活動事例

開発秘話

当社開発の製品や技術について、そのきっかけや開発過程のエピソードなどを紹介します。

「99%効率インバータ」
-よりコンパクトでパワフルなインバータをめざして-

効率を上げる意味とは

インバータは、直流電力を元にして、交流電力を作り出す装置です。

図1は、インバータにおける電力の流れを示す模式図で、インバータに入った直流電力は、大部分がトコロテンを押し出すように、そのまま、交流電力に作り変えられて出てきますが、入った電力に対して多少目減りします。この時、出力電力/入力電力が「効率」で、減った電力を「損失」と言います。たとえば、図1のように100Wの直流電力をインバータに入れて、95Wの交流電力が出てきたら、そのインバータの効率は95%です。損失の大部分は、熱となってインバータ内の電子部品を加熱し、その後、外気に放出されます。インバータは電子機器ですので熱を嫌います。このためインバータをパワーアップしようとすればするほど、熱を外気に放出するヒートシンクが大きくなります。インバータの効率を上げて、発熱を減らす事は、インバータをコンパクトにするために非常に重要です。

図1 電力の流れを示す模式図
図1 電力の流れを示す模式図

ダイオードの逆流現象

最近の半導体技術の進歩により、MOSFET (Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor = 電力用スイッチング素子の一種)の導通抵抗が著しく低減されてきました。この導通抵抗の低い素子を使えば、簡単に効率が上げられそうですが、残念ながら、導通抵抗の低いMOSFETは、内蔵している寄生ダイオード(MOSFETに構造的にできてしまうダイオード)のオフが遅い欠点のため、逆に損失が増大してしまいます。この現象は、電流が逆流するため、非常に短い時間ですが回路が短絡していますので大きな損失が発生します。このメカニズムを図2に示します。たとえば、同図のように上側主素子の寄生ダイオードに負荷電流が流れている時(1)に、下側主素子をオンする(2)と寄生ダイオードがオフするまでの期間、主回路電圧を短絡する回路が形成されます(3)。

図2 主回路短絡のメカニズム
図2 主回路短絡のメカニズム

新回路方式

何とかシンプルな回路で、この課題を解決すべく、考え抜いた末、ついにMOSFETの寄生ダイオードに低い逆電圧を印加して寄生ダイオードをオフさせる新発想「リカバリ・アシスト(Recovery Assist)回路」に至りました(図3)。この回路は、図2の場合で考えると、下側主素子をオンする(2)直前に、上側主素子に付加したリカバリ・アシスト回路(図3)を作動させ、これにより、上側主素子の寄生ダイオードをオフさせます。リカバリ・アシスト用補助電源の電圧は、15V以下の低い電圧なので、短絡した時の消費電力は、主回路電圧(約300V)を短絡した時に比べ、約1/20以下になり、大幅に低減します。回路動作等の詳細については、別資料(東芝レビュー2006年11月号)*1をご参照下さい。

この技術により、MOSFETの寄生ダイオードの課題が解決され、結果としておよそ99%のインバータ効率が達成されました(図4)。

この技術を使って20kWのモータ駆動用インバータを試作しました(図5)。このインバータは、小型ファン1個のみで冷却しており、冷却器を含めた全体積は2リットルにおさまっています。これは、現時点で世界最高レベルのパワー密度(出力/体積)です。

図3 新方式「リカバリ・アシスト」回路
図3 新方式「リカバリ・アシスト」回路

図4 インバータ効率実測結果
図4 インバータ効率実測結果

図5 20kWの試作インバータの概観
図5 20kWの試作インバータの概観

また、省エネエアコン”大清快”を製造販売している東芝キヤリア社では、この方式が図4でわかるように軽負荷領域で特に効率が高いという特徴を生かして、エアコンのコンプレッサ駆動用インバータに適用し、GDRシリーズにて06年2月から発売しており、続く06年12月発売のSDRシリーズ(図6)でも採用しています。

この技術の応用範囲は広いと考えられ、今後、家電製品を始め、多くのインバータ商品へ応用展開を図っていきたいと思います。

高効率インバータ搭載エアコン写真
高効率インバータ搭載エアコンの概観
図6 高効率インバータ
搭載エアコンの概観

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