6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュールを開発

2018-02-042024-09-18

―鉄道・電力向けパワーエレクトロニクス機器の小型化・省エネ化に貢献―

―鉄道・電力向けパワーエレクトロニクス機器の小型化・省エネ化に貢献―

2018-01-31 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構

NEDOプロジェクトにおいて、三菱電機（株）は、独自の1チップ構造と新パッケージの採用により、従来のSiモジュールに比べ1.8倍となる世界最高の定格出力密度を実現した6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュールを開発しました。

本モジュールをさまざまな装置に適用することで、高耐圧が求められる鉄道・電力向けパワーエレクトロニクス機器の小型化・省エネ化に貢献します。

図1　世界最高の定格出力密度9.3kVA／cm3を実現した6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュール（開発品）

1．概要

パワーエレクトロニクスは、自動車、鉄道車両、産業機器や家電など生活に身近なさまざまなところに適用され、それらの高性能化や省エネルギー化を支える重要な技術分野です。

NEDOは、2009年度から「低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト」において、さらなる高性能化や省エネルギー化を実現する材料・デバイス・応用拡大などに関するパワーエレクトロニクス分野の技術開発を推進しています。本プロジェクトの一環として、パワー半導体モジュールを従来のSiモジュールからSiC※1モジュールに置き換えて、大幅な電力損失の低減と装置の小型化を目指すテーマを実施しています。

今般、NEDOプロジェクトにおいて、三菱電機株式会社は、6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュールを開発しました。このモジュールの特長は、ダイオードとMOSFET※2を1チップ化し、チップ面積を半減し、部材メーカー4社※3との連携により開発した優れた熱伝導性と耐熱性を両立する絶縁基板と、信頼性の高い接合技術による高放熱・高耐熱の小型新パッケージを採用したことで、高耐圧パワー半導体モジュールとして従来のSiモジュールに比べ1.8倍となる世界最高※4の定格出力密度※59.3kVA／cm3を実現したことです。

さらに、フルSiC化により、スイッチング損失の大幅低減と、Siでは困難であった動作周波数の向上が可能となるため、本モジュールをさまざまな装置に適用することで、高耐圧が求められる鉄道・電力向けパワーエレクトロニクス機器の小型化・省エネ化に貢献します（図2）。

図2　6.5kV耐圧フルSiCパワー半導体モジュール（開発品）とSiモジュール（従来品）との比較

2．今後の予定

NEDOでは、フルSiCパワー半導体モジュールのみならず、2017年度から新しい応用分野開拓を目指した新材料パワー半導体の研究開発を実施するなど、パワーエレクトロニクスの適用範囲拡大にも取り組んでおり、本分野の発展を通じて日本の産業競争力強化をさらに推進します。

【用語解説】

※1 SiC: Silicon Carbide（炭化ケイ素）。ケイ素と炭素の化合物です。
※2 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorの略称。金属酸化膜半導体電界効果トランジスターのことです。
※3 メーカー4社: 今回の開発には、部材メーカーのDOWAエレクトロニクス株式会社、三菱マテリアル株式会社、デンカ株式会社、日本ファインセラミックス株式会社に加え、共同研究先として国立大学法人東京工業大学、学校法人芝浦工業大学、国立大学法人九州工業大学、国立研究開発法人産業技術総合研究所が参加しています。
※4 世界最高: 高耐圧パワー半導体モジュールとして。2018年1月31日現在（三菱電機（株）調べ）。
※5 定格出力密度: 定格での電圧（V）と電流（A）の積を体積（cm3）で割った値でモジュールの単位体積当たりの出力を示します。