次世代パワーエレクトロニクスを牽引するシステムインテグレーション―高パワー密度化に向けた要素技術とそのロードマップ―
機械技術と融合・進化するパワーエレクトロニクス
システムインテグレーション技術調査専門委員会編

目
1.

2.

3.

緒言

次
3

4.

駆動・制御回路, センサからのアプローチ

26

1.1

はじめに

3

4.1

はじめに

26

1.2

委員会活動の目的

44.2

ゲート駆動回路26

1.3

委員会活動の経緯

44.3

高速制御を可能とするディジタル制御技術 30

1.4

高パワー密度化に向けたインテグレーション

4.4

電流センサの高速化・小型化

技術

4

4.5

おわりに

1.5

おわりに

7

5.

デバイスからのアプローチ

31
32
34

8

5.1

2.1

はじめに

8

5.2 Si パワーデバイスとパッケージ

34

2.2

損失を低減する回路トポロジー

85.3

新材料パワーデバイスとパッケージ

37

2.3

インダクタンスを低減する回路トポロジー 11

5.4

おわりに

41

主回路からのアプローチ

34

2.4キャパシタンスを低減する回路トポロジー 132.5主回路技術によるパワー密度ロードマップ 156.1

はじめに

432.6

おわりに

166.2実装技術（パッケージング）

43

186.3

冷却技術（サーマルマネージメント）

46

6.4

おわりに

49

周辺受動回路からのアプローチ

6.

はじめに

18実装・冷却からのアプローチ

43

3.1

はじめに

3.2

周辺受動回路構成と他構成部品の依存関係 183.3

周辺受動回路のロードマップ

20

3.4

周辺受動回路の要素技術例

22

7.1

はじめに

50

3.5

おわりに

247.2

高パワー密度化へのキーワード

50

7.3

試設計の対象と市販品の調査

50

7.4

汎用インバータの 0 次試設計

52

7.5

新技術を適用したインバータの 1 次試設計 54

7.

システムインテグレーションによる高パワー密度インバータの試設計例

507.6 2 次試設計－スイッチング周波数とパワー密度の関係－
7.78.

Sample : DO NOT PRINT

おわりに結言565859

機械技術と融合・進化するパワーエレクトロニクス
システムインテグレーション技術調査専門委員会委員
委 員 長

中 尾 一 成( 福 井 工 業 大 学 )幹事

三 野 和 明( 村 田 製 作 所 )田 中 三 博 (ダイキン工業)

幹事

椋 木 康 滋(長 井 真 一 郎( ポ ニ ー 電 機 )

三菱電機)

委

員

高 橋 広 樹( 長 岡 技 術 科 学 大 学 )幹事補佐

和 田 圭 二( 首 都 大 学 東 京 )中 澤 知 之(委磯 部 高 範()西 田 保 幸( 千 葉 工 業 大 学 )伊 東 淳 一( 長 岡 技 術 科 学 大 学 )芳 賀 浩 之( 新 電 元 工 業 )岩 谷 一 生 ( T D Kラ ム ダ )平 川 三 昭( 本 田 技 術 研 究 所 )植 木 浩 一( 村 田 製 作 所 )廣 川 貴 之( パ ナ ソ ニ ッ ク )江 口 政 樹()舟員筑シ

小 倉 常 雄(波大ャー東芝学プ

邦亜鉛)

剛 ( 大 阪 大 学 ))船 渡 寛 人( 宇 都 宮 大 学 )小 林 雅 志( ト ヨ タ 自 動 車 )松 田 真 一( 東 洋 電 機 製 造 )小 谷 和 也()馬 淵 雄 一( 日 立 製 作 所 ))宮

白 川 和 博(デ東芝ンソー

杉 山 隆 英( ト ヨ タ 中 央 研 究 所 )住 吉 眞 一 郎( パ ナ ソ ニ ッ ク )Sample : DO NOT PRINT木東脇慧 (長岡パワエレ)

山 本 知 信( 東 洋 電 機 製 造 )電気学会技術報告 第1482号 3

1.に、すべての技術を設計の前段階で統合・結集し、従来に緒言捉われない形を創造していく「システムインテグレーション」の概念が注目を浴びている。

1.1

具体的には電力変換システムを構成するコンポーネントはじめに(パワーデバイス、受動部品など)、それらの選定、解析技術
システムインテグレーション技術の重要性に対する認識
度合いは欧米が先行しており、企業と著名大学がコンソーシアムを組んでパッケージング技術やシステムインテグレーション技術に関する研究開発を行っている。欧州のECPE(European Center for Power Electronics) や 北 米 のCPES(Center for Power Electronics Systems) 、さらには米国電をベースにしたパッケージング、トポロジー選定や電気設
計 と EMI の ト レ ー ド オ フ を 改 善 す る Circuit design
management 、 熱 設 計 と 信 頼 性 を 改 善 す る

Thermalmanagement などの要素技術を相互にやりとりしながら、同時並行的 (Concurrent design)に目標仕様を達成していくことが求められている。

気電子学会のパワーエレクトロニクスソサエティーのパッケージング技術に関するテクニカルコミッティーにおける先行的な試みがそれを象徴している。
図 1.1 は、ECPE において定義されたシステムインテグレーションの概念を示す。中心にシステムとコンポーネントの信頼性を置き、これを実現すべき周辺技術をその外周に位置させている。その一つとしてシステムデザインがあり、その中に、methodlogy(方法論)、インテグレートデザイン、機能的インテグレーション、サーマルマネージメントおよび EMI の要素技術が包含されており、システムインテグレーションを強く意図していることが分かる。

Industrial
Power
E lectronics
Power Quality

Control.
Sensing&Simulation

System Design

Reliability
Mechatronics
AdvancedPower
Semiconductor
Devices & ICs

図 1.1

Automotive& Consumer
Power E lectronics

Advanced
PassiveComponents

図 1.2 システムインテグレーション技術の概念(2)Fig.1.2. Concept of system integration technology
出典: 伊東ら“パワーエレクトロニクスにおけるシステムインテグレーショ

パワーン技術”，電気学会技術報告

エレ第 1299 号，2014 年

クト

ECPE におけるシステムインテグレーションの概念(1)

ロニクスシステムにおいてはパワーデバイスの高効率化とFig.1.1.

ともに低コスト化、小型化および高信頼性化の要求に応え

Concept of integration in ECPE

出典:“The Industrial and Research Network for Power Electronics in Europe”,
ECPE 9/2005

ながらシステムのパワー密度(電力/容積)を上げていくことが求められている。新トポロジー採用による低損失化、損前身の委員会で提案したパワーエレクトロニクスシステ

失そのものが減少する SiC などの次世代素子の開発が進。パワ

む中、パワー密度を上げていくためにもデバイスや回路技

ーエレクトロニクスは、従来、電子工学、制御工学、電力術など複雑に関連した技術や構造最適化に影響を及ぼすサ工学の３つの分野が融合された分野として定義されているーマルマネージメント技術、実装技術ならびに材料技術なが、従来の設計においてはトポロジーの比重が一番高く、ど各要素技術をいかに抽出し組み合わせて、最適化構造と他の Packaging、Thermal Management、EMI(Electromagneticしていくかのシステムインテグレーション技術が不可欠でInterference)は設計の下流段階で考慮されていた。つまり上ある。しかし、この作業はメーカや研究機関などの技術者流側のトポロジーを優先させて、それ以外の技術を付加的のノウハウに任されているのが現状である。

ムインテグレーション技術の概念を図 1.2 に示す（2）に順次、 設計していく一方向(One way design)の手法が行わ本章では、高パワー密度電力変換器の開発現状、高パワれていた。ゆえに、製品不具合があっても下流側においてー密度化に向けたシステムインテグレーションのための要の対処療法的な対応にならざるを得なかった。

素技術と特性要因図の概要及びシステムインテグレーショ

近年ではトータルシステムを考慮して、その低コスト化ならびに小型化などのニーズに合った最適解を見出すため

Sample : DO NOT PRINT

ンのプロセス例について概説する。