feature article
日立グループの地球環境戦略

グリーンモビリティを支える
パワーエレクトロニクスコンポーネント技術
Power Electronics Component Technologies for Green Mobility

井出 一正

中津 欣也

Ide Kazumasa

Nakatsu Kinya

本棒 英利

牧 晃司

Hombo Hidetoshi

Maki Kohji

省エネルギー化を促進するには，パワー半導体による電力変換と制運輸部門では，従来の内燃機関を用いた自動車から御を中心にした応用システム技術であるパワーエレクトロニクス技術

HEV，EV への代替によって省エネルギー，省燃費効果がが必要不可欠である。そのコンポーネント技術としてインバータ，電期待できる。発電部門では，風車の出力変動を補償するよ池，モータが挙げられる。日立グループは，パワーデバイスから電うな電力制御や，変動を吸収するような電池などの電力貯力制御まで幅広い分野でパワーエレクトロニクスの先端技術を研究

蔵装置によって，風力など新エネルギーの導入量を増やすし，製品化している。低燃費・低排気を実現する EV システムなどことができる。さらに非常時には，HEV，EV に車載されにおいても，インバータ装置のパワー密度を向上する直接水冷技術，る電池や発電機，あるいは発電部門に導入される新エネル

パワー半導体の低損失化技術，リチウムイオン電池のエネルギー密ギーや電力貯蔵装置が，一時的な電力確保にも利用できる度を向上する材料技術，そして，モータの小型・軽量・高効率化と考えられる。

を促進するための最適設計技術を生かし，グリーンモビリティの一

これらに必要なパワーエレクトロニクスシステムを構成すると，発電装置や電力系統から入力電力が与えられるこ翼を担っている。とでモータ動力などの出力が得られる。すなわち，入力を1. はじめに直流に変換した後，電力を貯蔵する電池，直流から可変周地球温暖化の防止に貢献するために CO2 排出削減が求波数の交流に変換するインバータ，周波数に比例して回転められており，運輸，民生部門での省エネルギー化や発電数を変化できるモータが主要なコンポーネントとなり，パ部門における風力，太陽光などの新エネルギーの有効利用

ワーエレクトロニクス技術による電気駆動システムを構成を促進することが重要になっている。さらに，東日本大震することができる（図 1 参照）。

災では生活に欠かすことのできない電力や燃料などの供給不足といった問題が発生した。今後は新エネルギーの活用

ここでは，パワーエレクトロニクスシステムを構成する日立グループのコンポーネント技術について述べる。

や HEV（Hybrid Electric Vehicle：ハイブリッド電気自動車），EV（Electric Vehicle：電気自動車）などの活用により，非常時の電力確保や燃料消費の少ないシステムの要求も高まってくると予想される。

2. インバータ技術

インバータ技術について，HEV や EV の電気駆動システムを想定して説明する。インバータは車両搭載性が重視され，小型軽量化，航続距離を延ばす高効率化，運動性能を高める高出力化，厳しい車載環境下での高信頼化をテーマ

直流

パワー半導体に開発を進めてきた。インバータ装置は直流をスイッチン

交流入力
電力グによって任意周波数の交流に変換する装置であり，以下
周波数可変
電池

インバータにインバータ装置とスイッチングを担うパワー半導体につモータ

いて述べる。
図1│パワーエレクトロニクスによる電気駆動システムの構成
直流で電力を貯蔵する電池，直流から可変周波数の交流に変換するインバー
タ，周波数に比例して回転数を変化できるモータから構成される。

38

2011.05–06

2.1 インバータ装置
モータを駆動するインバータ装置は，一般にエンジン

パワー半導体配線電流：I

磁束：φ

パワーモジュール配線

配線インダクタンス

ルームの限られたスペースに搭載されることが多く，内蔵されるパワーエレクトロニクス部品の高信頼化や高集積化

渦電流が課題である。搭載される主な部品として，パワー半導体を実装するパワーモジュール，バッテリの出力変動を緩和

渦電流：−I
反抗磁束：−φ放熱ベース

Rs：放熱ベースの渦電流経路の抵抗するキャパシタ，マイクロコンピュータに代表される制御回路などが挙げられ，部品点数は数百点に及ぶ。日立グルー
プは，スイッチングによってモータへの出力電流を制御す

図3│パワーモジュールの配線インダクタンス低減技術
パワー半導体周辺の配線で作られた磁束を放熱ベースに鎖交させ，渦電流を放熱ベースに流して磁束を打ち消し，配線インダクタンスを低減する。

るパワーモジュールの開発に注力し，内蔵するパワー半導体の低損失化や放熱性能を向上することにより，高電流密1）パワー半導体を実装するパワーモジュールでは，回路を度化と高信頼化を進め ，5 年で車載インバータ装置の体構成する複数のパワー半導体で生じる損失を効率よく冷却積を半減させ，高パワー密度化を実現している（図 2 参照）。

する技術と，高速スイッチングの際に生じるサージ電圧抑制が課題である。パワー半導体で生じる損失は，SiN（窒2.2 パワー半導体化ケイ素）などのセラミックスや高熱伝導性の樹脂絶縁材

パワー半導体は冷媒による熱交換で冷却することができを用いた配線基板を介して放熱ベースに熱伝導され，放熱グリースを介してインバータケースに設けた冷却フィンでるパワーモジュールに実装される。

冷却していた。日立グループは，インバータケースに設け善のため，低損失化が重要な課題である。損失を低減するていた冷却フィンを放熱ベースと一体化することにより，ためには，スイッチング損失の低減をねらった高速化と電放熱グリースを用いないで冷却できる直接水冷方式を開発

流を通電した際の導通損失を低減する必要がある。従来はした 1）。直接水冷方式で，放熱ベースに設けた冷却フィン半導体の微細化技術を用いて出力電流密度を高めてきたへ直接冷却水を流し，水路の一部をインバータケースで構が，その一方で過電流を抑制することができず破壊しやす成して熱抵抗を約 25％低減した。一方，スイッチング時くなる課題があった。日立グループは，定格電流付近の出の損失を低減するため，パワーモジュールの配線に寄生す力電流密度を向上し，導通時の電圧を低減しながらも過電るインダクタンス成分を抑制し，パワー半導体で発生する流 を 抑 制 す る こ と が で き る HiGT（High-conductivity

サージ電圧を低減する必要がある。日立グループでは，配Insulated Gate Bipolar Transistor：高伝導 IGBT）を開発し線インダクタンスを低減するため，配線を流れる電流が作2）て，この課題を解決してきた 。今後は IGBT などの Si（シる磁束を放熱ベースに鎖交させ，渦電流を流して磁束を打リコン）デバイスに比べて破壊電界強度特性を約 10 倍化）ち消すことで配線インダクタンスを低減した 3（図3参できる SiC（炭化ケイ素）を活用することで，さらなる導照）。今後は，さらに冷却性能を改善する両面冷却型パワー通損失低減に取り組んでいく。

モジュールを開発する。
3. リチウムイオン電池技術

IGBT

絶縁基板

IGBT

日立グループは 1990 年代初頭から，独立行政法人新エ絶縁基板

インバータパワー密度（W/cc）

40
両面冷却方式
30

冷却水 放熱グリース 冷却フィン

ネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が主導する幾つかの大型 LIB（Lithium-ion Battery：リチウムイオン電池）

冷却水 フィン付き放熱ベース開発事業に参画し，電力貯蔵あるいは EV 用途に向けた第2世代
20

LIB の研究開発を推進してきた。この間，これらの研究成間接水冷方式

直接水冷方式果を活用することで世界に先駆け，高出力密度の HEV 用

第1世代

LIB およびハイブリッド鉄道車両用 LIB を製品化してい

100
2002

る。引き続き，現在進めている後継事業において，エネル
2005

2011

2008

2014

（発売年度）

ギー密度 1.5 倍を目標とする PHEV（Plug-in HEV：プラグインハイブリッド自動車）
用 LIB の開発に取り組んでいる。

注：略語説明 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）

図2│日立グループの車載インバータ開発トレンド
年次を経ながらパワー密度を増加させてきた。そのキーとなるのがパワーモジュールの直接水冷技術である。

Vol.93 No.05–06 412–413

また，風力や太陽光など新エネルギーの有効利用を促進するため，これらに適用する種々の LIB を開発している。

日立グループの地球環境戦略

39feature article

パワー半導体では，冷却器の小型化や車両の運転効率改3.1 リチウムイオン開発の取り組み命が得られていない。

一般に，HEV 用 LIB は高出力であるがエネルギー密度

この観点から，Mn の一部を他の元素で置換して結晶構が小さく，一方，EV 用 LIB は高エネルギー密度であるが造を安定化させること，および耐酸性に優れた層状系複合出力密度が小さい。今後の LIB は，高出力密度と高エネル酸化物を混合することを試みた。その結果，充放電反応にギー密度を両立し，加えて長寿命化，低コスト化および高伴う体積変化を約 50％低減し，同時に電解液への Mn 溶安全化に対する要求も満たす必要がある。これらの要求に出を約 50％抑制することができた。これらの成果により，対して，LIB に適用する電池材料をいっそう高性能化するサイクルの経過に伴う容量低下を従来の必要がある。

10 年以上の寿命を実現できる見通しを得ている 4）。に低減でき，

LIB は，正極および負極にリチウムイオンを吸蔵・放出

そのほか，PHEV，建設機械，鉄道車両などの移動体と，する材料を用い，正極と負極の間でリチウムイオンをやり風力発電や太陽光発電用の蓄電システムでは，要求特性が取りすることで充電・放電が行われる（図 4 参照）。日立

異なるため，それぞれの用途に応じた電池材料の最適化をグループは，LIB の高出力・高エネルギー密度，長寿命化進めている。

をめざし，正極および負極の高容量化，反応可逆性の向上，電解液のイオン抵抗低減，セパレータなどの電池部材の耐久性向上，あるいは電極製造プロセスの最適化などに取り組んでいる。

4. モータ技術

EV，HEV や鉄道向けモータでは小型・軽量・高効率が重要視される。また，限られた開発期間内に極限設計を実現するには，シミュレーションを駆使した最適設計が必要

3.2 長寿命マンガン系正極の開発になる。以下に，最適化設計技術と小型・軽量・高効率化

正極材料は LIB のキーとなる材料であり，その開発事例の取り組みについて述べる。

を紹介する。現在，民生用 LIB では希少資源の Co（コバモータを同出力で小型化すると，放熱面積の縮小からルト）を主原料とする正極材料が主に用いられているが，モータ内部温度が上昇し，磁石の不可逆減磁や損失の増加

産業用 LIB の正極材料として資源が豊富で低コスト化が可が問題となる。そのためモータを小型化するには温度上昇能な Mn（マンガン）系正極に注目している。しかしながら，を考慮したモータ特性計算とそれを用いた形状最適化が求

従来のスピネル Mn 系正極は充放電に伴い結晶体積の膨張められる。日立グループは，磁界解析と熱解析を連成して収縮が発生するため，膨張収縮の繰り返しによって結晶構求めた温度およびモータ特性を用いて最適化計算を実行で造が崩壊しまうこと，電解液に不純物として含有する酸にきる技術を開発した 5）。

よって Mn が溶出してしまうことの二つが原因で十分な寿

出力 3.7 kW（5 馬力）の永久磁石同期モータを対象に最適化計算を試みた。このモータは，1910 年の日立創業製品である 5 馬力誘導電動機（以下，創業モータと記す。）と有機電解液同一の仕様を設定した。最適化計算とあわせて，日立グe−

ループの先端モータ材料（磁石，エナメル線，有機材料な充電ど）を積極的に活用して磁石モータを設計・試作している。

Li＋
金属酸化物
正極

放電

炭素負極

微孔膜セパレータ
リチウムイオン電池の原理
開発項目

主な課題

温度上昇を考慮して最適化したモータ構造により，創業最適化変数

目的関数

材料物性値計算

開発内容

温度履歴

メッシュ作成正極材料

低コスト化，可逆性向上，高容量化

Mn系正極の改良

負極材料

急速充電での高容量化，可逆性向上

粒子形状の最適化

電解液材料

イオン抵抗の低減

溶媒組成の最適化

セパレータ

耐熱・耐久性向上

セラミックセパレータ電極製造プロセス

電極抵抗の低減

混練，塗布最適化

図4│リチウムイオン電池の原理と開発内容
リチウムイオン電池は，有機電解液を含浸した樹脂膜セパレータを挟んだ正負極間でリチウムイオンを授受し，電子を取り出して電池として機能する。正・負極には，それぞれリチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料が用いられる。

40

2011.05–06

二次元磁界解析
最適化
エンジン

前回データの読み込み

損失計算
熱抵抗計算

積厚履歴

熱等価回路網
伝熱解析
モータ特性計算
目的関数

最新値を更新（a）（b）

図5│熱−磁界連成解析による最適化計算フロー（a），および創業モータと試作モータの外観（b）
試作モータは創業モータ（日立創業製品である5馬力誘導電動機）に比べて体格が約 151 である。

5. おわりに回転数
電流

日立グループのコンポーネント技術について述べた。

電流値
更新
磁界解析
No
回転数
更新

制約条件
土εYes

日立グループは，今後も，インバータ，電池，モータなどコンポーネント技術を保有するとともに，全体を把握し・巻線抵抗・永久磁石Br

伝熱解析No

トルク計算

ここでは，パワーエレクトロニクスシステムを構成する

温度依存性
収束No

Yesて協調することで高性能なパワーエレクトロニクスシステムを提供することにより，グリーンモビリティに貢献していく。

最大回転数Yes
計算終了
（a）
30
注：

トルク（N・m）

25

電圧制約
コイル温度制約減磁制約
要求性能

201510

参考文献など1） 浜田，外：低燃費で地球に優しく力強いHEVシステムの開発，日立評論，86，5，343〜346（2004.5）
2） M. Mori, et al.： A Trench-Gate High-Conductivity IGBT（HiGT）with ShortCircuit Capability, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.54,No.8,pp.2011-2016（2007.8）
3） K. Nakatsu, et al. : A Super Compact Inverter with a New Concept Power
Module, PCIM JAPAN, pp87-92（1998）
4） 日立ニュースリリース,
http://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2010/04/0405a.html
5） 岩崎，外：熱−磁界連成最適化による永久磁石同期モータの小形化設計と試作機による性能評価，回転機/半導体電力変換/モータドライブ合同研究会，RM-10-066（2010）

50

1，000

2，000

3，000
4，000
回転数
（r/min）

5，000（b）
注：略語説明 Br（残留磁束密度）

図6│制約条件を考慮した回転数−トルク特性の計算フロー（a）および制約条件を課した場合のトルク限界計算例（b）
温度，磁石減磁，電圧の3項目を制約条件にして，モータの回転数−トルク特性を計算できる。

モータ比で約 151 の小型化を実現することができ，94％の高効率を達成している（図 5 参照）
。

執筆者紹介
井出 一正
1988年日立製作所入社，日立研究所 情報制御研究センタ パワーエ
レクトロニクスシステム研究部 所属
現在，パワーエレクトロニクスシステムとコンポーネント技術の研究開発に従事
博士（工学）
電気学会上級会員，日本磁気学会会員，IEEEシニア会員
中津 欣也
1994年日立製作所入社，日立研究所 情報制御研究センタ パワーエレクトロニクスシステム研究部 所属
現在，車載インバータ，パワーモジュールの研究開発に従事
電気学会会員

最適化計算を基に，制約条件を考慮して回転数−トルク特性を計算する技術も開発した。制約条件としては，（ 1）
コイル温度上昇許容値，（2）永久磁石が磁力を失うことのない可逆減磁限界，（3）電圧上限値の 3 項目を設定している。この計算技術により，磁石モータの回転数−トルク特性において 3 項目の制約条件を課した場合のトルク限界の計算ができる。これらに制約されるトルクの限界値を回転数−トルク特性として表すことができ，個々に設計したモータの設計制約に対する要求性能の余裕代を数値化して

本棒 英利
1991年日立製作所入社，日立研究所 次世代電池研究センタ 電池研
究部 所属
現在，リチウムイオン電池材料の研究開発に従事
博士（工学）
電気化学会会員，炭素材料学会会員

牧 晃司
1997年日立製作所入社，日立研究所 情報制御研究センタ モータシステム研究部 所属
現在，モータシステムの解析技術開発に従事電気学会会員

評価できる（図 6 参照）。

Vol.93 No.05–06 414–415

日立グループの地球環境戦略

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