低炭素社会にむけたグリーンエレクトロニクスの役割

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1 2030 年低炭素社会にむけたグリー ンエレクトロニクスの役割と課題 ( 独 ) 産業技術総合研究所 大橋弘通 NEDO フォーラム資料 (2009 年 12 月 4 日 )

2 アジェンダ 技術背景と導入促進へのアプローチ グリーンエレクトロニクスの応用技術 グリーンエレクトロニクスのシーズ技術 海外の動向と課題 2007 年度 2008 年度 NEDO 調査ベース 2050 年における省エネルギー社会の実現に向けたグリーンエレクトロニクス技術 NEDO フォーラム 2009 講演資料 2

3 50,000 資エ庁超長期エネルギー技術ビジョン第 12 回研究開発小委員会資料 (2005 年 ) 2050 年度に 2000 年度比で CO 2 を 50% 削減時の需給構成の一例 全ての技術的備えの結果の 1 例 ( コスト最小モデルによる試算 ) 40,000 PJ 30,000 20,000 10,000 0 水力原子力 石油ガス 石炭 1 次エネルギー #1: 電力化を軸にした 1 電力 石油ガス 石炭 最終エネルギー #1 再生可能 水力 原子力 石油ガス石炭 1 次エネルギー 創エネ 電力 最終エネルギー 再生可能 水力原子力 電力 最終エネルギー NEDO フォーラム 2009 講演資料 3 #2 石油ガス 創エネ #1 創エネ 石炭 #2 #2: 電力化を軸にした 2 次エネルギー省エネ 創エネ

4 GDP 当りの電力消費量 (TWh/B$) 高度電力化社会は持続的発展を可能にするか? 2007 NEDO 調査報告から IEAのデータから作成 ピーク抑制が最重要 GDP 当りの電力消費が示す環境 Kuznets 曲線 開発国への技術移転が最大の課題 GDP/capita (B$/Million) NEDO 調査報告から IEA のデータから作成 G7 に代表される先進国は非常にエネルギー効率の高い社会をつくり発展してきた. 過去の経験に照らせば答えはYes!, But!!! 開発国への技術移転の外交戦略は? さらなる技術開発挑戦への日本のシナリオは? 日本は技術覇権の勝者になれる? 2007 年 NEDO 調査報告 :2050 年における省エネルギー社会の実現に向けた電気エネルギー有効利用に関わるエレクトロニクス技術の調査 NEDO フォーラム 2009 講演資料 4

5 高度電力化による持続可能な社会の実現電力化によるエネルギー利用率効率化 *1 による 3E 社会 *2 実現 CO2 一人当たりの emission CO2 per/capita 排出量 Kuznets Barrier Kuznets Barrier Kuznets Barrier (GDP/Capita) 一人当たりの所得 高効率グリーンエレクトロニクス導入バリア ( コスト ) 低減による Kuznets 曲線ピーク値の低減 註 *1 :GDP あたりの電力消費削減による効率化註 *2 :Energy 安定供給 環境 (Environment) 保全 経済 (Economy) 成長 2008 年 NEDO 調査 :2050 年における省エネルギー社会の実現に向けた電気エネルギー有効利用に関わるグリーンエレクトロニクス技術 NEDO フォーラム 2009 講演資料 5

6 電力のデマンド アンド サプライチェインでの効率改善が省エネの要諦 データセンタの場合 原油 輸送効率 ( タンカー 鉄道 ) 発電効率 送電効率 99% 39% 95% 無停電電源 空調機 電力変換装置 CPU 5.1~5.9 この区間の全体効率 :36.6% 初期投入エネルギー 88~93% 68~75% 3.0 この区間の全体効率 :36.6% 95% 95% 原油の 40~50% が新たな発電に使える PE による省エネ総量は発電と等価 究極の環境調和型電力 効率改善 Nega Watt 概念 最終消費エネルギー NEDO フォーラム 2009 講演資料

7 Nega Watt 発電例 : 高効率エアコン節電所 購入価格 (Euro) 電力 =1kW Old model 電力 =0.5kW New model Nega Watt 発電コスト = Energy efficiency ratio ( improved by heat pumping) ((800EU-250EU) x 1.4 $/EU) 0.5kW x 14600h Nega Watt: 節電量 節電コスト 火力発電コスト : 4.3 US-cent/kWh PV 発電コスト : 41.6 US-cent/kWh = 10.6 US-cent/kWh 全稼動時間 = 10 年 4 時間 / 日 365 日 NegaWatt( 節電所 : 究極の環境調和型電力 ) 非常に高効率で理想的なクリーンエネルギー発電と等価 NEDO フォーラム 2009 講演資料 7

8 スト低導入量 2 倍コ電力スト : ドル単価 (US$/k) 化石燃料発電コスト 太陽光発電導入シナリオ ( 米国における PV 導入の Experience Curve) Progress ratio: 導入量が当初の 2 倍になったときの PV のコスト低減率 減78% 学習投資 : 導入促進投資額 累積生産量 発電単価突破ポイント Experience Curves for Energy Technology Policy (OECD/IEA2000) NEDO フォーラム 2009 講演資料 8

9 NegaWatt 発電 ( 節電 ) 導入シナリオ NegaWatt 発電コスト = パワーエレクトロニクス導入コスト (Unit price) Nega Watt 量 ( 節電量 [ kw]) X 稼働時間 傾斜 :PE システムのコスト低減率 (Progress Ratio) NegaWatt コスト ( 通貨単位 /kwh) 学習投資 : 導入促進投資額 10kW Rectifier ECPE 高パワー密度化による PE システムの部品化が不可欠 化石燃料による発電コスト 発電単価突破ポイント 高効率 PE 装置累積生産量 NEDO フォーラム 2009 講演資料 9

10 変換効率から見た電力変換器の進歩 - 変換効率は 100% に近づきつつある 将来の予測困難 変換効率 (%) : スイッチング電源 :AC モータドライブ : サイリスタバルブ 西暦 新しい性能指標は何か? NEDO フォーラム 2009 講演資料 10

11 電力変換器の進歩を示す性能指数は何か (J. W. Kolar el. Al., Proceedings of PCC Nagoya,2007) 損失 ( 効率 ) 体積 コスト 重量 性能指数 (FOM) 技術進展の定量化 損失 : P loss /P o [%] パワー密度 :: P o / 体積 [W/cm 3 ] ワット単価 :t: [W/$] ワット重量 : P o /weight [W/g] パワーエレクトロニクス マイクロエレクトロニクス ビット密度 & ビット単価 NEDO フォーラム 2009 講演資料 11

12 出力パワー密度からみた電力変換器の進歩 100 OPD=Output power/power converter volume 10 1 General purpose inverter 0.1 Unit type S.R. Package type S.R Board type S.R. Thyristor valve 西暦 HEV APEC 07 By Hamada (Toyota) Inverter for air conditioner H. Ohashi IEEJ 122 No.3(2002)168 H. Ohashi JAPP 73 N0.12 (2004) NEDO フォーラム 2009 講演資料 12

13 Progress ratio を促進プラットフォーム例 容量 (W) 100kW 30kW 10kW 3kW 1kW 300W 100W 30W ディスクリートモジュール セラミックモジュール (IPM) R&D モールドモジュール+ プリント基板多段直並列で容量アップする技術表面実装 + プリント基板パワー SiP パワー IC+ プリント基板 ETH 現状の製造プラットフォーム右下がより量産効果が大きいプラットフォーム Vicor パワー SoC 1kHz 10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz スイッチング周波数 NEDO フォーラム 2009 講演資料 13

14 原子力発電 グリーン IT システム 電力送配電網 デマンド アンド サプライチェイン ユビキタス PE system 応用技術 社会インフラ PE システム 再生可能エネルギー 次世代ウェーハ Beyond Si グリーンエレクトロニクス 究極 CMOS 技術 シーズ技術 More Si More Than Si 集積化設計技術 次世代高パワー密度実装技術 NEDO フォーラム 2009 講演資料 14

15 グリーン IT: 次々世代 MPU 用給電システム 多段階層型構成給電システム : ストレスを分散損失低減 動的安定性素子の損失抵抗を1/100 にする技術マイクロコンバータの開発 (a) 超高速パワーデバイス (b) 高誘電体マイクロキャパシタ (c) マイクロインダクタ コンバータ (POL) 段数 多段電源安定化超小型インダクタ超小型キャパシタ 超低損失パワー素子 1 現状 1/10 1/100 低耐圧パワー素子の損失 NEDOフォーラム2009 講演資料 15

16 POL (Point of Load) とユビキタス PE ipod 携帯電話モバイル機器 パーソナルコンピュータ Sharp HP 映像機器デジタル家電 カーエレクトロニクス 機能の集積化が益々進む電子装置 システムは電力の多段変換ネットワークを使った本格的な POL によるエネルギーマネージメントの時代へ サーバ インテリジェントビルデータセンタ オフイス ホーム DC パワーシステム HP 社 HP NTT-F 社 HP NEDO フォーラム 2009 講演資料 16

17 次世代モータシステムロードマップ DC モータ 小容量 (100W) 以外は廃止の方向 誘導モータ可変速 PM モータ 三相固定速 単層固定速 コスト UP 高効率 高温動作インバータ一体化 インバータ化率 100% へ エレクトロニクスモータ化 大型機を除き PM 化システム効率 88% 96% モータ効率 :97% 98% レアメタル供給不安 システム効率 96% コスト 1/2 スイッチトリラクタンスモータ 低コスト構造 低騒音 振動 2kW/kg 90% 98% NEDOフォーラム2009 講演資料 17

18 高効率エレクトロニクスモータの概念図 SiC-SIT 電流型インバータ コントローラ内蔵 トルクリップル制御 高磁束密度, 低鉄損電磁鋼板 NEDO フォーラム 2009 講演資料 18

19 次世代社会インフラ型 PE システムとシーズ技術 BEMS 地域レベル EMS 次世代コンパクト産業ドライブ EVと鉄道の連携 新グリッド マイクログリッドスマートグリッド シーズ技術ドライビングフォース実現の手段高電圧超低損失デバイスマルチレベルインバータ ( 次世代 Siスイッチ SiC ダイヤ) ワット単価の低下高周波大容量インバータ高耐圧絶縁材料低ヒステリシス磁性体パワー密度の向上高周波トランス絶縁方式新回路トポロジイ高耐圧 High K 材料小型フィルタ次世代高効率モータ NEDOフォーラム2009 講演資料 19

20 シリコンの限界追求 PE Now More Silicon SOI 多種多様な技術の統合集積化技術 Next gen. IGBT Next gen. MOSFET 次世代統合設計体系 Large φ thin wafer Advanced CMOS More than Silicon Interconnection material AC Switch Power SiP/SoC 3D. PKG Integrated power device 極限信頼性科学 Magnetic material New circuit topology Hyper Cooling Passive component Dielectric material and Insulator Control Reliability physics Sensor Wireless Telecom. PE system Design platform SiC GaN Beyond Silicon Hetero-epi. wafer Diamond ユビキタス パワーエレクトロニクス NEDO フォーラム 2009 講演資料 20

21 パワーデバイスの限界突破技術 ワイドバンドギャップ半導体による限界突破 SiC GaN GaAs ダイヤモンド Si スイッチングデバイスとワイドバンドギャップ 半導体ダイオードのハイブリッドペア 新設計概念の導入による Si 限界の突破 MOSFET 活性層電界分布の制御 IGBT 活性層での最適蓄積キャリア分布制御 NEDO フォーラム 2009 講演資料 21

22 Present of advanced power devices Specific On-resistance [mωcm 2 ] y( x) Silicon : IGBT (incremental) : LMOS : SJ MOS SiC MOS BJT SiC-SIT JFET SIJFET GaN Comparison in on-resistance Normally on/off ISPSD 06 ISPSD 06 ISPSD 09 ISPSD 09 SiC-MOS ISPSD 09 ISPSD 08 ISPSD 08 ISPSD x Break-down voltage [v] ISPSD 09 Si-IGBT Calculated limitation NEDO フォーラム 2009 講演資料 22

23 大電力ハイブリッドペアの体積とコスト効果 (A pair: Si-IEGT and SiC-PiN) ハイブリッドペアによる 3 相インバータ試作 ±5kV-300kVA 950mm 2 inches I DC 6.9kV 500Hz 4 = 2kHz フィルター Filter Load 負荷 Higher frequency without transformer DC 5kV DC 5kV 7kV class SiC- PiN 2kHz 2= 4kHz Filter フィルタ - Load 負荷 5m Filter 5m Multiple transformer Inverter 体積縮小効果 1/5 10MW 装置での予測 Filter Inverter 5m 従来イメージ Hz NEDOフォーラム2009 講演資料 23

24 先端パワーデバイスの将来展望 ワイドバンドギャップ半導体プラットフォーム (SiC:2015~ GaN:2015 ~Diamond:2025~) Si- スイッチングデバイスと SiC ダイオードのハイブリッドペア (2013~2025) シリコンプラットフォーム (~2025) CMOS, MOSFET (SJ)/SBD, PiN メモリとロジックの融合 Si-MOS/ SiC-SBD オンチップ変換器 ( パワーとLSIの融合 ) IGBT, Thyristor/PiN オンチップ変換器 GaN-FET/GaN Diode GaAs-FET Diamond FET/ BJT/PiN 高温動作 SiC-IGBT 高温動作 SiC-PiN SiC-MOS SIT/SBD Si-IGBT/ SiC-SBD, SiC-PiN Blocking voltage [v] NEDO フォーラム 2009 講演資料 24 1k 10k

25 次世代先端デバイス産業はウェーハ産業の成立の可否で決まる 活性層厚 [μm] バルク結晶成長技術 現在 :NTD & ガスドープ将来? MCZ/MFZ? 薄膜成長技術 ( ホモ / ヘテロ成長 ) 現在 : CZ 将来? GaN Si 現在 :NTD 将来 :NTD? SiC 高速 CVD 成長 => 高温成長 ワイドバンドギャップ半導体産業は成立するか? 阻止耐圧 [V] NEDO フォーラム 2009 講演資料 25

NISSIN REPORT 2015 17 18 19 20 21 22 23 1 2 3 5 7 9 10 11 12 13 15 1,500 1,000 500 0 1,033 2012 1,099 1,071 2013 2014 150 100 50 0 71 2012 95 90 2013 2014 44.2% 18.3% 22.4% 15.1% 49.5% 1.1% 28.4% 17.5%

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