50kW GaNインバータの開発

Development of 50kW GaN Inverter

GaNパワーデバイスは、低損失性能で高速スイッチングが期待される次世代パワー半導体デバイスです。損失性能の改善が進められる中、放熱設計が大きな課題となっています。低損失性能であるということは、小さなデバイス断面積で大きな電流が流されることで、放熱断面積もまた小さくなることを意味します。このため、如何にデバイスを冷却するかが、デバイス性能を最大限引き出すための技術課題です。

GaN power devices, as the next generation power semiconductor devices, are expected to provide high-speed switching with low-loss performance characteristics. As improvements in loss performance are being promoted, heat dissipation design has become a major issue. Low-loss performance means that a large current can flow in a small device cross-sectional area; however, this dictates that the heat dissipation cross-sectional area must also be small. Therefore, effectively cooling the device is a technical challenge to maximize the device performance.

本プロジェクトでは、厚銅基板を銅バスバーとした放熱構造設計を行い、小さくても高出力なGaNモジュール基板を構成しました。 GaNモジュールを積層することにより、インバータモジュールを構成します。モジュールは水冷冷却を行うことで、GaNデバイスのパフォーマンスを引き出すことができます。今回、GaNインバータモジュールを3個使用することで、50kWの大出力インバータを実現しています。

In this project, we designed a heat-dissipating structure using thick copper substrates as copper busbars to construct small but high-power GaN module substrates. An inverter module was formed by stacking GaN modules. The modules are water-cooled to achieve the exceptional performance of the GaN devices. A high output inverter of 50 kW is realized using three GaN inverter modules.

GaNインバータのベンチ評価

Bench evaluation of GaN inverters

GaNインバータなどによるモーターの実機評価を実施しています。モーター評価ベンチでは、インバータおよびモーターの入出力特性を実測するほか、インバータの出力電流、スイッチング周波数、デッドタイムなどの制御パラメータを様々に調整し、インバータおよびモーターの効率を評価します。本年度、研究開発拠点に大型モーターベンチを導入し、評価環境の整備を進めています。

We have been evaluating actual motors with GaN inverters and other devices. On the motor evaluation bench, we measure the input/output characteristics of the inverter and motor, adjust various control parameters, such as inverter output current, switching frequency, and dead time, and evaluate the efficiency of the inverter and motor. This fiscal year, a large motor bench will be installed to improve the evaluation environment.

モーター制御研究

Motor Control Research

GaNインバータによるモーターの低損失制御を検討するために、スーパーコンピュータを用いてモーターの電磁界シミュレーションを実施しています。モーターベンチでの測定で実測できるのはモーターの入力特性のみで、モーターで発生するさまざまな損失を個別に評価することができません。そこでモーターを詳細にモデリングした電磁界シミュレーション環境を構築し、インバータの出力電流リプルに対するモーター損失の内訳などの評価を実施しています。GaNインバータにより、モーターの温度上昇の抑制や、損失低減による高出力密度化ができることが判ってきており、EV駆動システムの高効率化、CO2削減効果が期待できます。

Motor losses are broadly classified into iron loss and copper loss. High frequency operation of GaN inverters reduces iron losses, but not copper losses. To optimize motor drive operation with GaN inverters, these motor losses must be evaluated separately. However, since only a mixture of the two losses can be measured on the motor bench, motor electromagnetic simulation must be performed. We have built an electromagnetic simulation environment that models motors in detail and evaluates the breakdown of motor losses against the output current ripple in the inverter. It has been found that GaN inverters can suppress the temperature rise of motors and increase power density by reducing losses. This is expected to increase the efficiency of EV drive systems and reduce CO2 emissions.