引言
此次的試制品定位為面向SiC應(yīng)用的“旗艦品”。從器件到控制技術(shù)均采用最高性能水平的產(chǎn)品?！霸谄囍芯拖喈?dāng)于跑車”（安川電機）。目前尚未確定是否直接投產(chǎn)試制品。安川電機打算根據(jù)用途區(qū)別使用制造試制品時培養(yǎng)的技術(shù)，使配備SiC功率元件的產(chǎn)品實現(xiàn)產(chǎn)品化。
安川電機試制出了輸出功率為45kW的電力轉(zhuǎn)換器（AC-AC轉(zhuǎn)換器），通過采用SiC大幅實現(xiàn)了小型輕量化。與輸出功率相同的該公司現(xiàn)有產(chǎn)品“A1000”相比，體積和重量分別減至約1/25（圖1）。在使輸出功率與A1000保持一致的同時實現(xiàn)了小型化，由此，電力轉(zhuǎn)換器整體的輸出電力密度增至約15kW/L（A1000約為0.6kW/L）。
電力轉(zhuǎn)換器由AC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器（DC-AC轉(zhuǎn)換）構(gòu)成。試制品的逆變器部的輸出密度為128kW/L，目前為業(yè)界最高，與采用SiC的競爭企業(yè)的逆變器相比，輸出密度是其約2倍。安川電機自信地表示，“嚴(yán)格來說，雖然與競爭企業(yè)的試制品的測量條件等不同，但即便如此，128kW/L的值也為業(yè)界最高”。
圖1：體積縮小至現(xiàn)有產(chǎn)品的1/25
安川電機試制出了與該公司現(xiàn)有產(chǎn)品“A1000”相比，體積只有約1/25的電力轉(zhuǎn)換器（a）。通過在構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路上采用全SiC功率模塊，并提高開關(guān)頻率等，實現(xiàn)了小型化（b）。電力轉(zhuǎn)換器整體的輸出電力密度約為15kW/L，僅逆變器部為128kW/L（c）。
采用雙溝道產(chǎn)品
電力轉(zhuǎn)換器能大幅實現(xiàn)小型化是因為采用了配備SiC功率元件的功率模塊，并且應(yīng)用了高速開關(guān)動作等適合該模塊的驅(qū)動方法注1）。
注1） 實現(xiàn)技術(shù)的詳情已在2012年8月舉行的“平成24年電氣學(xué)會產(chǎn)業(yè)應(yīng)用部門大會”上公布。
功率模塊和模塊使用的SiC功率元件由羅姆制造。安川電機一直在與羅姆共同致力于SiC相關(guān)的研究開發(fā)。
功率模塊為晶體管和二極管均采用SiC功率元件的“全SiC”產(chǎn)品。轉(zhuǎn)換器部和逆變器部各使用3個SiC功率元件。該模塊是在高邊和低邊分別安裝一路晶體管和二極管的“2 in 1”產(chǎn)品（圖2）。
圖2：采用全SiC功率模塊
試制品采用的全SiC功率模塊是安川電機和羅姆共同開發(fā)的（a）。為降低損耗和實現(xiàn)小型化，晶體管采用了溝道型SiC制MOSFET（b）。（攝影：安川電機）
晶體管采用羅姆正在研發(fā)的“雙溝道構(gòu)造”SiC制MOSFET，二極管采用肖特基勢壘二極管（SBD）。雙溝道產(chǎn)品為低損耗SiC制MOSFET中損耗最小的產(chǎn)品。除柵極下方外，還在源極下方設(shè)置了溝道，由此可以減緩截止時柵極部分產(chǎn)生的電場集中，從而降低導(dǎo)通電阻。
還改善了被動元件
采用SiC與以往的Si功率元件相比可以進行高速開關(guān)。此次將轉(zhuǎn)換器部的開關(guān)頻率提高到了100kHz。而現(xiàn)有產(chǎn)品A1000為10kHz左右注2）。
注2） 試制品逆變器部的開關(guān)頻率為5kHz，與A1000相同。
通過提高開關(guān)頻率縮小了被動元件的尺寸等，為電力轉(zhuǎn)換器的小型化做出了貢獻。例如，輸入電抗器與A1000采用的產(chǎn)品相比尺寸只有其1/80左右。
不過，提高開關(guān)頻率后，電抗器內(nèi)核使用的磁性材料的鐵損會增大，導(dǎo)致電力轉(zhuǎn)換器效率降低。因此，安川電機在電抗器內(nèi)核中采用了稱為“Liqualloy”的新磁性材料（圖3）。Liqualloy是非晶合金的一種。特點是擁有與電磁鋼板相當(dāng)?shù)母唢柡痛磐芏?，而且高頻成分的損耗小。Liqualloy是阿爾卑斯綠色器件（Alps Green Devices）公司制造的產(chǎn)品。
圖3：還改善了周邊部件
為縮小電力轉(zhuǎn)換器的尺寸，還改善了周邊部件。例如，照片中的濾波器模塊為了以100kHz驅(qū)動轉(zhuǎn)換器電路，與阿爾卑斯綠色器件共同試制了專用電抗器。
此外，為縮小電力轉(zhuǎn)換器的尺寸改變了冷卻方式。由原來的空冷式變?yōu)橐豪涫?，縮小了電力轉(zhuǎn)換器的冷卻機構(gòu)。
從2014年開始全面采用SiC
在此次發(fā)布試制品之際，安川電機還宣布計劃2014年度內(nèi)在該公司的電力轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用SiC功率元件。該公司此前在展會等上公布過SiC電力轉(zhuǎn)換器及馬達驅(qū)動系統(tǒng)等的研究成果。但此次是第一次明確表示將在實際產(chǎn)品中采用SiC功率元件。
安川電機打算在電動汽車用馬達和伺服馬達的驅(qū)動系統(tǒng)、機器人裝置及逆變器裝置等中采用SiC功率元件。采用SiC可以使逆變器等電力轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)小型化。
此次的試制品定位為面向SiC應(yīng)用的“旗艦品”。從器件到控制技術(shù)均采用最高性能水平的產(chǎn)品?！霸谄囍芯拖喈?dāng)于跑車”（安川電機）。目前尚未確定是否直接投產(chǎn)試制品。安川電機打算根據(jù)用途區(qū)別使用制造試制品時培養(yǎng)的技術(shù)，使配備SiC功率元件的產(chǎn)品實現(xiàn)產(chǎn)品化。
（轉(zhuǎn)載）
