工学部 電気電子工学科

中田修平 研究室

NAKATA Shuhei
LABORATORY

地球にやさしい電気機器を目指して

世の中は電気を使う製品であふれています。電気の消費量が増えれば増えるだけ、温室効果ガス等の環境への影響が深刻になってきます。このため、損失が少なく効率よい電気の使い方が求められます。研究室では、電気機器のエネルギー損失を10分の1に低減できる次世代パワー半導体を用い、色々な使用条件の下で特性評価を行っています。性能限界を見極めることで更なる損失低減ができる使い方の提案を目指します。

キーワード

  • 次世代パワー半導体
  • 限界性能評価技術
  • 電気機器の省エネ・小型化

ニュース&トピックス

NEWS & TOPICS

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研究紹介

RESEARCH

新しい素子を用いたパワエレ機器の小型化

研究内容

パワエレ機器の電力変換部には従来Si半導体が使われてきている。近年Wide Band Gap(WBG)半導体が耳目を集めている。2016年度までの会社時代は、WBG半導体を用いて電力変換時の損失低減検証を行い、大幅低減(70%-90%減)を実現してきた。WBG半導体は優れた省エネ性能のお陰で徐々に製品化されてきています。
WBG半導体のもう一つの特徴は、高速応答性にあるが、その性能が十分活かしきれているとは言えない。
研究室では、パワー半導体の知見と回路の知見をもとに、素子の高速応答性に着目して速い速度、周波数を制御することで新たな応用分野を開拓していく予定である。

SiCパワーデバイスの限界性能

研究内容

SiCパワーデバイスは、従来のデバイスに比べて高速で動作できる特長があります。しかし、どこまで早く駆動できるかに関する実験は行われていませんでした。
今回、素子に加わる電圧を急激に変化させることのできる評価設備を新たに立ち上げ、高速動作の限界性能評価を行うことが出来るようにしました。
その結果、パワーデバイスに加わる電圧を50V/ns-100V/nsの速度で変化させると素子特性が劣化することが明らかとなりました。このことは、駆動時間を10nsより短くすると特性劣化に至ることを示しています。
今後は、劣化要因の分析を行い限界性能の向上を目指したいと考えています。

LLC型コンバータの高周波動作時の高効率化

研究内容

電力変換器の小型化にはパワー半導体を高周波でスイッチングする手法が有効であり、高速駆動が可能なワイドバンドギャップ型パワー半導体はこの適用に適している。しかしながら、スイッチング毎にスイッチング損失が発生するために、その低減が必要となる。LLC型電力変換器(図1)は、スイッチング時の素子に加わる電流及び電圧が0A、0Vにすることが可能(図2)で、大幅なスイッチング損失の低減が可能となる。今回、SiC-MOSFETを用いてLLC型コンバータを試作した。構成部品であるtransformerの巻き線を最適化することで1.4MHzでスイッチングしたときの効率96.7%を達成した(図3)。

教員紹介

TEACHERS

中田修平  教授・博士(工学)

香川県丸亀高校出身

略歴

東京大学工学部卒。同大学大学院工学研究科博士課程電気工学専攻修了。三菱電機(株)入社。中央研究所、先端技術総合研究所に勤務。加速器のパルス電磁石及び加速空洞の開発、電磁界解析技術を用いたブラウン管の電子銃及び偏向ヨークの開発、SiCを用いたパワー半導体の開発に従事。FEDプロジェクトグループサブプロジェクトマネージャー、SiCデバイス開発センター副センター長を経て2017年本学教授就任。

専門分野

専門:信頼性、高性能電力変換器、パワーモジュール、パワー半導体

担当科目

電子回路Ⅰ  電気エネルギー発生工学  電気電子工学専門実験A  プロジェクトデザインⅢ(中田修平研究室)  パワーエレクトロニクス  専門ゼミ(電気電子工学科)  電気機器・制御工学研究(中田修平)  電気機器・制御統合特論  

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