パナソニックにおける省エネルギー技術開発...パナソニックにおける...

パナソニックにおける省エネルギー技術開発

- ＮＥＤＯプロジェクト成果より -

2015年 2月13日

NEDO FORUM イノベーションで拓く明るい未来 – NEDO成果報告会 -

TS-13 省エネルギー技術の現状と展望

パナソニック株式会社ｵｰﾄﾓｰﾃｨﾌﾞ＆ｲﾝﾀﾞｽﾄﾘｱﾙｼｽﾃﾑｽﾞ社技術本部

上田哲三

Engineering Division, Automotive & Industrial Systems Company

講演内容

パナソニックの目指す姿：地球環境への貢献

省エネルギー技術開発 NEDOプロジェクト（パナソニック担当）

パナソニックにおける開発成果事例

真空断熱材実用化開発/実証研究

2003-2007年高性能、高機能真空断熱材

GaN(窒化ガリウム)パワーデバイス実用化開発

2008-2010年インバータ高効率化のためのGaN双方向スイッチ

2011-2013年 GaN DC系電力変換デバイス

まとめ



パナソニックの目指す姿

お客様視点に立ち、よりよいくらしの実現に貢献する “Ｂｅｔｔｅｒ”→ より環境に良い・地球環境に貢献する価値を含む

ＡＩＳＡＰ

自動車

ＥＳＡＶＣ

美容健康

住宅産業

航空

公共流通小売

Your Business Your

Community

Your Home Your Car

Your Journey

Cloud Cloud

家電


パナソニックグループの４戦略領域

デジタルコンシューマーからＢtoＢを中心とするソリューションへ

いずれの戦略領域においても省エネルギー技術が非常に重要


省エネルギーに貢献した主な商品：2013年度事例


省エネ事例：Ｆｕｊｉｓａｗａサスティナブル・スマートタウン

2014年11月 GRAND OPEN


省エネ技術開発 NEDOテーマ① （ﾊﾟﾅｿﾆｯｸ担当直近10年）

テーマ名実施期間担当部

高性能、高機能真空断熱材の実証研究 2005－2007年度省エネルギー技術開発部

高密度実装技術を用いたＣＯ2ヒートポンプ給湯器の小型化開発

2005－2007年度省エネルギー技術開発部

CO2冷凍システムの高効率化技術の開発 2005－2007年度省エネルギー技術開発部

セラミックス製熱交換器と新形式リニア発電機を用いた次世代エンジンの開発

2005－2007年度省エネルギー技術開発部

多層膜磁石による省電力小型モータの開発 2005－2007年度省エネルギー技術開発部

次世代大型低消費電力ＰＤＰ 2007－2010年度電子・情報技術開発部

インバータ高効率化のためのGaN双方向スイッチの研究開発

2008－2010年度省エネルギー部

住宅分野向けノンフロン型省エネ冷凍空調システム開発事業

2008－2009年度環境技術開発部

極低電力回路・システム技術開発 2009－2012年度電子・情報技術開発部

未利用熱エネルギー（排熱，太陽光等）からの大出力発電装置開発

2009－2010年度技術開発推進部

（HEMS，BEMS，蓄電池等は除く）


省エネ技術開発 NEDOテーマ② （ﾊﾟﾅｿﾆｯｸ担当直近10年）

テーマ名実施期間担当部

次世代高効率・高品質照明の基盤技術開発 2010－2013年度電子・材料・ナノテクノロジー部

低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト 2010－2014年度電子・材料・ナノテクノロジー部

自立型システムのための熱発電デバイスの研究開発 2011－2013年度省エネルギー部

GaN DC系電力変換デバイスの研究開発 2011－2013年度省エネルギー部

CO2/HFO系混合冷媒を用いた高効率業務用空調機器技術の開発

2011－2013年度環境部

二酸化炭素冷媒で作動する圧縮吸収ハイブリッドサイクルの研究開発

2011－2012年度省エネルギー部

加熱炉の排気熱循環システムの開発 2014－省エネルギー部

高耐熱性ドアパッキンの開発 2014－省エネルギー部

高効率スポット照明用レーザ光源の開発 2014－省エネルギー部

ＧａＮ双方向電力変換機の研究開発 2014－省エネルギー部

省エネルギー化センサシステム普及拡大のための環境発電デバイス実装事業

2014－電事・材料・ナノテクノロジー部

（HEMS，BEMS，蓄電池等は除く）


真空断熱材の研究開発(2003-2007年度)

従来の真空断熱材における課題

フレキシブル性がない----平板状のため、冷蔵庫のような平面構造体への適用に限定。応用展開性に難点。後加工性に難----切断や釘打ちにより、全体にわたって真空ブレークが発生。

U-Vacua（高性能真空断熱材）ノンフロン・省エネ冷蔵庫への適用

高断熱性能：0.0020W/mK

構成と特長

ガラス繊維成形ボード

芯材水分吸着材

外被材:ﾗﾐﾈｰﾄﾌｨﾙﾑ消費電力量１５０kWh/年

１０年前の約１／８を実現

内圧：１０Ｐａ２００２年１０月発売

http://prodb.matsushita.co.jp/product/info.do?pg=04&hb=NR-F461A


真空断熱材開発成果：実用化開発

冷凍冷蔵庫用に開発した真空断熱材を，①実用化開発，②実証研究の二段階で技術開発を行い，高性能化と共に建材等への適用を加速した

実用化開発「高性能，高機能真空断熱材の研究開発」（２００３－２００４年度）

チップ状の真空断熱材の集合体個々が独立した真空断熱材

真空ﾌﾞﾚｰｸ部

切断可能

2006年度省エネ大賞

（経産大臣賞）


真空断熱材開発成果：実証研究

実証研究「高性能，高機能真空断熱材の実証研究」（２００５－２００７年度）

ハイブリット断熱材

＜真空断熱材ハイブリッドボードを開発＞ ●壁を厚くせずに次世代省エネ基準達成 ---- 従来施工方法で実施可能 ⇒ ・２００８年アキレス様「ブイパックボード」商品化・２０１２年パナソニック内貼断熱システム商品化

アキレス様彦根工場内に実験棟を建て実証．


真空断熱材開発成果：断熱性能の向上

NEDO成果

高性能化の取り組み


ＧａＮ（窒化ガリウム）パワーデバイスへの期待

市場の省エネ性能要求に対し現行Ｓｉデバイスは限界、化合物デバイス(GaN/SiC)

市場立上りが期待、高出力、ＧａＮは高速スイッチング用途（小型化）で有望

パワーデバイス進化による

省エネ（高効率）、小型化ニーズの高まり

世界通信基地局消費電力２５００億ｋＷｈ（2008）

データセンター

UPS Batt

空調

ラック

電源

世界データセンター消費電力２６２８億ｋＷｈ（2011）

通信トラフィックは 5年で13倍

EV,HEVの市場

-

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

EV HEV　S HEV　L

EV、HEV市場は

10年で3倍

電力(W)

１０

１００Ｍ

１００Ｋ

１０Ｋ

１Ｋ

１００

１０Ｍ

１Ｍ

１０１Ｋ１００

PVインバータ (大電力用途）

風力発電鉄道

高出力

シリコン AC-DC (PFC)

産業用インバータ

パソコン (DC-DC)

データセンタ (サーバ) (DC-DC) PVインバータ

(マイクロインバータ)

１０Ｍ１００Ｋ１０Ｋ１Ｍ

PHV、EV 高速スイッチング

動作周波数(Hz) １０Ｇ１Ｇ

～

～

ＳｉＣ

ＧａＮ消費電力増大

次世代パワーデバイスの応用分野

http://www.cisco.com/web/JP/solution/isp/ipngn/literature/images/white_paper_c11-520862-02.jpg


パナソニックにおけるＧａＮデバイス開発

パナソニックでは1999年より研究開発を開始

当初高周波応用で検討を開始、2004年よりスイッチング素子応用展開へｼﾌﾄ

2008-2010年ｲﾝﾊﾞｰﾀ高効率化のためのGaN双方向ｽｲｯﾁ

2011-2013年 GaN DC系電力変換ﾃﾞﾊﾞｲｽ

NEDOﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ


パナソニックＧａＮパワーデバイスの特長


ＧａＮインバータによる省エネルギー化

インバータは省エネルギー化実現のためのコア技術であり、高効率化が強く求められている

GaNパワーデバイスにより大幅な省エネルギー化実現が期待

家庭での電力消費内訳家電製品のインバータ化率

出典：エネルギー白書

エアコン25.2%

冷蔵庫16.1%

照明用16.1%

テレビ9.9%

その他機器20.2%

食器洗浄乾燥機

1.6%衣類

乾燥機2.8%

温水洗浄便座3.9%

電気カーペット4.3%

エアコン冷蔵庫

6000万台 8000万台

23%インバータ

5%インバータ

ノンインバータ


家庭での電力消費内訳家電製品のインバータ化率

出典：エネルギー白書

エアコン25.2%

冷蔵庫16.1%

照明用16.1%

テレビ9.9%

その他機器20.2%

食器洗浄乾燥機

1.6%衣類

乾燥機2.8%

温水洗浄便座3.9%

電気カーペット4.3%

エアコン冷蔵庫

6000万台 8000万台

23%インバータ

5%インバータ



年間消費電力（１台当り）

冷蔵庫エアコン

3000kWh/年 1000kWh/年

ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ

ｲﾝﾊﾞｰﾀ



ｲﾝﾊﾞｰﾀ


冷蔵庫エアコン

3000kWh/年 1000kWh/年


ｲﾝﾊﾞｰﾀ



ｲﾝﾊﾞｰﾀ

ｲﾝﾊﾞｰﾀ搭載機器とﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ機種の消費電力比較

ｸﾞﾛｰﾊﾞﾙ市場でのインバータ化を促進（ｴｱｺﾝ23%→50%、冷蔵庫5%→10%とした場合）１２０億kWh節電８基の火力発電所相当

環境効果

CO2換算すると,４００万ｔ削減 (日本の年間総排出量13億tの 0.3%相当削減）

実用化開発：ｲﾝﾊﾞｰﾀ高効率化のためのGaN双方向ｽｲｯﾁ(2008-2010年)


ＧａＮ双方向デバイスによる高効率インバータ

ﾓｰﾀ

ﾓｰﾀ

IR IF

IR

IF

電圧

電流

IR

電圧

電流

IF

VF VF IGBT オフセット

ダイオードオフセット

損失 = VF・IF + VF・IR

損失 = Ron・IF2 + Ron・IR

2 → 0

Si系インバータ

GaNインバータ

IGBT ダイオード FRD

GaN トランジスタ

IF：駆動電流、 IR：還流電流

FRD：Fast Recovery Diode （高速リカバリダイオード）

GaNトランジスタでは電圧オフセットがなくオン抵抗が小さいため、損失を大幅に低減可能

電圧

電流

IF

RON

電圧

電流

IR

RON

電圧

電流

IF

RON

電圧

電流

IR

RON

電圧

電流

IF

RON

電圧

電流

IR

RON

電圧

電流

IF

RON

電圧

電流

IR

RON


ＧａＮインバータの評価評価装置構成

モータ

GaNﾄﾗﾝｼﾞｽﾀゲート回路

制御用マイコン

M 商用電源

P F C

PFC制御

出力電力測定位置

GaNインバータボード入力電力測定位置

GaNﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ専用ﾄﾞﾗｲﾊﾞＩＣ

エアコン評価の様子

評価に使用したモータ

(ｺﾝﾌﾟﾚｯｻ)

評価ボード表面評価ボード裏面


ＧａＮインバータによる損失低減

92

93

94

95

96

97

98

99

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

GaNインバータとして世界最高の99.3%効率（1.5kW出力時）を確認

IGBT インバータ

GaN インバータ

99.3%

DC バス電圧 250V キャリア周波数 4kHz デッドタイム 2μs

0

2

4

6

8

10

12

14

16

導通損失

損失 11.3W

損失 4.4W

60%低減

IGBT インバータ

GaN インバータ

ｽｲｯﾁﾝｸﾞ損失

ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ損失

出力電力 (W)

効率

(%)

損失

(W

)

インバータ損失の出力依存性 500W出力時の損失分析


ＧａＮワンチップインバータＩＣ

1mm

電源ライン

GNDライン

モータに接続

GaN-GIT

素子分離領域

U V W

ゲートQ1 Q3 Q5

Q2 Q4 Q6

MU VW

電源ライン

GNDライン

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

MU VW

電源ライン

GNDライン

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

85

90

95

5 10 15 20 25

出力 (W)効

率(%)

GaNインバータIC

IGBT

変換損失4.8%

変換損失8.3%

チップ写真効率の出力依存性

超小型インバータを可能とする、GaNインバータＩＣの動作を世界で初めて確認

IGBTインバータと比較し変換損失を42％低減


ＧａＮＤＣ電力変換デバイスによる省エネルギー化家庭内の機器内外で多段に電力変換が行われ、各段階で損失が生じる

材料物性に優れたGaN（窒化ガリウム）デバイスにより大幅な低損失化が可能

実用化開発： GaN DC系電力変換ﾃﾞﾊﾞｲｽ(2011-2013年)


ＧａＮパワーデバイスを用いた電源ソリューション

ＧａＮパワーデバイスを用いた電源回路構成例

高周波動作のインパクト

DC-DCｺﾝﾊﾞｰﾀｻｲｽﾞの周波数依存性

電解コンデンサ


ＧａＮＰＯＬ大電流・高周波(～５ＭＨｚ)動作

5MHz、50Aでの動作確認、高周波

動作によりモジュール面積を低減

従来のSi、GaNと比較して高効率・

大電流動作を実現

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 10 20 30 40 50

Iout (A)

効率

(%)

1MHz

2MHz3MHz

5MHz

Vin=12V、Vout=1.2V

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 10 20 30 40 50

Iout (A)

効率

(%)

1MHz

2MHz3MHz

5MHz

Vin=12V、Vout=1.2V

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50Iout (A)

効率

(%)

Panasonic GaN(Fsw=1MHz)

GaN報告値(Fsw=1MHz)

GaN報告値(Fsw=1.2MHz)

Si-MOS(Fsw=1MHz)

Vin=12V、Vout=1.2V

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50Iout (A)

効率

(%)

Panasonic GaN(Fsw=1MHz)

GaN報告値(Fsw=1MHz)

GaN報告値(Fsw=1.2MHz)

Si-MOS(Fsw=1MHz)

Vin=12V、Vout=1.2V

従来POLﾓｼﾞｭｰﾙとの効率比較大電流動作時の効率特性

50A動作確認

従来Si、GaNより高効率

POLﾓｼﾞｭｰﾙ写真


ＧａＮデバイスの新たな展開：電磁結合型絶縁ゲート駆動素子

非接触電力伝送を用いた新たな絶縁ゲート駆動方式を提案、その動作を確認

Drive-by-microwave チップ写真


まとめ

パナソニックにおけるNEDOプロジェクト成果事例

真空断熱材実用化開発/実証研究

• 冷蔵庫用真空断熱材を高性能化、建材等への新応用展開を加速

GaN(窒化ガリウム)パワーデバイス実用化開発

• 高効率インバータ動作、インバータICの動作を確認

• DC-DCコンバータ（POL)の5MHz動作を確認

• 新たに電磁結合型絶縁ゲート駆動素子を提案(Drive-by-microwave)


GaNパワーデバイスは量産化に目途、サンプル出荷開始

2013年3月新聞発表「耐圧６００Ｖで連続安定動作可能なＧａＮパワートランジスタ」

半導体・オブ・ザ・イヤー2013 優秀賞受賞！


ＮＥＤＯプロジェクトへの期待

非連続な

技術開発

提供価値

時期

さらなる省エネルギー社会実現には非連続な技術開発が必要不可欠です

引続きＮＥＤＯプロジェクトを通しての革新的技術開発に期待しておりますので、よろしくご支援をお願い致します

ご清聴ありがとうございました

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