ロボット＆産業機器分野におけるSiCパワー半導体導入の効用

大阪大学

舟木 剛

2013年11月8日（金）16:30～17:10

2013/11/8 12013ロボット展

SiCパワー半導体がもたらす産業機器のイノベーション

ロボットと言えば！

2013/11/8 2013ロボット展 2

型式番号：RX-78-2頭頂高：18.0m本体重量：43.4t全備重量：60.0t出力：1,380kWメインエンジン：強化核融合炉関節駆動：電動モータ

搭乗型巨大ロボット

水道橋重工 Kuratus 榊原機械 LAND WALKER

2013/11/8 2013ロボット展 3油圧（ディーゼル） 油圧（ガソリン）

電子制御

自律二足歩行ロボット

2013/11/8 2013ロボット展 4

• HONDA ASIMO– Liイオン電池– DCブラシレスモータ

+ハーモニック減速機– ZMP制御

• ロボカップ

電子制御電気駆動

SiCデバイスをどこで使うのか?性能指数でみたSiCのメリット

Si SiC(4H) GaN Diamond

BFOM(FETの導通損失) 1 340 653 27128

BHFFOM ※デバイス

(スイッチング損失) 1 50 78 1746

HMFOM ※材料

(スイッチング損失) 1 7.5 8 23.8

HCAFOM(素子面積) 1 65.9 61.7 220.5

HTFOM(素子の温度上昇) 1 0.6 0.1 1.7

2013/11/8 2013ロボット展 5

2013/11/8 2013ロボット展 6

半導体材料とパワーデバイスの適用領域

Si-SBD

Si-PN

SiC-SBD

Si-MOSFET(SJ含)

Si-IGBT

SiC-MOSFET

電圧

0V 200V 400V 1000V 3000V600V

低損失化の方向高電圧小電流

電力変換器のパワー密度ロードマップ

2013/11/8 2013ロボット展 7

パワー密度=出力電力/変換器体積[W/cm3]

損失予測冷却技術システム最適化のブレイクスルー

・小形・集積化(パワー密度の向上)

1970～2000年：・パワー密度は、30年で二桁上昇2000年以降：・パワー密度は、飽和状態

電力変換器のニーズ

パワー密度の変遷

航空機のFly by wire化• 操縦桿からの入力を電気信号に変換，電線，コンピュータ

を介して油圧アクチュエータを制御– コンピュータの介在

による自動化・高度制御・冗長化– Power by wire

• 油圧アクチュエータの代わりに電気モータ，密閉式電気油圧アクチュエータを使用

2013/11/8 2013ロボット展 8

グラスコクピットジョイスティック操縦桿

旅客機の電気容量と重量

2013/11/8 2013ロボット展 9

電源電圧の高電圧・小電流化 115Vac → 270Vdc, 230Vac

旅客機の電子・電動化

2013/11/8 2013ロボット展 10

降着装置揚降システム

• 最適化

– 重量

– 体積

– コスト

– 信頼性

• 極限環境– 高温･低温

– 低圧力

– 湿度

2013/11/8 2013ロボット展 11

EMA：Electro-Mechanical ActuatorEHA：Electro Hydrostatic Actuator

宇宙線の影響

• 高高度で影響大– 人工衛星・航空機

• ソフトエラー– 宇宙線による情報通信機

器の誤動作

• シングルイベントバーンアウト (SEB：Single Event Burnout)– 宇宙線によりトランジスタ

に大電流が流れ焼損

– ワイドバンドギャップ化により確率低下

2013/11/8 2013ロボット展 12

2013/11/8 2013ロボット展 13

SiCデバイスの温度特性

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

-5 0 5 10 15 20

Vds

Ids

room

50C

75C

100C

125C

150C

175C

200C

225C

250C

275C

300C

325C

350C

375C

400C

425C

450C-5.0E-01

0.0E+00

5.0E-01

1.0E+00

1.5E+00

2.0E+00

2.5E+00

3.0E+00

3.5E+00

4.0E+00

4.5E+00

-5.0E-01 0.0E+00 5.0E-01 1.0E+00 1.5E+00 2.0E+00 2.5E+00

Vak(V)

Iak(

A)

25C

50C

75C

100C

125C

150C

175C

200C

225C

250C

275C

300C

325C

350C

375C

400C

425C

450C

順方向導通(I-V)特性の温度依存性SiCダイオード SiCトランジスタ

450℃で動作可能1.5A(6A定格)以上で使用すると温度上昇により電圧降下増加

450℃で動作可能，Rdsの増加著しい(飽和電流は室温の1/5)

IEICE ELEX, Vol. 1, No. 17, pp.523-527,(2004).

SiCデバイスの温度特性ダイオードの逆回復現象

Si PiN ダイオード温度依存性大

-10-8-6-4-2 0 2 4 6

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

25175

SiC-SBD温度依存性無し

-10-8-6-4-2 0 2 4 6

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

25175

2013/11/8 2013ロボット展 14

環境条件の変化に強いSiCパワーデバイス

2013/11/8 2013ロボット展 15

SiCデバイスの高温動作

0 5 10

0

50

100 50o

200o

300o

400oC

(a) Vds (JFET)

voltag

e [

V]

time [sec] 0 5 10

0.0

0.5

1.0

1.5

(b) Ids (JFET)

curr

ent

[A]

time [sec]

0 5 10-150

-100

-50

0

(c) Vak (SBD)

voltag

e [

V]

time [sec] 0 5 10-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

(d) Iak (SBD)time [sec]

curr

ent

[A]

Buckコンバータ回路での検証トランジスタ DS電圧 トランジスタ DS電流

ダイオード AK電圧 ダイオード AK電流

寄生L分との共振温度による抵抗増分だけ減衰大きい

スイッチング速度は温度の影響を受けないIEEE Trans PELS, Vol. 22, No. 4, pp.1321-1329, (2007).

建設機械のハイブリッド・電動化

• 建設機械使用環境の多様化– 一般土木

• 土砂・砕石掘削，基礎工事

– 都市土木，地下工事（トンネル），解体工事

• 排ガス規制，低騒音• 夜間工事

• ハイブリッド化・電動化– 国土交通省 低炭素型建設

機械の認定：環境・エネルギー対策資金による融資

• H22/4:ハイブリッド建設機械• H23/4:電動建設機械

2013/11/8 2013ロボット展 16

建設機械の電動化

• 騒音低減

– 電動機の静粛性

• 構成

– 電動モータ

• 走行・旋回

• 制動時の回生

• 本質的アイドリングストップ

– 油圧モータ＋シリンダー

• オートアイドルストップによるエネルギー効率向上

– ポンプ駆動モータの応答性改善

インバータ

モータ

蓄電池 発電機

インバータ

モータ

商用電源

インバータ

モータ

油圧ポンプ

油圧シリンダー

2013/11/8 2013ロボット展 17

建設機械の電気出力変化

2013/11/8 2013ロボット展 18出典:落合，園田，「建設機械のハイブリッド化とハイブリッドショベル」，建設の施工企画，2009/1,pp.35-39.

ハイブリッドショベルシステム概念図

ショベルの掘削時負荷変動

旋回駆動時動力

掘削作業時のブーム動力

SiCデバイスによる高ピーク負荷対応

熱伝導率 Si SiC(4H) GaN Diamond

λ(W/cmK) 1.5 4.9 2 20

• 温度上昇

– 放熱

• 過渡・定常熱抵抗

– 素子の耐熱性

• Tj>150℃– セラミックパッケージ

• Al2O3, AlN, Si3N4

– 高融点ハンダ

• AuSi:363℃, AuGe:356℃，ZnAlGe:360℃程度

– 絶縁封止

• 耐熱性封止樹脂

2013/11/8 2013ロボット展 19

TO-254パッケージ

TF-TO3Pパッケージ

高温放置試験後の絶縁耐圧・ 300℃ × 1,000時間・ 電圧：1.5kV × 3秒

20

デバイスの熱応答

PW+PC+PSセラミック基板

リードフレーム

配線ワイヤー

SiCエピ基板

PW

PC+ PS

TA

TW

TC

TL

θC-L

θW-C

θL-A

TA θW-C : 配線ワイヤー - SiCエピ基板間熱抵抗

θC-L : SiCエピ基板 - リードフレーム間熱抵抗

θL-A : リードフレーム - 自然対流間熱抵抗

PW : 配線ワイヤーでの電力損失

PC : SiCエピ基板での電力損失

PS : デバイス実装面での電力損失

TW : 配線ワイヤー表面温度

TC : SiCエピ基板表面温度

TS : デバイス実装面表面温度

TL : リードフレーム表面温度

TA : 周囲温度

各熱抵抗を温度測定実験にもとづき同定実装状態におけるデバイスパッケージの熱回路

(TS)

時間に対する測定点A B C Dにおける温度 (I=3.5[A])パワーデバイスパッケージの熱画像 (I=3.5[A])2013/11/8 2013ロボット展

SiCデバイスの放熱

• 金属拡散接合による低熱抵抗化

– 低温度上昇，高電流密度化，チップ面積縮小，コスト低減，低静電容量

Gen 3

0.01

0.1

1

10

1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01tp [s]

Z thj

c[K

/W]

D = 0

D = 0.05

D = 0.5

D = 0

D = 0.05

D = 0.5

金属拡散接合

はんだ接合

同サイズのデバイスで熱抵抗50%低減可能

10ms pulsDevice area 1.95mm²

赤: 32A pulse青: 42A pulse

Conventional solder

solderless

2013/11/8 2013ロボット展 21

出典:P. Friedrichs, R. Rupp, "SiC Power Devices – Semiconductors and packages", ECPE2009

SiC chip

solder

SiC chip

solder

package leadframe

金属拡散接合

ハンダ接合

熱伝導率 Si SiC(4H) GaN Diamondλ(W/cmK) 1.5 4.9 2 20

産業用機械応用サーボプレス

2013/11/8 2013ロボット展 22

リンク式サーボプレス

直動式サーボプレス

• 必要とされる性能– サーボモータ → ダイレクトドライブ

• 回転速度制御 → 高周波スイッチング• 大トルク → 大電流

– パワーアンプ（インバータ）• 最大電流保持時間• コンデンサ容量• 冷却能力• 回生（制動）

– ドライブとコントロールの協調による高応答性

加工のストロークと速度制御

半導体デバイス以外に必要な蓄電デバイス

2013/11/8 2013ロボット展 23

• 蓄電デバイスの要件– 充電（放電）電力の大き

さと継続時間に対応

– セル電圧が低いものは，多直列による高電圧化が必要

• 管理システムが必要

• ピーク電流に対応した電力変換器定格が必要

光田他，「瞬発キャパシタの開発」，エネルギー・資源学会誌，Vol. 33, No.3, pp.9-14, 2012.

SiCデバイスの動作条件依存性ダイオードの逆回復現象

2013/11/8 2013ロボット展 24

動作条件の変化に強いSiCパワーデバイス

Si PiN ダイオード SiC-SBD

←di/dt依存性大

di/dt依存性小→

←IF依存性大

IF依存性小→

鉄道車両応用新幹線車両

0系 100系 300系 500系 700系 N700系

編成質量 970t 851.8t 629.4t 630t 634t 715t

編成 16M 12M4T 10M6T 16M 12M4T 14M2T

電動機 直流直巻電動機 三相交流誘導電動機

電動機出力185kW

(11840kW)230kW

(11040kW)300kW

(12000kW)285kW

(18240kW)275kW

(13200kW)305kW

(17080kW)

制御方式低圧タップ

制御サイリスタ位相制御

VVVFイン

バータ制御(GTO/IGBT)

VVVFイン

バータ制御(GTO/IGBT)

VVVFイン

バータ制御(GTO/IGBT

1C4M)

VVVFイン

バータ制御(IGBT)

ブレーキ方式発電,電磁

直通ブレーキ

発電、渦電流、電気指令式ブレー

キ

電力回生、渦電流、電気指令式ディスクブ

レーキ

電力回生、電気指令式ディスクブ

レーキ

電力回生、渦電流、電気指令式ブレーキ

電力回生、電気指令式ブレーキ

2013/11/8 2013ロボット展 25

新幹線の進化

2013/11/8 2013ロボット展 26

出典:井上, 坂本, 神田,N700 系新幹線車両用主回路システム,富士時報 Vol.79 No.2, pp.110-117, 2006.

パワー半導体だけでなく，システムとして進化

新幹線の進化

2013/11/8 2013ロボット展 27

出典:井上, 坂本, 神田,N700 系新幹線車両用主回路システム,富士時報 Vol.79 No.2, pp.110-117, 2006.

冷却装置の小型化・静止化

産業用ロボット

• 用途別分類– 溶接・塗装用

• アーク溶接，スポット溶接，塗装，シーリング，バリ取，研磨仕上げ

• 自動車分野が多い

– 組立用• バレイタイジング，取り出し，

直交型，スカラ型，小型垂直多関節，双腕，卓上型

– 自動車，電気電子分野

– ウエハ･半導体搬送用• ウエハ搬送（半導体製造装

置）• 液晶・PDPガラス搬送（液晶

パネル製造工程）

– その他

2013/11/8 2013ロボット展 28

各種センサ，アクチュエータ，減速機，制御装置で構成される多数・多種類のセンサーによる高性能化センサとアクチュエーションの協調

サーボモータの構成

2013/11/8 2013ロボット展 29石島「小型ACサーボ・モータの制御回路設計」CQ出版，2009.

• ACサーボモーター

– 同期電動機（ブラシレスDCモーター、SM型）

– 誘導電動機（IM型）

• DCサーボモーター

– ブラシ付DCモーター

• ステッピングモーター（クローズ制御）

• 位置検出器レゾルバ

• インクリメンタルエンコーダ

• アブソリュートエンコーダ

• ポテンショメータ

• 速度検出器タコジェネレータ

• サーボアンプ

• シーケンサ

電動機

検出器

制御装置

ACサーボ・モータの内部構造ACサーボ・モータの例

産業用ロボット小型・高性能化

モータ・アクチュエータとドライブとの一体化も可能

集積化が進む

2013/11/8 2013ロボット展 30

SiC MOSFETと逆並列SBD

±

電圧源AC

電圧型変換器

2013/11/8 2013ロボット展 31

ディスクリートSCH2080KEC

モジュールBSM120D12P2C005

ディスクリートSCT2080KE

モジュールBSM180D12P2C101

モジュール ディスクリート

n‐ driftn+ buffer

p bodyn+

gatesource

drain

電流源

↑ AC

電流型変換器

逆耐圧不要

逆耐圧必要

極性一定

極性一定

MOSFET単独MOSFET+SBDハイブリッド

SiC パワーモジュールの特性電圧-電流導通特性

BSM100D12P1C003X(SBD付)定格1200V, 100A

BSM180D12PC101(SBD無)定格1200V, 180A

逆電流はSBDを流れる逆方向はチャネルONでもSBDを流れる

ボディダイオードの電圧降下大チャネルONでチャネル電流が流れる

2013/11/8 322013ロボット展

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-6 -4 -2 0 2

Ids(A)

Vds(V)

Vgs=0VVgs=20V

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-4 -2 0 2 4

Ids(A)

Vds(V)

Vgs=0VVgs=20V

逆方向に電流が流れる期間，チャネルをONすれば導通損失低減可能

低電圧スイッチング電源の同期整流回路

高周波誘導加熱

2013/11/8 2013ロボット展 33

• 用途– 電磁調理器（IH調理器）

– IH式電気炊飯器

– 高周波誘導溶接（高周波誘導圧接）

– 溶解

– 焼きばめ

– 焼入れ

– はんだ付け

– 誘導加熱ろう付け

SiC MOSFETのスイッチング

2013/11/8 2013ロボット展 34

-5

0

5

10

15

20

-5.0E-08 5.0E-08 1.5E-07 2.5E-07

Ids

(A)

time (sec)

-500

50100150200250300350400

-5.0E-08 5.0E-08 1.5E-07 2.5E-07

Vds

(V)

time (sec)

5A10A15A

-5

0

5

10

15

20

-5.0E-08 5.0E-08 1.5E-07 2.5E-07

Ids

(A)

time (sec)

-500

50100150200250300350400

-5.0E-08 5.0E-08 1.5E-07 2.5E-07Vd

s (V)

time (sec)

5A10A15A

SiC MOSFET Si IGBT

テール電流が継続する

HEVからEVへ

2013/11/8 2013ロボット展 35

伊藤他,「インホイールモータシステム」，NTN TECHNICAL REVIEW No.79（2011）

HEV

EV（インホイールモータ）

メガソーラ用パワコン

• 最大出力電力を得られる日射の発生時間は非常に短い

• 低出力電力となる日射状態が大半を占める

• 太陽光発電用パワーコンディショナーは低出力での効率が重要

– EV,HEVも同様

2013/11/8 2013ロボット展 36

日射出現頻度

Si/SiCデバイス静特性動作点と導通損失

2013/11/8 2013ロボット展 37

02468

101214161820

0 2 4 6 8 10

P (W

)

Iak (A)

Si PiN

SiC SBD

0123456789

10

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Iak

(A)

Vak (V)

Si PiN

SiC SBD

02468

101214161820

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Ids

(A)

Vds (V)

Si IGBT

SiC MOSFET

0102030405060708090

0 5 10 15 20

P(W

)

Ids (A)

Si IGBT

SiC MOSFET

電圧－電流特性

電流－導通損失特性

低出力領域での差は無い 低出力領域での差が有り

ダイオード トランジスタ

動作時間で積分される

パワエレへの要求とSiCデバイスによる解決

• 要求– 面積縮小

– 軽量化

– 汎用性

– 堅牢性

– 低コスト

– 負荷率

• SiCパワーデバイスによる解決– 高耐圧・低抵抗

– 高電流密度

– 高温動作

– 高周波数スイッチング

– ユニポーラ化

2013/11/8 2013ロボット展 38