PDF《基础和尖端技术》

展望 基础和尖端技术 基础技术 尖端技术 基础和尖端技术2014 年度的技术成果与展望 167(51) 富士电机技报

2015 vol.

C7 no.3 电力电子技术等能源相关领域作为今后的增长领域值得 期待.因此,将继续开展产官学合作的大型项目.我们通过 这些项目改善了环境,作为继日本过去一直保持竞争力的 Si 功率半导体后的新时代功率半导体, 开发出 SiC (碳化硅) 、 GaN (氮化镓) 等宽禁带半导体材料,并还能推动使用这些 材料的电力电子设备的相关研究开发. 为实现功率半导体和电力电子设备的产品化,必须要有 各个部分的核心技术以及能很好的汇总这些技术的结合技术. 功率半导体的核心技术包括 : 形成作为基础的高品质半导体 的技术,在基板上制造外延层的制膜技术,以离子注入方式 掺杂杂物后进行 p/n 控制的技术,光刻技术,沟槽形成技 术,绝缘膜形成技术,形成肖特基接合和欧姆接合的半导体 金属接合技术等工艺相关技术,以及工艺中各工序的通用基 础技术.我们将结合这些核心技术,设计并建立满足目标性 能和成本的元件与工艺,从而完成功率半导体元件.在宽禁 带半导体的研究开发中,提高各核心技术水平本身就是重要 且难易度较高的尖端技术开发工作,然而为最终使功率半导 体元件成为具有竞争力的产品,更好的汇总核心技术,提高 在成本和性能方面的竞争力则尤其重要.功率半导体元件和 端子部通过电路连接的技术,为了绝缘和耐久性采用了封装 技术,电力电子设备使用制造好的功率半导体模块,以及将 这些电力电子设备作为关键组件的电力系统,随着提高元件 性能,也需要满足同样的要求. 富士电机将功率半导体和电力电子设备定位成核心技术 中的核心,对所需的基础技术和尖端技术进行研究开发,利 用测量和控制技术使这些核心技术系统化,从而加强研发了 与电能及热能的相关解决方案.我们针对自己公司尚未拥有 的尖端技术,积极参与产官学合作项目和共同研究,并努力 获得这些尖端技术. 我们在 SiC 相关方面,针对技术研究工会新时代电力 电子研究开发机构开发的可高速成长的立式 CVD 炉,开发 出可推测外延膜成长速度的仿真技术.另外,我们与日本 国立研究开发法人产业技术综合研究所共同开发出 SiC- 沟 槽型 MOSFET,其为 3.3 kV 级别,与传统刨床型相比实 现了降低 20% 的低接通电阻.而且我们开发出 SiC-SBD, 充分发挥反向恢复损耗小的特点,可以使变频器产生损耗 降低 25%.另外,我们为开发这些半导体元件,运用放射 线绘图和分光分析等各种分析技术,对每个工序的缺陷种类、 位置、基板应力和变形进行追踪评估,为建立发生层叠缺陷 较少的工艺技术作出了贡献. 在电力电子设备方面,我们应对小型化和高密度化,通 过电磁场分析和热流体分析的结合将损耗分布作为发热条 件反映出来,确立的分析方法能比过去更高精度地预测温 度.另外,在IEC (国际电工委员会) 上制定了很多国际标 准,富士电机在这种情况下积极应对,其活动功绩得到好评. 除此之外我们为实现电热系统以及为电热系统提供支 持的组件的高性能化,并提高安全性,进行了各种开发活 动.在太阳能发电系统保护技术方面,我们为了能推测因打 雷等产生过电流的情况,而开发出了系统保护装置及其安装 技术.在应对高温焊锡接合材料方面,我们为保证可通过高 功率密度化实现电力转换设备的高输出化和小型化,而开发 出了无铅焊锡合金,其高温连续运行寿命约为过去的 2.6 倍. 在电弧耦合分析技术方面,我们以假设配电柜内部会发生短 路故障为前提,开发出了三维简易有限体积法热流体分析和 电弧耦合分析的分析工具,该分析工具不仅能考虑到了配电 柜形状和放压结构,还能大幅削减分析时间 (与传统相比为 1/100 左右) . 富士电机今后还将挑战有助于电能热能技术创新的尖端 技术,并运用为这些尖端技术开发提供支持的基础技术,不 断提高研究开发的质量. 基础和尖端技术2014 年度的技术成果与展望 168(52) 富士电机技报

2015 vol.C7 no.3 图1 SiC 基底面错位 (BPD) 的放射线绘图图像 为新时代功率元件开发提供支持的分析解析技术 为提高 SiC-MOSFET 的可靠性,元件结构中的晶体 缺陷控制不可或缺.本质上将基板内存在的晶体错位变成无 害形态,最终消除外延膜中产生的层叠缺陷,这种技术尤其 是关键.晶体错位会因工艺各阶段中产生的热应力和机械应 力发生变化,但变化过程在此之前尚不明确.富士电机运用 放射线绘图和分光分析等各种分析技术进行分析,对从基板 到元件的每个工序的缺陷种类、位置、基板应力和变形进行 了追踪评估.在此基础上,控制在元件制造工序中发生的缺 陷,实现了高可靠性 SiC-MOSFET,其运行时 MOSFET 特性变化为过去 1/5 以下. 基板 BPD BPD BPD BPD 热处理后 外延 基板偏角 (Off-angle) SiC基板 (a) 由基板传导的BPD BPD BPD (b) 通过界面错位传导的BPD [11-20] BPD BPD 界面错位 界面错位(变形) 外延制膜后 :错位线 基础技术 图2 太阳能发电系统安全运用的相关产品和技术 太阳能发电系统的保护技术 随着太阳能发电系统的普及扩大,对分散型发电设备安 全运用的需求正不断增加.富士电机除了开发保护系统所需 的装置外,也正在开发能适当选择并安装该装置的技术.至 今为止,我们开发出能分析由短路所造成的系统电压和电流 状态的分析技术,能用于选择短路器,开发出能推测由打雷 产生的过电压的分析技术,能用于选择避雷器.目前我们正 在对快速检测电路接触不良和电缆断线引起的电弧故障的技 术进行开发.今后,我们将字符串监视装置和绝缘监视装置 等进行组合使用,不断设计出更安全的系统. -20

0 20

40 80

100 60 时间(μs) 分析波形 实测波形 电压(任意刻度) 推测过电压 打雷产生过电压:推测过电压, 选择避雷针,最佳配置. 因电缆断线等产生电弧: 检测电弧发生,切断故障系统 (正在开发) . 字符串 连接箱 字符串 连接箱 绝缘监视 单元 Vigilohm PCS 断路产生的电弧 断路器 PV 字符串 监视单元 图3 电力电子相关国际标准 支持电力电子设备相关国际标准 电力电子设备领域方面,在IEC (国际电工委员会) 上 制定了很多国际标准.近年来标准审议数量增加,为了在全 球市场上进行推广,必须参加到审议中,并开发出应对技 术,富士电机也积极应对这些工作.在驱动器效率标准方面, 我们以 JEMA 共同开展的试验结果为基础,将测定方法和 测定顺序由日本推向国际审议中,并作为先驱将内容反映在 IEC 标准草案中.富士电机的高频放射国际标准 CISPR11 第5.1 版修改版的活动功绩受到好评,并荣获了 IEC1906 奖.而且,我们对太阳能发电装置用系统并网电力转换装 置引进 EMC 要件 CISPR11 的功绩受到好评,身为 JEMA 分散型电源 EMC 讨论委员会小组的一员荣获了电机工业技 术功绩者表彰. 铁道:TC9 TC22: 电力电子系统和装置 系统、产品 设计、器件、概念 软件:JTC1/SC7 EMC:TC

77、CISPR EMF:TC106 器件:TC47 其他 TC

42、TC

89、TC

2、 TC

23、TC

56、TC64 EV:TC69 太阳能:TC82 智能电网: TC

8、TC57 风力发电: TC88 机械安全:TC44 功能安全:SC65A 产业用网络: SC65C 基础和尖端技术2014 年度的技术成果与展望 169(53) 富士电机技报

2015 vol.C7 no.3 图4 利用电磁场与热流体结合对电抗器温度进行分析的示例 电抗器设计的热仿真技术 近年来电力电子设备的小型化、高密度化得到发展,在 装置热设计中要求提高电抗器、变压器等磁性零件的温度预 测精度. 损耗计算精度对于高精度地求出温度而言非常重要,我 们在电磁场分析中考虑磁特性和漏磁通造成的涡流损耗,力 争通过模型化提高精度.而且,我们利用电磁场分析和热流 体分析的结合将损耗分布作为发热条件反映出来,确立了能 比过去更加高精度地预测温度的分析方法.如此便可通过分 析掌握高温度点等详细的温度分布,可提高电抗器冷却结构 的设计精度. 今后,我们将本方法运用在装置设计中,力争减少试制 次数,并缩短开发时间. 基础技术 温度 高低图5 利用视觉反馈控制的电子零件安装 机器人操作的视觉反馈控制 近年来使用机器人的自动化得到发展,但是在依靠人 类感官 (视觉、力觉、触觉等) 的作业中,尚未达到实际应 用水平.因此,为保证机器人像人类一样根据情况采取行动, 我们正开发机器人的自律控制技术,该技术将视觉信息、力 觉信息等实时反馈,控制机械臂轨道和进行作业时的力度. 本次我们开发出将视觉信息用于机器人反馈控制的电子 零件自动安装技术.将电子零件插入印刷基板时,用2台摄像头捕捉导线顶端和通孔中心,逐步修正机械臂轨道使上 述两者在各摄像头图像上一致,从而可高精度地插入,而不 会因位置偏移导致插入失败. 尖端技术 *本刊记载的公司名称及产品, 有可能是各相关公司的商标或注册商标.