世界初、SiCを適用したMMC型HVDC変換器セルの技術検証を実施

2018-02-152024-09-19

洋上風力発電の高効率化と省スペース化に貢献

洋上風力発電の高効率化と省スペース化に貢献

2018-02-14　国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構理事長　古川一夫

NEDOが管理法人を務める内閣府プロジェクト「戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）／次世代パワーエレクトロニクス」で、三菱電機（株）が、世界で初めて、3.3kV SiCパワー半導体モジュールを適用したMMC型HVDC変換器セルの技術検証を実施し、変換器の大幅な電力損失低減と小型・軽量化を実現しました。洋上風力発電などの長距離・大容量送電の高効率化や設置面積の制約が大きい洋上プラットフォームの省スペース化に貢献します。

図　HVDC変換器の適用例と電力損失低減効果（提供：三菱電機（株））

1．概要

パワーエレクトロニクスは、電力インフラ、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。日本に強みがあるこの領域を強化するため、NEDOが管理法人を務める内閣府プロジェクト「戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）／次世代パワーエレクトロニクス」※1では、2014年度からSi（シリコン）に代わるSiC（炭化ケイ素）※2などの新材料パワー半導体デバイスを製品へ適用するための技術開発を推進して、電力機器の大幅な高効率化と小型化を目指してきました。

今般、同プロジェクトで、三菱電機株式会社は、世界で初めて※3、高い絶縁破壊電圧※4を有するSiCの特性を生かした3.3kV SiCパワー半導体モジュール※5を適用したMMC型HVDC変換器セル※6を開発し、その技術検証により変換器の電力損失50％低減と小型・軽量化を確認しました。この変換器セルを用いることにより、洋上風力発電などの長距離・大容量送電の大幅な高効率化や変換器設置面積の制約が大きい洋上プラットフォームの省スペース化に貢献します。なお、下表に従来の技術※7と今回の技術の比較を示します。

表　従来の技術と今回の技術の比較
		従来の技術	今回の技術
適用した半導体の材質		Si	SiC
スイッチング周波数		約150Hz	約350Hz
電力損失（相対値）		1	0.5
サイズ	寸法	420×1070×580mm	420×930×530mm
サイズ	体積	0.261m3	0.207m3　※従来比21％低減
重量		140kg	120kg　※従来比14％低減

2．今回の成果

（1）電力損失を50％低減

世界で初めて、3.3kV SiCパワー半導体モジュールをMMC型HVDC変換器セルに適用し、さらにモジュールを並列化することで、変換器セル内部の抵抗を抑えました。並列化にあたっては、電磁界解析を用いて変換器セル内部の電流分布を可視化し、並列化したSiCパワー半導体モジュールに電流が均等に流れるように部品を配置することにより、電力損失を従来比50％に抑えました。

（2）体積を21％、重量を14％低減

SiCパワー半導体モジュールを適用することにより、スイッチング周波数※8を上げることが可能となり、周辺部品であるコンデンサ容量を低減できました。また、電力の低損失化により、冷却装置の小型化を実現しました。これにより、変換器セルの体積を21％、重量を14％低減しました。

（3）本成果の適用先について

本変換器セルは、近年の再生可能エネルギーの活用推進を背景として普及が拡大する洋上風力発電システムなどへ適用することができます。洋上風力発電で得られる電力は、長距離・大容量送電に適したHVDC送電により電力使用地域に送電されますが、そこで既存の交流系統に接続するために、交流と直流の変換器が必要になります。本変換器セルを用いることにより、洋上風力発電などの長距離・大容量送電の大幅な高効率化が期待できます。

また、洋上風力発電では、HVDC変換器を設置する洋上プラットフォームの建設費削減のため、変換器の小型・軽量化が求められています。本技術は、変換器設置場所の省スペース化による設置コスト削減に貢献します。

3．今後の予定

今後、三菱電機（株）は、3.3kVよりさらに耐電圧の高い6.5kV SiCパワー半導体モジュールの適用による開発を推進し、さらなる長距離・大容量送電の高効率化と、変換器設置コストの削減を実現し、2020年代後半の実用化を目指します。

NEDOでは、パワーエレクトロニクス研究開発において、新材料を用いたパワー半導体デバイスの開発を中心に、原料であるウエハや、パワー半導体デバイスをモジュールに組み込む半導体実装や回路設計、および信頼性評価技術など、さまざまな基礎・応用技術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 「戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）／次世代パワーエレクトロニクス」: 事業期間：2014年度～2018年度
※2 SiC（炭化ケイ素）: Silicon Carbide（炭化ケイ素）のこと。ケイ素と炭素の化合物です。
※3 世界で初めて: 2018年2月14日現在（三菱電機（株）調べ）
※4 絶縁破壊電圧: 絶縁体の特性を示す指標の1つで、導体間に挟まれた絶縁体が破壊されて絶縁状態が保たれなくなったときの導体間にかかる電圧です。
※5 3.3kV SiCパワー半導体モジュール: 3.3kVの耐電圧を有するSiCパワー半導体モジュールです。
※6 MMC型HVDC変換器セル: Modular Multilevel Converter（モジュラーマルチレベル変換器）型のHigh Voltage Direct Current（高電圧直流）変換器に用いられる変換器セルです。この変換器セルを多段に直列接続してHVDC変換器を構成します。
※7 従来の技術: 三菱電機（株）製のSiパワー半導体モジュールを適用した変換器セルを従来の技術としました。
※8 スイッチング周波数: 直流と交流を変換する変換器において、電流のオンオフを切り替える周波数です。スイッチング周波数が高いほど滑らかな波形が得られます。