PowerPoint プレゼンテーション

Transcription

1 2015 年 2 月 13 日 NEDO FORUM イノベーションで拓く明るい未来 NEDO 成果報告会 - TS-13 省エネルギー技術の現状と展望 パナソニックにおける 省エネルギー技術開発 - NEDO プロジェクト成果より - パナソニック株式会社オートモーティフ & インタ ストリアルシステムス 社技術本部 上田哲三

2 講演内容 パナソニックにおける省エネルギー技術開発 パナソニックの目指す姿 : 地球環境への貢献省エネルギー技術開発 NEDOプロジェクト ( パナソニック担当 ) パナソニックにおける開発成果事例 真空断熱材実用化開発 / 実証研究 年高性能 高機能真空断熱材 GaN( 窒化ガリウム ) パワーデバイス実用化開発 まとめ 年インバータ高効率化のためのGaN 双方向スイッチ 年 GaN DC 系電力変換デバイス

3 パナソニックの目指す姿 お客様視点に立ち よりよいくらしの実現に貢献する Better より環境に良い 地球環境に貢献する価値を含む AP 美容健康 住宅産業 ES Your Home Cloud 流通小売 Your Community Your Business 家電 公共 Your Journey AVC 航空 Your Car Cloud AIS 自動車

4 パナソニックグループの 4 戦略領域 デジタルコンシューマーから BtoB を中心とするソリューションへ いずれの戦略領域においても省エネルギー技術が非常に重要

5 省エネルギーに貢献した主な商品 :2013 年度事例

6 省エネ事例 : Fujisawa サスティナブル スマートタウン 2014 年 11 月 GRAND OPEN

7 省エネ技術開発 NEDO テーマ 1 ( ハ ナソニック担当直近 10 年 ) テーマ名実施期間担当部 高性能 高機能真空断熱材の実証研究 年度省エネルギー技術開発部 高密度実装技術を用いた CO2 ヒートポンプ給湯器の小型化開発 年度省エネルギー技術開発部 CO2 冷凍システムの高効率化技術の開発 年度省エネルギー技術開発部 セラミックス製熱交換器と新形式リニア発電機を用いた次世代エンジンの開発 年度省エネルギー技術開発部 多層膜磁石による省電力小型モータの開発 年度省エネルギー技術開発部 次世代大型低消費電力 PDP 年度電子 情報技術開発部 インバータ高効率化のための GaN 双方向スイッチの研究開発 住宅分野向けノンフロン型省エネ冷凍空調システム開発事業 年度省エネルギー部 年度環境技術開発部 極低電力回路 システム技術開発 年度電子 情報技術開発部 未利用熱エネルギー ( 排熱, 太陽光等 ) からの大出力発電装置開発 年度技術開発推進部 (HEMS,BEMS, 蓄電池等は除く )

8 省エネ技術開発 NEDO テーマ 2 ( ハ ナソニック担当直近 10 年 ) テーマ名実施期間担当部 次世代高効率 高品質照明の基盤技術開発 年度 電子 材料 ナノテ クノロジー部 低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト 年度 電子 材料 ナノテ クノロジー部 自立型システムのための熱発電デバイスの研究開発 年度省エネルギー部 GaN DC 系電力変換デバイスの研究開発 年度省エネルギー部 CO2/HFO 系混合冷媒を用いた高効率業務用空調機器技術の開発 二酸化炭素冷媒で作動する圧縮吸収ハイブリッドサイクルの研究開発 年度環境部 年度省エネルギー部 加熱炉の排気熱循環システムの開発 省エネルギー部 高耐熱性ドアパッキンの開発 省エネルギー部 高効率スポット照明用レーザ光源の開発 省エネルギー部 GaN 双方向電力変換機の研究開発 省エネルギー部 省エネルギー化センサシステム普及拡大のための環境発電デバイス実装事業 電事 材料 ナノテクノロジー部 (HEMS,BEMS, 蓄電池等は除く )

9 真空断熱材の研究開発 ( 年度 ) 従来の真空断熱材における課題 フレキシブル性がない ---- 平板状のため 冷蔵庫のような平面構造体への 適用に限定 応用展開性に難点 後加工性に難 ---- 切断や釘打ちにより 全体にわたって真空ブレークが発生 U-Vacua( 高性能真空断熱材 ) ノンフロン 省エネ冷蔵庫への適用 構成と特長 ガラス繊維成形ボード 芯材 水分吸着材 外被材 : ラミネートフィルム 内圧 :10Pa 高断熱性能 :0.0020W/mK 2002 年 10 月発売 消費電力量 150kWh/ 年 10 年前の約 1/8 を実現

10 真空断熱材開発成果 : 実用化開発 冷凍冷蔵庫用に開発した真空断熱材を,1 実用化開発,2 実証研究の二段階で技術開発を行い, 高性能化と共に建材等への適用を加速した 実用化開発 高性能, 高機能真空断熱材の研究開発 ( 年度 ) チップ状の真空断熱材の集合体 個々が独立した真空断熱材 切断可能 2006 年度省エネ大賞 ( 経産大臣賞 ) 真空フ レーク部

11 真空断熱材開発成果 : 実証研究 実証研究 高性能, 高機能真空断熱材の実証研究 ( 年度 ) ハイブリット断熱材 < 真空断熱材ハイブリッドボードを開発 > 壁を厚くせずに次世代省エネ基準達成 ---- 従来施工方法で実施可能 2008 年アキレス様 ブイパックボード 商品化 2012 年パナソニック内貼断熱システム商品化 アキレス様彦根工場内に実験棟を建て実証.

12 真空断熱材開発成果 : 断熱性能の向上 高性能化の取り組み NEDO 成果

13 GaN( 窒化ガリウム ) パワーデバイスへの期待 市場の省エネ性能要求に対し現行 Si デバイスは限界 化合物デバイス (GaN/SiC) 市場立上りが期待 高出力 GaN は高速スイッチング用途 ( 小型化 ) で有望 世界通信基地局消費電力 2500 億 kwh (2008) 世界データセンター消費電力 2628 億 kwh (2011) データセンターラック 電力 (W) 100M 10M 風力発電 鉄道 SiC 高出力 産業用インバータ 次世代パワーデバイスの応用分野 6,000 5,000 EV,HEV の市場 EV HEV S HEV L 消費電力増大 空調 Batt UPS 電源 1M 100K PV インバータ ( 大電力用途 ) PHV EV 高速スイッチング GaN 4,000 3,000 2,000 1, EV HEV 市場は 10 年で 3 倍 通信トラフィックは 5 年で 13 倍 10K 1K 100 シリコン PV インバータ ( マイクロインバータ ) AC-DC (PFC) データセンタ ( サーバ ) (DC-DC) パソコン (DC-DC) パワーデバイス進化による 省エネ ( 高効率 ) 小型化ニーズの高まり K 10K 100K 1M 10M 動作周波数 (Hz) ~ 1G 10G

14 パナソニックにおける GaN デバイス開発 パナソニックでは 1999 年より研究開発を開始 当初高周波応用で検討を開始 2004 年よりスイッチング素子応用展開へシフト 年インハ ータ高効率化のための GaN 双方向スイッチ NEDO フ ロシ ェクト 年 GaN DC 系電力変換テ ハ イス

15 パナソニック GaN パワーデバイスの特長

16 GaN インバータによる省エネルギー化 インバータは省エネルギー化実現のためのコア技術であり 高効率化が強く求められている GaN パワーデバイスにより大幅な省エネルギー化実現が期待 食器洗浄乾燥機 1.6% 衣類乾燥機 2.8% 温水洗浄便座 3.9% 電気カーペット 4.3% 家庭での電力消費内訳 その他機器 20.2% テレビ 9.9% 環境効果 照明用 16.1% エアコン 25.2% 冷蔵庫 16.1% 出典 : エネルギー白書 家電製品のインバータ化率 エアコン ノンインバータ 23% インバータ 冷蔵庫 ノンインバータ 6000 万台 8000 万台 年5% 間インバータ消費電力(1インハ ータ年台当りインハ ータ搭載機器とノンインハ ータ機種の消費電力比較 3000kWh/ 年 インハ ータ 1000kWh/ 年 ノンインハ ータ )エアコン冷蔵庫 間消費電力(1台当インハ ータ年り)ノンインハ ータ ク ローハ ル市場でのインバータ化を促進 ( エアコン 23% 50% 冷蔵庫 5% 10% とした場合 ) 120 億 kwh 節電 8 基の火力発電所相当 CO 2 換算すると,400 万 t 削減 ( 日本の年間総排出量 13 億 t の 0.3% 相当削減 ) 実用化開発 : インハ ータ高効率化のための GaN 双方向スイッチ ( 年 )

17 GaN 双方向デバイスによる高効率インバータ GaN トランジスタでは電圧オフセットがなくオン抵抗が小さいため 損失を大幅に低減可能 Si 系インバータ IGBT ダイオード FRD 電流 電流 I F I R モータ I F I R IGBT オフセット V F 電圧 ダイオードオフセット V F 電圧 損失 = V F I F + V F I R GaN インバータ I F GaN トランジスタ 電流 R ON 電流 R ON I R I F I R モータ 電圧 電圧 損失 = Ron I F 2 + Ron I R 2 0 I F : 駆動電流 I R : 還流電流 FRD:Fast Recovery Diode ( 高速リカバリダイオード )

18 GaN インバータの評価 評価装置構成 エアコン評価の様子 入力電力測定位置 GaNインバータボードゲート回路 GaNトランシ スタ 出力電力測定位置 商用電源 P F C PFC 制御 制御用マイコン M モータ 評価に使用したモータ ( コンフ レッサ ) GaN トランシ スタ 専用ト ライハ IC 評価ボード表面 評価ボード裏面

19 GaN インバータによる損失低減 GaN インバータとして世界最高の 99.3% 効率 (1.5kW 出力時 ) を確認 効率 (%) インバータ損失の出力依存性 GaN インバータ IGBT インバータ DC バス電圧キャリア周波数デッドタイム 250V 4kHz 2μs 99.3% 損失 (W) W 出力時の損失分析 損失 11.3W タ イオート 損失 スイッチンク 損失 導通損失 60% 低減 損失 4.4W 出力電力 (W) 0 IGBT インバータ GaN インバータ

20 GaN ワンチップインバータ IC チップ写真 GaN-GIT 効率の出力依存性 ゲート 電源ライン Q1 Q3 Q5 U V W Q2 Q4 Q6 素子分離領域 モータに接続 効率 (%) GaN インバータ IC IGBT 変換損失 4.8% 変換損失 8.3% 85 GND ライン 出力 (W) 1mm Q1 U 電源ライン Q3 Q5 V W M 超小型インバータを可能とする GaN インバータ IC の動作を世界で初めて確認 IGBT インバータと比較し変換損失を 42% 低減 Q2 Q4 Q6 GND ライン

21 GaN DC 電力変換デバイスによる省エネルギー化 家庭内の機器内外で多段に電力変換が行われ 各段階で損失が生じる 材料物性に優れた GaN( 窒化ガリウム ) デバイスにより大幅な低損失化が可能 実用化開発 : GaN DC 系電力変換テ ハ イス ( 年 )

22 GaN パワーデバイスを用いた電源ソリューション GaN パワーデバイスを用いた電源回路構成例 高周波動作のインパクト DC-DC コンハ ータサイス の周波数依存性 電解コンデンサ

23 GaN POL 大電流 高周波 (~5MHz) 動作 5MHz 50Aでの動作確認 高周波動作によりモジュール面積を低減 従来のSi GaNと比較して高効率 大電流動作を実現 POL モシ ュール写真 効率 (%) 大電流動作時の効率特性従来 POLモシ ュールとの効率比較 50A 動作確認 Vin=12V Vout=1.2V 1MHz 2MHz 3MHz 5MHz Iout (A) 効率 (%) 従来 Si GaN より高効率 Vin=12V Vout=1.2V Panasonic GaN(Fsw=1MHz) GaN 報告値 (Fsw=1MHz) GaN 報告値 (Fsw=1.2MHz) Si-MOS(Fsw=1MHz) Iout (A)

24 GaN デバイスの新たな展開 : 電磁結合型絶縁ゲート駆動素子 非接触電力伝送を用いた新たな絶縁ゲート駆動方式を提案 その動作を確認 Drive-by-microwave チップ写真

25 まとめ パナソニックにおける省エネルギー技術開発 パナソニックにおける NEDO プロジェクト成果事例 真空断熱材実用化開発 / 実証研究 冷蔵庫用真空断熱材を高性能化 建材等への新応用展開を加速 GaN( 窒化ガリウム ) パワーデバイス実用化開発 高効率インバータ動作 インバータ IC の動作を確認 DC-DC コンバータ (POL) の 5MHz 動作を確認 新たに電磁結合型絶縁ゲート駆動素子を提案 (Drive-by-microwave) GaN パワーデバイスは量産化に目途 サンプル出荷開始 2013 年 3 月新聞発表 耐圧 600V で連続安定動作可能な GaN パワートランジスタ 半導体 オブ ザ イヤー 2013 優秀賞受賞!

26 提供価値NEDO プロジェクトへの期待 さらなる省エネルギー社会実現には非連続な技術開発が必要不可欠です 引続き NEDO プロジェクトを通しての革新的技術開発に期待しておりますので よろしくご支援をお願い致します 非連続な技術開発 時期

27 ご清聴ありがとうございました