IoE社会のエネルギーシステム テーマA

研究開発項目:B
「IoE共通基盤技術」

  • 担当サブPD
    髙橋 良和
    東北大学 国際集積エレクトロニクス研究開発センター 教授

研究開発の背景・目標

エネルギーと情報が融合する社会(IoE社会)のエネルギーシステムにおいては、エネルギーを生み出す機能および蓄積する機能の他に、柔軟なエネルギーマネジメントを可能とするエネルギーの伝送技術と、さらにこれらをつなぐインターフェースとしてエネルギーの変換を担うパワーモジュールが必要となります。 現状のパワーモジュールは、アプリケーションごとのカスタム品が多く、今後予想される爆発的増加に対して開発者不足・開発効率の悪化が予想されます。また、アナログ制御に対応しているため不規則な電源変動などに対応した瞬時フィードバック、予測、パワーエレクトロニクスネットワーク間での通信には不向きです。これらの欠点をブレークスルーするために、超高速デジタル制御とコアモジュールで安価が期待されるWBGデバイスを自在に組み合わせることでユニバーサル性とスマート性を両立させ、IoE社会でのエネルギー変換のイノベーションを創出し、当該パワーエレクトロニクス製品の開発効率の向上にも寄与するユニバーサルでスマートなパワーモジュールの開発が期待されています。 IoE社会では、エネルギー需要の増加とその消費形態の多様化に対応しうる、柔軟な接続性と制御性を持つ電力伝送技術が必要となります。この要求に応えるWPT技術は、携帯機器への充電や停車中EVへの給電システムなど実用化されていますが一部となっています。WPT技術の選択肢と適用分野を広げる意味で、また伝送能力の大容量化と機器の小型化を可能とする技術として、MHz帯およびマイクロ波帯を用いるWPT技術の開発が期待されています。 テーマ(B)では、①「エネルギー変換」と②「エネルギー伝送」のイノベーションに資する技術を遂行していきます。

B-① エネルギーデバイスへの応用を見据えたIoE共通基盤技術

再生可能エネルギーを含めた多様な入力電源に対応可能な、USPM(汎用性のある高機能パワーモジュール/Universal Smart Power Modules)の開発により、パワーシステムの総コスト低減を目指します。また、材料技術の進展を活用した高速でのスイッチングが可能となるUSPMを開発します。 本研究では、3つの開発研究テーマに取り組みます。

USPMの具体的な機能

  • ユニバーサル性 : コアパワーモジュールと高速デジタル駆動制御を駆使し、Wide Band Gap(WBG)デバイスの優れ
  • た特性を極限まで活かし、数々の異なるパワーエレクトロニクスアプリケーション、機種に対応
  • スマート性 : デジタル制御により負荷状況やユニット間特性差に応じて最適に制御可能
  • 低コスト : コアパワーモジュールを標準化し個別設計を最小限とする。次ページへ→GaN、Ga2O3デバイス適用領域Ga2O3適用デバイス例USPMの具体的な機能USPMにおける新WBG+高速デジタル制御+ユニットモジュールの組合

(1)超高速デジタル制御を有するノイズフリーUSPMとその応用技術の開発

(2)高パワー密度、高温動作可能なWBG チップ搭載パワーモジュール

(3)コランダム構造酸化ガリウムを用いたパワーMOSFETの開発

B-② WPTシステムへの応用を見据えたIoE共通基盤技術

新しい電力供給形態として期待されるワイヤレス電力伝送(WPT)システムとして、MHz帯を用いた非放射型電力伝送システムおよびマイクロ波帯を用いた放射型電力伝送システムの基盤技術を開発します。それぞれのワイヤレス電力伝送システムにおいて小型化、高効率化、大電力化に適したデバイスおよび回路の研究開発を実施し、13.56MHz帯と5.8GHz帯において電力伝送システムとして機能の実証(POC)を行います。この研究開発成果により、IoT社会で多様化する電力消費要求に応えるとともに、社会全体のエネルギーマネジメント効率化、脱炭素化に寄与します。