率的高频化,从而开发了电源转化能力从数kW到几十kW级别的能适用于V2H、公共及产业用蓄电系统、尖端医疗用加速器电源的电源转换模块。此外,周边电路构件的电容器、变压器也实现了小型化,从而实现了电源装置的体积缩小到现有产品的2/3的小型化。
  鉴于这次担心电源转换模块的高频驱动会导致噪音增大,尼吉康与大阪大学共同探讨了电路整体上降低电感和优化※9。在加速器用偏转磁体电源※10上搭载了新开发的电源转换模块后,检测到了偏转磁体的磁场稳定性※11。而且,用这个电源对X线自由电子激光(XFEL)的束运线的偏转磁体进行励磁后,验证了对激光输出造成的影响※12。其结果,鉴于发射激光以及激光轮廓(激光束形状:参照下图)没有改变,尼吉康与理化学研究所共同确认了与现有的Si半导体模块相比毫不逊色,而且没有高频驱动造成的噪音影响※13,成功地进行了性能验证。

SACLA的照片(上图)和激光轮廓的示意图(下图)
SACLA的照片(上图)和激光轮廓的示意图(下图)

 
【术语解说】
※1 SiC
碳化硅。是硅和碳的化合物,如果利用它制作的半导体设备和现有的硅半导体元器件对比较,内部的电力损耗很少,只有1/100,而且高频・高温(最高300℃左右)下可以使用。
※2 NEDO项目
绿色元器件社会贴装推进事业/利用下一代半导体的超小型电源转换模块的多用途社会贴装(2015~2016年度)
※3 XFEL
XFEL是X线自由电子激光(XFEL:X-ray free electron laser)的简称。近年来随着加速器技术的发展而实现的X线领域的脉冲激光。不同于常规的半导体和用气体作为振荡媒体的激光,由于在真空中高速移动的电子束作为媒体,因此原则上没有波长限制。
※4 SACLA
理化学研究所和高亮度光科学研究中心共同建设的日本第一座XFEL设施。科学技术基本规划中的五项国家关键技术之一,2006年开始用五年规划建设和整备。2011年3月设施竣工,取SPring-8 Angstrom Compact free electron Laser的第一个字母命名为SACLA。2011年6月,首次实施X线激光振荡,2012年3月起共同使用。具备了低于0.1纳米的全球最短波长的X线激光振荡能力。
详情参阅网页。http://xfel.riken.jp/
※5 尖端医疗用加速器电源
对质子和重粒子进行加速后照射到癌细胞进行治疗的粒子束治疗用的电源。因为是对质子和重粒子进行加速,所以需要高精度・高稳定性的电源。
※6 WBG贴装联盟
2013年由大阪大学的菅沼克昭教授发起和设立,目的是确立号称WBG(Wide Band Gap)半导体的关键节能技术的下一代电源半导体(SiC、GaN等)的贴装技术和评估方法。由元器件厂家到设备厂家等37家相关企业参与,开展SiC模块的可靠性和标准化工作。
http://wbg-i.jp/
※7 栅极驱动电路
从微电脑发出的控制信号,转换为旨在实施功率场效应晶体管的ON/OFF的栅极驱动电压及电流信号的电路。
※8 功率场效应晶体管
大电力用MOS(Metal-Oxide-semiconductor)场效应晶体管。
※9 降低电感和优化
为了避免电路中的SiC功率场效应晶体管的损失增大和响应能力下降,通过电路中的布线图案的独创性等方式最大限度地降低了整个电路的电感。
※10 加速器用偏转磁体电源
为了改变电子束的轨道而驱动磁体的电源。
※11 偏转磁体的磁场稳定性
24小时的磁场稳定性是,针对标准值200ppm,SiC模块电源为50ppm(但,包含电磁轭温度变化引起的磁场变动量)。
※12 对激光输出造成的影响
XFEL脉冲能量和Si半导体模块电源、SiC模块电源都是85μJ,并未改变。2台电源之间激光脉冲和电子束轨道的稳定性也无差异。
※13 高频驱动造成的噪音影响
电源周边的加速器控制及监控设备未受影响(即使在离线中同样未受影响)。
 
3.联系方式

(有关本新闻稿内容的联系方式)
尼吉康株式会社 NECST事业本部 担当:古矢 电话:075-241-2564
NEDO IoT推进部 担当:服部、栗原 电话:044-520-5211
国立大学法人大阪大学 产业科学研究所 担当:菅沼 电话:06-6879-8521
国立大学法人大阪大学 工学部 担当:舟木 电话:06-6879-7709
国立研究开发法人理化学研究所 辐射光科学综合研究中心
担当:原 电话:0791-58-2800

 

(其他NEDO事业相关的一般联系方式)
NEDO 宣传部 担当:藤本、高津佐、坂本
电话:044-520-5151
E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp

 
 
结束
 
 
 

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