ヘッドスプリング株式会社 | 私たちは、地域特有のエネルギーを活かし、最適な地産地消のエネルギーシステムを提供します

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COMPANYヘッドスプリングの技術

急成長が見込まれるスマートエネルギー機器(太陽光発電・風力発電・蓄電システム・電動車両等)に欠かせないのが、パワーエレクトロニクスと呼ばれる電力変換の技術です。電力変換器には小型、省エネ(高効率)であることが求められますが、小型化、高効率化の切り札となる「次世代パワー半導体」を使いこなすためには既存のパワーエレクトロニクスだけでは解決できない高周波ならではの様々な課題がありアプリケーションへの適用を阻んでいます。
ヘッドスプリングでは、これらの技術課題を克服した使いやすい「汎用電力変換器(モジュール)」を製品化し、更なる高い変換効率、小型化、低価格化をを図ります。そして、グローバルな展開と、業界の水平分業化による市場創造を行い、各国に必要とされるスマートエネルギー機器を普及させていきます。

パワーエレクトロニクスとは何か

パワーエレクトロニクス技術とは、半導体電力変換技術とも呼ばれ、パワー半導体素子を用いた電力変換および制御を中心とした応用システム全般の技術です。パワー半導体素子をスイッチとして使用し、そのオン・オフを高速に切り替えることによって、直流電圧を変化させたり(昇圧、降圧)、直流を交流に変換したり(インバータ)することを可能にします。発電や送電などの電力分野、モータ・ポンプなどの産業分野から、通信システムや工場などの電源装置、更に電車の駆動・変電などの電気鉄道分野、そして自動車、家庭用電化製品など、非常に幅広い分野で活用されています。パワーエレクトロニクス技術を適用することで省エネ化できる分野は多く、昨今の省エネや低炭素化の要求を受け、パワーエレクトロニクス技術への期待が高まっています。

パワーエレクトロニクス技術は、「パワー」と「エレクトロニクス」と「コントロール」を融合した技術分野であると説明されることが多く、パワーエレクトロニクス製品を開発するためにはパワー回路、アナログ回路、デジタル回路、電力工学、電磁気学、制御工学、マイコン技術、情報信技術など多岐にわたる技術が必要とされます。これらの技術を利用して、電力変換損失を小さくすることで省電力・省エネを追究することがパワーエレクトロニクス技術に求められている使命ともいえます。



どのように電力を変換するのか?

パワーエレクトロニクスでは、スイッチのON/OFFで電気を切り刻みます。切り刻んだ電気は短冊状になるので、これを平均化して希望の値になるように制御しています。例として、直流の電気を交流に変換する際の波形を示します。入力した直流の電気をスイッチのON/OFFで切り刻み、平均化した電気を取り出すと交流の電気に変換されます。

電力変換器に求められる省エネ、小型化のキーデバイス

電力変換器に求められるものは「高効率化(省エネ)」と「小型化」です。
高効率化とは、電力変換器の効率を改善することをいいます。効率が95%の場合、残りの5%は損失(熱)です。例えば、日本の年間電力消費量はおよそ1兆kWhですが、日本中の電力変換器の効率を仮に1%改善した場合、原発1.4基分(100億kWh)の省エネ※1になります。
※1:原発1基分を設備容量100万kWで稼働率70%と仮定した場合。
一方、小型化について、電力変換器の大きさを決めるのは損失です。先ほどの例で5%の損失(熱)が出るケースでは、5%の熱を冷やすために冷却装置が必要です。例えば10kWのインバータの5%の損失は500Wですが、500Wもの熱を冷却するには大型のファンやヒートシンクなどの設備が必要です。この損失を小さくしていくことが、装置の小型化につながるのです。

「高効率化」や「小型化」を実現するためには損失を減らすことが重要ですが、では実際に損失を減らすはどうすればよいのでしょうか。そのカギはスイッチ(パワーデバイス)にあります。
現在使われているパワーデバイスの多くは、Si(シリコン)を材料に作られています。Siのパワーデバイスはこれまでの改良により高い性能を維持していますが、改良進歩の限界に近づいています。そこで、近年SiC(シリコンカーバイド)やGaN(ガリウムナイトライド)という新しい材料を用いた次世代のパワーデバイスが注目を集めています。下図のように、SiCについては高耐圧に適用したインバータが鉄道や家電製品、産業機器に適用され始め、高周波特性に優れるGaNは、通信機器用電源などへの応用が期待されています。
SiCやGaNはデバイスそのものの損失が少ないため、Siから置き換えた場合、パワーデバイスの損失を大幅に低減できるようになります。

SiCやGaNは高速のスイッチング動作が可能です。電力変換器に含まれるリアクトルという部品の大きさはスイッチング周波数に反比例するため、理論的にはスイッチング周波数が10倍になると、部品のサイズを1/10に小型化できるようになります。
また、SiCやGaNはいずれも、Siのパワーデバイスで限界とされる200℃以上という高温で動作します。高温で動作するということは、電力変換器の冷却装置を小型化または廃止することが可能になります。

SiC/GaN搭載 汎用電力変換モジュール

このように次世代パワー半導体への期待が高まる一方で、次世代パワー半導体の駆動が難しく、普及に向けてはまだハードルが高いのが現状です。その難しさの原因は、スイッチング周波数が非常に高いために、これまでのパワーエレクトロニクスの領域ではなかった高速アナログ回路技術 、高周波計測技術、高周波ノイズ対策技術などの幅広い技術が求められることにあります。

ヘッドスプリングは、これら既存のパワーエレクトロニクスの範疇を超えた高周波・高速信号処理技術を自社に取り込むことにより、次世代パワー半導体の性能を引き出しかつ取扱を簡単にした次世代パワー半導体搭載電力変換モジュールを製品化。誰もが次世代パワー半導体のメリットを享受できる「汎用電力変換モジュール」という新しいソリューションを提案します。

ヘッドスプリングの強み

当社の強みは、パワエレ特有のノウハウを詰め込んだライブラリやツールを保有しておりデバイスからシステムまでの領域を橋渡しする設計が可能な点、パワエレ機器を構成するハード/ソフトを標準の技術資産(モジュール)として保有しており、迅速なシステム構築が可能な点、Open-Worksスタイルでスピードを最大化する協業が可能な点の3点です。

1.パワエレ特有の技術と経験を広く保有しており、各技術領域を橋渡しすることが可能。

デバイスの特性を理解した上で最適な回路の設計をする「ゲートドライブ技術」や、モジュールをシステム動作させるための「ソフトウェア設計技術」、システムを各アプリケーション領域で製品化するための「規格/認証取得支援」などの技術と経験を有し、各領域を橋渡しすることが可能です。

2.パワエレを構成するハードウェア/ソフトウェア/ライブラリをモジュール化して保有しており、迅速なシステム構築が可能。

回路やモジュールは少しのパラメータの変更だけでも設計が変わるため一品一様の設計になりがちで手間がかかります。ヘッドスプリングはハードウェア、ソフトウェアのモジュールを自社内で保有しているため、少しのカスタマイズでシステム構築を迅速に行えます。



3.Open-Worksスタイルで、スピードを最大化する協業が可能。

ユニークな価値創造を目指し、その価値の源泉の一部を外に出して(Value-Out)、外部の協力者と一緒に進化させる(Open-Works)スタイルを取っています。詳しくはこちらをご参照ください。

開発実績

ヘッドスプリングでは、様々な分野または開発フェーズにおける開発実績があり、蓄電システムやモータドライバ、パワーコンディショナなどのシステム設計からゲートドライブ回路・制御回路・センサ回路などの詳細設計まで広い範囲の開発が可能です。

  • 電力フロー・ノイズなど電力変換システム設計のための広範囲の知識
  • SiCやGaNなどに適用できるゲートドライブ回路
  • 回路方程式・制御ブロックなど理論に基づいた開発アプローチ

上記のようなパワーエレクトロニクス開発において障壁となる技術を自社で保有しているために、従来部品の置き換え等で簡単に成功しないような条件での高度な最適化、短い開発期間、システム全体を考慮した詳細設計などお客様の条件にかかわらず柔軟なご提案が可能です。

開発実績

  • 太陽電池用パワーコンディショナ
  • 家庭用蓄電システム
  • EV用充放電システム
  • ロボット用モータドライバ
  • 瞬低補償インバータシステム
  • パワーエレクトロニクス教育用実験装置
  • リアクトル損失評価用実験装置
  • SiC-MOSFET特性評価用実験装置
  • GaN-HEMT特性評価用実験装置
  • インバータ制御用組込コントローラ
  • 組込コントローラ専用ライブラリ
  • 組込ソフトウェアデバッグ用ツール

その他、事例紹介についてはこちらをご参照ください。

出典、参考文献
国別電力消費量:https://yearbook.enerdata.jp/electricity/electricity-domestic-consumption-data.html
パワーエレクトロニクス技術教科書(CQ出版株式会社、2014):https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/49/49251.html