日米パワエレプロジェクト比較 - nedo...2015/03/06 · 2-1....
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1
トヨタ自動車株式会社 パワーエレクトロニクス開発部
戸田 敬二
NEDO FORUM 2015.2.13
日米パワエレプロジェクト比較
~FUPET応用技術調査委員会活動より~
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2 本日の内容
1.FUPET応用技術調査委員会紹介
2.米国のパワエレプロジェクト調査
3.新材料パワー半導体プロジェクト出口
4.自動車へのSiC実用化の進展
5.まとめ
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3 1-1. 応用技術調査委員会の役割
新規ニーズの掘り起こし 10年度:スマートグリッド
11/12年度:再生可能エネルギ 13/14年度:海外プロジェクト
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4 1-2. SiC結晶の品質向上
全転位密度:EPD (個/cm2)
0
200
400
600
800
1000
1200
100 1000
貫通らせん転位密度
:TSDD(個/cm
2)
1400
10000010000
2013年12月開発品☆150mm口径基板☆TSDD~600/cm2
EPD~2000―3000/cm2
米国II-VI社2013 EPD 4900/cm2
米国CREE社2013 TSDD 830/cm2
最終目標2014年度末
中間目標2012年度末
プロジェクト開始時市販100mm口径基板TSDD~1000/cm
2
EPD~10000/cm2
米国Dow Corning社2014 TSDD 200/cm2以下
2010年時点
2015年見通し
出典:FUPET応用技術調査委員会
調査結果より
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5 1-3. SiCエピの品質向上
6インチエピの膜質でも
4インチに近い品質になった
出典:FUPET応用技術調査委員会調査結果より
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6 1-4. SiCデバイスの性能向上
出典:FUPET応用技術調査委員会調査結果より
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7 本日の内容
1.FUPET応用技術調査委員会紹介
2.米国のパワエレプロジェクト調査
3.新材料パワー半導体プロジェクト出口
4.自動車へのSiC実用化の進展
5.まとめ
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8 2-1. 日米欧パワエレプロジェクトの比較
プロジェクト名
SIPパワエレ NGPEMII Power AMERICA
NY-PEMC SPEED
規模 22億円/年
5年間
$70M(DOE)
+$70M(企業)
$135M(NY州)
+$365M(企業)
12.3Mユーロ
(4年間)
期間 2014.9~
2019.3
2014.1~
2018.12
2014.7~
5年間
2014.1~
2017.12
出資 内閣府
NEDO
DOE(国)
AMO
NY州 EU
FP7
主要
メンバー
SiC
・産総研
・早稲田大学
GaN
・京都大学
・三菱化学
・住友電工
・富士電機
・他
SiC
・Cree
・X-Fab
・NCSU
GaN
・RFMD
・Avogy
・Transphom
・他
SiC
・GE
・SUNY
GaN
・IBM
・Global
Foundries
・他
SiC
・INAEL
・ABB
・BREMEN大
・NORSTEL
・Infineon
・Fraunhofer研
・他
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9 2-2. DOE新プロジェクト NGPEMII
官民連携により、
Wide Bandgap半導体を中心とした
1.パワエレ技術の市場導入を加速
2.国内の製造業の競争力を強化
・目標は、WBG半導体デバイスとパワエレ部品の大量生産を可能とする、
先進的な製造プロセスを開発する事
・この組織は、2012年3月に提案された、
National Netwark for Manufacturing Innovationの一部
・ノースカロライナ州立大学(NCSU)が率いるこのチームは、
AMOでの競争的過程を経て選定された。
→契約に10か月かかり、11月末にやっと契約締結
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10
NCSU Device
Center
Design
Analysis
Test
Application
R&D
Universities
NCSU
CPES
UCSB
ASU
FSU
Device Fabrications *1
SiC
Main Foundry
(X-Fab)
Cree
United SiC,
Monolysic
GaN
Main Foundry
(RFMD)
Avogy
Transphorm
Module Foundry
APEI
Users
ABB
Delphi
Delta Products
Vacon
John Deere
Toshiba International
etc.
National Labs
NREL
US NRL
*1 Cree, United SiC, Avogy ,Transphormなどもデバイスを供給
ユーザー
2-3. NGPEMIIプロジェクトフレームワーク
大学、国立研究所 デバイス、モジュール
大学を設計・評価の拠点としてSiC/GaN製品の裾野を拡げるための環境整備
Power AMERICAと呼ぶことになった
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11 2-4. テクニカルレディネスレベル(TRL)
Power AMERICAでは、TRL4~7にフォーカスして研究開発を推進
TRL1: 基本原理の観察と報告
TRL2: テクノロジーコンセプトやアプリケーションの明確化
TRL3: クリティカル機能や特性の分析的および実験的コンセプト証明
TRL4: 部品やブレッドボードの実験室環境での実証
TRL5: 部品やブレッドボードの相当環境での実証
TRL6: システムモデルや試作品の相当環境でのデモンストレーション
TRL7: システム試作品の実運用環境でのデモンストレーション
TRL8: 実システムの試験およびデモンストレーション
TRL9: 実システムのミッション成功を通じた実証
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12 2-5. Power AMERICA : ヒアリング結果
ターゲットを絞り込んだため、実用化研究のみにテーマが集約された
1.TRL4~7を対象とし、米国内での製造を目的とする非常にフォーカスしたプロジェクト
→ 大学では、TRL1~3に取り組みたいので、あまりうれしくない。
2.SiCが70%、GaNが30%位であり、結果的にSiCのテーマが多くなった。
3.GaN on Siは、米国内の生産は海外との競争に勝てない。
→ 安いFab.から買えば良いので、米国内での生産にこだわらない?
4.バルクGaNは、TRL4に達しないので対象外
5.CPESは、インバイトされたがNCSUが中心でSUNY-GE連合に競り勝った。
→ CPESは、結果的に契約しなかった模様
6.モジュールは、APEIが中心になって契約
→ 契約に10か月かかり、11月末にやっと契約が結ばれた。
マネージメントは、NCSUにあるが、FREEDMとは別の小さな組織
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13 2-6. NY-PEMC:プロジェクト概要
*2014年7月15日、A. M. Cuomo州知事が発表 *New York州が$135M出資し、民間の資金を$365M集め、 $500Mのコンソーシアムを立ち上げ。
・GEが中心となり、ニューヨーク州立大学(SUNY)など、Albanyを 中心に、プロジェクトを推進。
・100社以上の企業が集まり、今後5年間で首都エリアで500人以上 の高能力者の新規雇用を生み出す。
・6インチの低コスト・高性能SiCウェーハを開発・製造し、コンソーシ アムのメンバーがこれを使った製品化を行う。
・GaNは、SEMATECHとIBMが中心となり、ロチェスターで実施。 (SiCとGaNを並行して研究開発する模様)
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14 2-7. NY-PEMC:Anticipated SiC Timeline
GEのプロセスを導入することで2年間で立ち上げる意欲的計画
出典:SUNY資料より
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15 2-8. NY-PEMC:ヒアリング結果
1.SUNYが3~5万枚/年の6インチSiCのラインを300mmラインの跡地に 8000ft2を使って、16年末までに立ち上げ → EUVステッパー1台(~100億円)より、安い投資 2.GEがプロセスエンジニア15名を投入して、MOSプロセス立上げ → GEのSiC-MOS需要は、多くても1万枚/年程度 3.ダイオードやその他のデバイスの立上げは、他企業が参画して立ち上げる ことを期待 → レシピなどの機密は、SUNYが責任を持って守る 基本のプロセスは、GEが提供したもの(第1世代のプロセス)を使える 4.出来たデバイスの製品としての品質(プロセス品質)はSUNYが保証
6インチでのSiCデバイス製造がメインでGE以外の参加がないと苦しい
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16 2-9. SPEEDプロジェクト:コンソーシアムメンバー
8か国で分散して
研究開発を実施
開発された技術の
普及や実用化支援は
FraunhoferのIISBが担当
出典:SPEEDホームページより
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17 本日の内容
1.FUPET応用技術調査委員会紹介
2.米国のパワエレプロジェクト調査
3.新材料パワー半導体プロジェクト出口
4.自動車へのSiC実用化の進展
5.まとめ
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18 3-1. 鉄道車両でのSiC普及 2014年
出典:東芝
4月 :三菱 「フルSiC適用VVVFインバータ装置」
を世界で初めて小田急が採用
(2014年4月から1000形リニューアル)
7月:JR東日本 山手線の新型車両「E235系」
がSiCパワー半導体を採用へ
(2015年3月以降試験走行、
2015年秋頃から営業運転)
9月 :東芝 SiCダイオードを採用した駆動システムを東京メトロ銀座線に納入
SiCパワー半導体を搭載する新型車両「E235系」 出典:JR東日本
全閉PMSM(左)とSiCダイオード採用のVVVFインバーター装置(右)
出典:三菱電機
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19 3-2. 自動車でのSiC実証評価
1.実験車: ベース車両 カムリ
・変更点:インバータ(外観は同じ)
Si-IGBT → SiC-MOSFET
Si-diode → SiC-JBS diode
・省エネディスプレイ
(機能追加)
Siでの消費エネルギ
マップと現在の消費
エネルギを比較表示
新材料プロジェクトのデモンストレーションとして試作し、公道走行評価実施
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20 本日の内容
1.FUPET応用技術調査委員会紹介
2.米国のパワエレプロジェクト調査
3.新材料パワー半導体プロジェクト
4.自動車へのSiC実用化の進展
5.まとめ
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21 4-1. 自動車でのSiC普及
・5%の燃費向上を確認。将来は10%の燃費向上を目指す
・インバータのサイズを現行の5分の1に小型化する
・1年以内に公道実験を開始し、2020年頃に普及を目指す
Test vehicle
SiC transistor
SiC diode *Under JC08
test cycle
トヨタ自動車SiCプレスリリース(2014.5.20)
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22 4-2. FCバス概要
SiCダイオード パワーモジュール FC昇圧
コンバータ
FCスタック (燃料電池)
FCスタック 2セット
・昇圧コンバータにSiCダイオードを搭載 ・豊田市の路線バスとして1月9日より営業運行中
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23 本日の内容
1.FUPET応用技術調査委員会紹介
2.米国のパワエレプロジェクト調査
3.新材料パワー半導体プロジェクト成果
4.自動車へのSiC実用化の進展
5.まとめ
![Page 24: 日米パワエレプロジェクト比較 - NEDO...2015/03/06 · 2-1. 日米欧パワエレプロジェクトの比較 8 プロジェクト 名 SIPパワエレ NGPEMII Power AMERICA](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050600/5fa7d4e09ac1ab1beb0913c1/html5/thumbnails/24.jpg)
24 5. まとめ
米国のプロジェクトの良いところ ・大きなビジョンが描けている
・デモンストレーションがしっかりしている
・研究マネージメントがしっかりしている
・ベンチャービジネスを活用している
・国のプロジェクトだけでなく、州のプロジェクトも充実
・国の研究所にも競争原理が働いている
・実用化研究にしっかり取り組んでいる
・大学での人材育成が充実している
日本のプロジェクトの良いところ ・基礎研究にしっかり資金を出している
→ SiCは、スパイラルアップで長期間取り組み
・日本の企業の強い部分が活かせている
隣の芝生は
青い