独立行政法人 独立行政法人 野間口 産業技術総合研究所【理事長 有】 有】 有】 有】 有】 有】치용액 용액용 액용어 용용용 용액 용용용 용용용 용용용 용용용 용용용 용용용용 용용용용용 용용용용 용용용용용용용용 용용용용용용용용용용용용용용용용용용용용용용용용 인sic-핀 다이오드andsi-IEGT전원 변환기| 개발 및 프로토 타입 장치 (DC 전압 ± 5KV-300KVA를 사용한 단일 위상3 레벨 컨버터); IEGT '스위칭 주파수2KHz를 만드는 데 성공한 것은 이번이 처음이었습니다 바카라 양방 변환기의 경우 4kHz에 해당하는 고속 구동입니다
이번에 우리가 생산 한 바카라 양방 변환기는 4mm Square Sic 다이오드, AIST가 개발 한 6kV 클래스 Sic-Pin 다이오드의 대규모 기술의 결과로 저 손실과 고속 6kV Sic-Pin 다이오드의 영역과 Toshiba가 만든 Si-iegt의 영역을 늘리는 기술입니다 이전 기술에서 바카라 양방 변환기는 SI-Iiegt 및 Si 다이오드로 구성되지만 Si 다이오드의 스위칭 특성에 대한 제약으로 인해 IEGT의 스위칭 주파수는 약 500Hz로 제한됩니다 이번에는 스위칭 특성이 우수한 고속 SIC 다이오드를 사용하여 IEGT의 높은 스위치 주파수 (2kHz 드라이브)를 달성했습니다 또한, 스위칭 주파수를 증가시킴으로써, 종래의 분리 변압기가 사용되었다직렬 다중 첨부 파일 방법대신, 3 단계 변환 방법을 채택하여 절연 변압기의 생략 및 필터 용량 감소가 가능합니다 이로 인해 바카라 양방 변환 장비가 크게 줄어드는 전망 (이전 모델의 약 1/5)
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사진 : 프로토 타입 Sic-Pin 다이오드 (왼쪽) 및 바카라 양방 변환기 (오른쪽)
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고바카라 양방 바카라 양방 장치를 사용한 고전압 및 대용량 바카라 양방 변환 기술은 바카라 양방 부문, 산업 부문 및 철도 운송 부문의 사회 인프라를 지원하는 중요한 바카라 양방 전자 기술이되었습니다 특히, 최근에, 저탄소 사회를 실현하기 위해, 스마트 그리드, 메가 태양 광 발전, 풍력 발전 및 고속 철도의 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 큰 성장에 대한 수요는 미래에뿐만 아니라 전 세계적으로 크게 증가 할 것으로 예상됩니다 환경 산업 경쟁력과 환경 기술 협력의 관점에서 기술 능력을 강화해야합니다
다른 전자 장치와 마찬가지로 바카라 양방 변환 장치는 고효율, 소형화 및 경량과 같은 중요한 기술 목표로 개발되었습니다 이를 가능하게 한 핵심 기술은 전원 장치의 속도와 손실이며, 고바카라 양방 바카라 양방 장치의 개발은 항상 고전압 및 대용량 바카라 양방 변환기의 발전을 지원했습니다 그러나, 기존의 SI 반도체에서, 다이오드의 스위칭 특성으로 인한 요소 손실은 크고, 스위칭 주파수는 제한되어있어 고전압 및 대용량 바카라 양방 변환기의 효율, 크기 및 중량 감소에 한계가있다
이러한 한도를 극복하고 전 세계의 새로운 요구를 충족시키기 위해서는 사회 인프라를위한 대규모 시설에서 전기의 매우 효율적인 전기 사용을 촉진하기 위해 새로운 기술이 필요합니다
이 기술적 인 문제를 해결하기 위해이 공동 연구 개발에 참여하는 5 개의 기관은 Sic-Pin 다이오드와 우수한 스위칭 특성과 SIIGT를 결합한 프로젝트 구조와 결합하는 고속 스위칭 모듈을 개발했습니다
AIST는 현재 SIC 및 GAN을 사용하여 바카라 양방 컨버터 기술에 대한 연구 및 개발을 수행하고 있으며, 이는 전기 사용량의 높은 효율성을 목표로 차세대 반도체 장치 일 것으로 예상되며, Power Electronics Research Center (2001-2007) 및 Energy Semicondcent Electronics (2001-2007)의 자재 결정화에서 Applied Equipment에 이르기까지 일관된 연구 시스템을 수행하고 있습니다 이 공동 연구 개발에서 AIST는 주로 세계 최상위 수준의 높은 견해 전압 (6KV 클래스) SIC 핀 다이오드 제조 기술 및 장치 손실에 대한 정확한 이해를 허용하는 손실 시뮬레이터 기술에 중점을 둔 분야를 담당하고 있습니다
Toshiba는 반도체 장치 제조 및 모듈화에 대한 광범위한 지식을 사용하여 장치 손실의 공급, 모듈 제조 및 평가에 중점을두고 있으며, 이번에 생성 한 바카라 양방 변환기에서 사용되는 SI-Iiegt, 모듈 제조 및 장치 손실 평가와 관련된 영역을 담당합니다
TMEIC은 바카라 양방 컨버터 설계 및 테스트에 대한 광범위한 지식을 활용하며 이번에 만든 바카라 양방 변환기의 기본 설계 및 테스트에 중점을 둔 영역을 담당합니다
Capital University는 바카라 양방 변환기 제어 및 냉각 바디 설계와 관련된 영역에 중점을 둔 지역을 책임지고 바카라 양방 변환기 제어에 대한 풍부한 지식을 활용합니다
Ibaraki Technical College는 Power Converter 회로 설계에 대한 광범위한 지식을 활용하여 SI-Iiegt 장치의 고속 주행을 허용하는 게이트 드라이브 회로 설계에 중점을 둔 지역을 담당합니다
이 공동 연구 개발은 위에서 언급 한 5 개의 기관과 협력하고 각각의 지식을 통합함으로써 수행되었습니다
이 공동 연구 개발에서 파워 컨버터의 속도를 방해하는 기술적 문제를 극복하기 위해 Sic-Pin 다이오드와 높은 습격 전압 (6KV 클래스)과 우수한 스위칭 특성 및 SI-IIGT를 결합한 고속 스위치 모듈을 개발했습니다 (그림 1 및 2)
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그림 1 : 4mm 제곱 요소 프로토 타입 Sic-Pin 다이오드 2 인치 웨이퍼에 제작되었습니다
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그림 2 : 이번에 우리가 만든 전원 변환기에 사용 된 모듈에 대한 완전한 보드 세트
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이전에, 바카라 양방 변환기의 스위칭 주파수의 상한은 Si 다이오드의 특성에 기초하여 결정되었지만, 이번에는 Si 다이오드 대신 더 빠르고 손실 및 고 견고한 전압을 갖춘 SIC 다이오드를 사용 하여이 한계를 초과하는 더 높은 속도를 달성 할 수있게 해주었다 지금까지 재배 된 AIST의 대규모 지역 SIC 핀 다이오드 요소를 사용하여 개발 한 4mm 제곱 대형 Sic-Pin 다이오드 요소는 Toshiba의 SI-Iiegt와 결합하여 고속 스위치 모듈을 제작 하고이 스위칭 모듈을위한 냉각 바디 설계 및 고 스프 스피트 드라이브 게이트 구동 회로가 개발되었습니다 (그림 3)
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그림 3 프로토 타입 고속 스위칭 모듈 및 게이트 드라이브 회로
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이 고속 스위칭 모듈을 사용하면 SI 반도체 만 사용하는 기존 바카라 양방 변환기보다 빠른 속도로 구동 할 수 있습니다 또한, 요소는 고속으로 구동 될 수 있기 때문에, 분리 변압기가 필수적 인 일련의 다중 연결 방법보다는 변압기가 필요하지 않은 3 단계 변환 방법을 채택 할 수있다 (도 4) 또한, 3 레벨 변환 방법을 사용한 출력은 장치의 스위칭 주파수의 두 번 작동에 해당하는 전원 변환기입니다 출력 파형은 스위칭 주파수의 속도를 높이고 출력 파형의 왜곡을 제거하기위한 필터의 용량도 감소시켜 향상됩니다 지금까지, 고전압 및 고바카라 양방 바카라 양방 변환 장비가 시리즈 다중 연결 방법을 사용하여 구성 될 때, 분리 변압기는 시스템 공간의 약 절반을 차지하고 필터 장비는 시스템 공간의 약 1/4을 차지하며, 이는 바카라 양방 변환 장비를위한 공간을 절약하는 데 큰 장애물이되었지만 3 단계 전환 공간이 제거 될 수 있다면 장비 변환 장비를 현저하게 줄일 수 있습니다
스위칭 주파수의 속도를 보여주기 위해, 이번에 만든 고속 스위칭 모듈을 사용하여 단상 3 단계 변환 테스터 (± 5KV-300KVA : 그림 5)를 제조했으며 성능의 데모 테스트가 수행되었습니다 결과적으로 SI 반도체 (스위칭 주파수 500kHz) 만 사용하여 기존 바카라 양방 변환기 (스위칭 주파수 500kHz)보다 4 배 이상 빠르게 운전할 수 있음이 입증되었습니다 또한, 3 단계 변환 방법을 채택함으로써 절연 변압기를 생략하고 필터 장비의 용량을 줄일 수 있습니다 소형화의 영향을 추정했을 때, 우리는 SI 반도체 만 사용하는 기존 바카라 양방 변환 장비의 약 1/5로 크기를 줄일 수 있음을 발견했습니다 (그림 6)
이 기술은 고전압 및 고바카라 양방을위한 대규모 소형 소형화 및 바카라 양방 전환 장비의 공간 절약을 허용하며, 소셜 인프라로 사용되는 바카라 양방 변환 장비의 확산 및 광범위한 사용으로 이어질 것으로 예상됩니다 고전압 및 고출력 바카라 양방 전환 장비에 대한 수요는 전 세계적으로 증가하고 있으며,이 분야의 산업 경쟁력 강화뿐만 아니라 미래의 환경 및 기술 협력의 관점에서도 중요한 결과입니다
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(a) 기존 회로 (절연 변압기 필수)
(동등한 스위칭 주파수 : 2KHz)
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(b) 3 단계 변환 회로 (분리 변압기 없음)
(동등한 스위칭 주파수 : 4KHz)
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그림 4 회로 메소드 비교
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그림 5 : 프로토 타입 전원 컨버터의 외부
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(a) 기존 방법 (4 시리즈 분리 된 변압기를 통한 500Hz 전환 변환기의 다중 연결)
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(b)이 방법 (2khz 스위칭, 절연 변압기 없음)
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그림 6 공간 절약 효과 비교 (10MVA 클래스 바카라 양방 변환 장비의 경우)
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이 공동 연구 개발에 참여한 5 개 기관은 이번에 개발 한 기술의 실질적인 적용을 목표로 공동 연구 개발을 계속 수행 할 계획입니다