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2014年6月26日
片面冷却パワーモジュールに比べ電力容量を200%に拡大
株式会社日立製作所(執行役社長兼COO:東原 敏昭/以下、日立)は、このたび、インフラ市場用電源システムや、電気・ハイブリッド自動車のインバーターシステムに向けて、高速に動作し低損失なパワー半導体*1を多数並列接続し、大容量化が可能な両面冷却パワーモジュールの実装技術を開発しました。これにより従来の片面冷却パワーモジュールに比べ、電力容量を200%にすることができます。
近年、環境への配慮やエネルギー問題を背景に、社会インフラを支える電源システムでは、従来のシリコン(Si)を用いたパワー半導体に比べて、低損失なSiC・GaNなどのパワー半導体を用いた電力変換モジュール(パワーモジュール)の実現が期待されています。また、自動車システムにおいても、燃費向上や居住空間拡大の要請からパワーモジュールの小型化が急務となっており、低損失なパワー半導体の採用が検討されています。今回、小型で高効率なパワーモジュールを実現するために、日立が2011年に開発した直接水冷型両面冷却パワーモジュール*2を低損失なパワー半導体で実現するための実装技術を開発しました。現在主流であるシリコン基板のウエハサイズ(8インチ)に比べ、低損失パワー半導体は市販されているウエハサイズが小さい(3〜4インチ)ために、小面積のパワー半導体を複数並列に配置して、高速にスイッチングが可能な実装技術を開発する必要があります。しかし、各パワー半導体の配線にばらつきがあると、最も配線抵抗が小さい半導体に電流が集中して流れるため、パワー半導体の損傷や性能の不均一が生じ、これが実用化の課題となっていました。並列接続した多数の小さなパワー半導体を高信頼で動作させるためには、各パワー半導体の発熱をできる限り等しくし、劣化や最大動作電流を目標値内に収める必要があります。
このような背景から、今回日立は、両面冷却パワーモジュール内のパワー半導体を多並列に接続する配線の抵抗特性*3を等しくすることで、各パワー半導体に流れる電流を均一化する実装技術を開発しました。今回開発した技術の特長は以下の通りです。
本技術をもとに、スイッチング素子16個×2とダイオード素子4個×2の計40個のパワー半導体を並列接続可能な両面冷却パワーモジュールを作成した結果、従来の片面冷却のパワーモジュールと比べ電力容量を200%まで拡大でき、低損失(損失値Si比57%低減)で小型・高信頼なパワーモジュールの開発に成功しました。
今後も日立は、一般産業用機器などで用いられる電力変換システムや、電気・ハイブリッド自動車向けインバータの低損失・小型化に向け、直接水冷型両面冷却パワーモジュールなどのキーテクノロジーを活用することで性能向上に貢献する革新的な技術を開発していきます。
株式会社日立製作所 日立研究所 企画室 [担当: 滝澤]
〒319-1292 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号
電話 0294-52-7508(直通)
以上