AC-AC轉換器尤其需要薄型化
以上介紹了SiC和GaN功率元件的應用背景。下面介紹一下開篇提到的采用SiC功率元件的AC-AC轉換器，以及采用GaN功率元件的功率調節器的詳情。
輸出功率為45kW的薄型化AC-AC轉換器，其外形尺寸為進深358mm×寬282mm×厚29mm(圖1)。輸出電力密度較大，約為15kW/L.
圖1：采用SiC功率元件縮小外形尺寸
AC-AC轉換器的外形尺寸只有358mm×282mm×29mm(a)。電路主要由AC-DC轉換器和逆變器構成(b)。實際由安裝有AC-DC轉換器和逆變器采用的SiC功率元件的“功率基板”、驅動該元件的“柵極基板”以及電抗器模塊等部材構成(c)。
AC-AC轉換器由AC-DC轉換器和逆變器(DC-AC轉換)構成。具體而言，由安裝有構成AC-DC轉換器和逆變器的SiC功率元件的“功率基板”、安裝有驅動該元件的柵極電路的“柵極基板”、負責AC-AC轉換器整體驅動的“控制基板”、配備多個電抗器的模塊(電抗器模塊)、電源模塊以及冷卻器等構成。功率基板上配備了用于傳遞電信號和散熱的銅板。功率基板的背面安裝了收放SiC功率元件的功率模塊和平滑電容器。冷卻器采用水冷方式，不僅是功率模塊，還用來冷卻電抗器模塊。
功率模塊由羅姆制造，減薄了厚度。其中，SiC功率元件配備了肖特基勢壘二極管(SBD)和雙溝道型MOSFET.雙溝道型在柵極和源極分別設置了溝道構造。由此，與普通的溝道型SiCMOSFET相比，緩和了電場集中，提高了柵極絕緣膜的耐壓。
功率模塊采用“二合一”封裝品，配備單橋臂逆變器電路，額定電壓為600V，額定電流為260A.導通電阻只有3mΩ，而且能以100kHz的高頻開關。與普通IGBT模塊的二合一封裝品相比，外形尺寸只有約1/8.功率模塊的電力損耗也只有IGBT模塊的約1/3.
實現128kW/L的輸出密度
我們把該SiC功率模塊用于AC-AC轉換器的AC-DC轉換器和逆變器。在AC-DC轉換器中用于提高開關頻率，縮小被動元件的尺寸，在逆變器中用于降低功率元件的損耗，縮小冷卻器的尺寸。逆變器部的輸出密度達到128kW/L，非常大。
此次我們把AC-DC轉換器的開關頻率設定為原來約10倍的100kHz，縮小了電抗器。因此，電抗器模塊的尺寸為186mm×126mm×27mm，縮小至采用原AC-DC轉換器時的約1/10(圖2)。
圖2：采用小型低損耗電抗器模塊
AC-AC轉換器采用了外形尺寸只有186mm×126mm×27mm的電抗器模塊(a)。磁場解析結果顯示，高磁力線密度也能構成電抗器(b)。
不過，單純提高開關頻率的話，用于電抗器內核的磁性材料的鐵損會增大，從而使得電力轉換裝置的效率降低。因此，內核采用了阿爾卑斯綠色器件制造的低損耗磁性材料“Liqualloy”注1.
注1：Liqualloy是非晶合金的一種，特點是具備與電磁鋼板不相上下的高飽和磁通密度，而且高頻成分的損耗小。
采用GaN的功率調節器準備產品化
本文開篇也提到過，采用此次的SiC功率元件的AC-AC轉換器定位為旗艦產品，所以目前還沒有原封不動投產的打算。但采用GaN功率元件的功率調節器則打算實現產品化，計劃2014年內投產。
我們開發的是輸出功率為4.5kW的家用功率調節器。以產品化為前提采用了生產效率高的技術，同時通過GaN功率元件追求了功率調節器的高效率化和小型化。因此，雖然是研發品，但與采用SiIGBT的安川電機現有產品相比，電力損耗約降低一半，體積減小40%，重量減輕約27%(圖3)。效率方面，安川電機現有產品的最大效率約為96.5%，而開發品達到了98%以上。
圖3：采用GaN功率元件實現小型化和高效率化
采用GaN功率元件，實現了功率調節器的小型化和高效率化。外形尺寸為350mm×200mm×150mm，與采用SiIGBT的現有產品相比，體積削減40%(a)。效率由現有產品的最大約96.5%提高到了98%以上(b)。
提高效率有很多種方法，但大多會使主電路變復雜，部件增多。因此，我們在盡量采用單純的主電路構造的同時，通過采用GaN功率元件并改善控制方法，把開關頻率提高到了50kHz.
主電路由升壓用斬波電路、單相輸出橋接電路和正弦波濾波器等構成。GaN功率元件用于斬波電路和橋接電路。通過高頻開關，縮小了電抗器和正弦波濾波器等的尺寸。另外，還利用GaN功率元件降低了損耗，因此效率提高，冷卻器尺寸縮小，從而為試制品的小型化做出了貢獻。
采用耐壓為600V的產品
所采用的GaN功率元件是耐壓為600V的GaN功率晶體管。此次采用GaN是因為，用于功率調節器時，與相同耐壓的SiCMOSFET相比，在成本方面和性能方面更具有優勢。
成本方面，可在廉價的6英寸口徑Si基板上制作的GaN功率晶體管比SiCMOSFET更有前景。性能方面，在耐壓600V的用途中，開關損耗和輸入容量比SiCMOSFET小。
GaN功率晶體管由美國Transphorm制造。該晶體管采用二合一功率模塊，配備單橋臂逆變器電路。額定電壓為600V，輸出電流為65A，導通電阻為34mΩ。
由于輸入容量只有相同額定電壓的超結構造SiMOSFET的1/10以下，因此柵極電路的規模非常小。柵極電路也很簡單，主要由柵極驅動IC和柵極電阻等構成。因柵極電路簡單，布線電感較小，實現了穩定的高速開關。
今后，為實現產品化，計劃降低輻射電磁噪聲、提高功率模塊的可靠性、驗證系統連接、降低電抗器的損耗等。
