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(1)

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

(2)

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

パナソニックにおける省エネルギー技術開発

(3)

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

ＡＩＳ

ＡＰ

自動車

ＥＳ

ＡＶＣ

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

(4)

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

(5)
(6)

省エネ事例： Ｆｕｊｉｓａｗａ サスティナブル・スマートタウン

(7)

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）

(8)

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）

(9)

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：0.0020

W/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：１０Ｐａ

２００２年１０月発売

(10)

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）

(11)

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．

(12)

真空断熱材 開発成果： 断熱性能の向上

NEDO成果

(13)

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 １０ １００ １Ｋ 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) １０Ｍ １００Ｋ １０Ｋ １Ｍ

PHV、EV

高速スイッチング

動作周波数(Hz)

１０Ｇ １Ｇ ～～

ＳｉＣ

ＧａＮ

消費電力

増大

次世代

パワーデバイス

の応用分野

(14)

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

(15)
(16)

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 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 ノン インバータ ノン 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 年間消費電力（ １ 台当り ） ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ ｲﾝﾊﾞｰﾀ 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 年間消費電力（ １ 台当り ） ﾉﾝｲﾝﾊﾞｰﾀ 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

CO

2

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)

(17)

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

I

R

I

F

I

R

I

F 電圧 電流

I

R 電圧 電流

I

F

V

F

V

F IGBT オフセット ダイオード オフセット

損失 =

V

F

・I

F

+

V

F

・I

R

損失 =

Ron・I

F

2

+

Ron・I

R

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

I

F

：駆動電流、

I

R

：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

I

F

R

ON

電圧 電流

I

R

R

ON

電圧 電流

I

F

R

ON

電圧 電流

I

R

R

ON

電圧 電流

I

F

R

ON

電圧 電流

I

R

R

ON

電圧 電流

I

F

R

ON

電圧 電流

I

R

R

ON

(18)

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

(19)

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

(20)

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

M U V W 電源ライン GNDライン Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 M U V W 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

(21)

ＧａＮ ＤＣ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

(22)

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

(23)

ＧａＮ ＰＯＬ 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

2MHz

3MHz

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

2MHz

3MHz

5MHz

Vin=12V、Vout=1.2V

50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 Iout (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 50 Iout (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

(24)

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

(25)

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)

パナソニックにおける省エネルギー技術開発

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！

(26)

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

(27)

参照

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