安川电机拟在伺服机器人中采用SiC功率元件

引言

　　安川电机试制出了输出功率为45kW的电力转换器（AC-AC转换器），通过采用SiC大幅实现了小型轻量化。与输出功率相同的该公司现有产品“A1000”相比，体积和重量分别减至约1/25（图1）。在使输出功率与A1000保持一致的同时实现了小型化，由此，电力转换器整体的输出电力密度增至约15kW/L（A1000约为0.6kW/L）。

　　电力转换器由AC-DC转换器和逆变器（DC-AC转换）构成。试制品的逆变器部的输出密度为128kW/L，目前为业界最高，与采用SiC的竞争企业的逆变器相比，输出密度是其约2倍。安川电机自信地表示，“严格来说，虽然与竞争企业的试制品的测量条件等不同，但即便如此，128kW/L的值也为业界最高”。

　　图1：体积缩小至现有产品的1/25

　　安川电机试制出了与该公司现有产品“A1000”相比，体积只有约1/25的电力转换器（a）。通过在构成电力转换器的转换器电路和逆变器电路上采用全SiC功率模块，并提高开关频率等，实现了小型化（b）。电力转换器整体的输出电力密度约为15kW/L，仅逆变器部为128kW/L（c）。

采用双沟道产品

　　电力转换器能大幅实现小型化是因为采用了配备SiC功率元件的功率模块，并且应用了高速开关动作等适合该模块的驱动方法注1）。

　　注1） 实现技术的详情已在2012年8月举行的“平成24年电气学会产业应用部门大会”上公布。

　　功率模块和模块使用的SiC功率元件由罗姆制造。安川电机一直在与罗姆共同致力于SiC相关的研究开发。

　　功率模块为晶体管和二极管均采用SiC功率元件的“全SiC”产品。转换器部和逆变器部各使用3个SiC功率元件。该模块是在高边和低边分别安装一路晶体管和二极管的“2 in 1”产品（图2）。

　　图2：采用全SiC功率模块

　　试制品采用的全SiC功率模块是安川电机和罗姆共同开发的（a）。为降低损耗和实现小型化，晶体管采用了沟道型SiC制MOSFET（b）。（摄影：安川电机）

　　晶体管采用罗姆正在研发的“双沟道构造”SiC制MOSFET，二极管采用肖特基势垒二极管（SBD）。双沟道产品为低损耗SiC制MOSFET中损耗最小的产品。除栅极下方外，还在源极下方设置了沟道，由此可以减缓截止时栅极部分产生的电场集中，从而降低导通电阻。

还改善了被动元件

　　采用SiC与以往的Si功率元件相比可以进行高速开关。此次将转换器部的开关频率提高到了100kHz。而现有产品A1000为10kHz左右注2）。

　　注2） 试制品逆变器部的开关频率为5kHz，与A1000相同。

　　通过提高开关频率缩小了被动元件的尺寸等，为电力转换器的小型化做出了贡献。例如，输入电抗器与A1000采用的产品相比尺寸只有其1/80左右。

　　不过，提高开关频率后，电抗器内核使用的磁性材料的铁损会增大，导致电力转换器效率降低。因此，安川电机在电抗器内核中采用了称为“Liqualloy”的新磁性材料（图3）。Liqualloy是非晶合金的一种。特点是拥有与电磁钢板相当的高饱和磁通密度，而且高频成分的损耗小。Liqualloy是阿尔卑斯绿色器件（Alps Green Devices）公司制造的产品。

　　图3：还改善了周边部件

　　为缩小电力转换器的尺寸，还改善了周边部件。例如，照片中的滤波器模块为了以100kHz驱动转换器电路，与阿尔卑斯绿色器件共同试制了专用电抗器。

　　此外，为缩小电力转换器的尺寸改变了冷却方式。由原来的空冷式变为液冷式，缩小了电力转换器的冷却机构。

从2014年开始全面采用SiC

　　在此次发布试制品之际，安川电机还宣布计划2014年度内在该公司的电力转换器中应用SiC功率元件。该公司此前在展会等上公布过SiC电力转换器及马达驱动系统等的研究成果。但此次是第一次明确表示将在实际产品中采用SiC功率元件。

　　安川电机打算在电动汽车用马达和伺服马达的驱动系统、机器人装置及逆变器装置等中采用SiC功率元件。采用SiC可以使逆变器等电力转换器实现小型化。

　　此次的试制品定位为面向SiC应用的“旗舰品”。从器件到控制技术均采用最高性能水平的产品。“在汽车中就相当于跑车”（安川电机）。目前尚未确定是否直接投产试制品。安川电机打算根据用途区别使用制造试制品时培养的技术，使配备SiC功率元件的产品实现产品化。

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