産業用／EV用インバータ駆動モータ・パワーモジュール・ポリマー材料の高電圧絶縁技術

セミナー趣旨

　今、世界はカーボンニュートラル社会に向けて急加速している。2050年頃までに地球温暖化ガスである二酸化炭素(CO2)の排出量実質ゼロを目標に掲げ、進化するパワーエレクトロニクス技術を基盤に幅広い産業分野において電動化が叫ばれている。インバータ駆動モータは、電気自動車(EV)だけでなく、電気製品、産業用機器、建設機械、鉄道車両、高速エレベータ、等々の幅広い市場で急速に生産が拡大している。また、次世代パワーモジュールによるインバータの高速スイッチング化によるバッテリー消費の高効率化が進められている。しかしながら、この電動化システムにおいて新たに危惧される最大の技術課題は、高電圧化によるインバータから繰り返し発生する立ち上がりの急峻なサージ電圧によるモータ内での微小な部分放電発生による絶縁破壊である。この高繰り返し単パルスで微弱な部分放電の精度の高い計測と高電圧絶縁技術が電動化のための今最大の技術課題である。

　モータの急速な劣化損耗はインパルス波形のサージ電圧によって発生する部分放電が原因であるが、その発生メカニズムや計測の方法は、従来のAC電圧の場合と比べて大きく異なっており、十分に理解されていない。その理由は、ナノ秒時間スケールの部分放電現象の発生が様々な環境要因で複雑に変化するためである。部分放電についてよく理解できない理由でブラックボックスとして無視しないことが肝要である。ここでは、部分放電を十分理解し、「いかに絶縁破壊につながる部分放電を発生させないか！」の基本対策について、基礎知識から応用まで詳しく解説する。
EV時代、車両モータは小形軽量化とともに、搭載の昇圧システムによる高電圧化、高回転・高出力化の競争が激しさを増している。過酷な使用環境条件下におけるEVモータの劣化対策、新モータ構造開発、絶縁シートレス、それに適した高耐熱性、高熱伝導性、高耐圧性のある高機能な平角巻線とそのポリマー絶縁材料の実用的な評価試験とその結果の解釈のポイントについて解説する。

　パワーエレクトロニクスにおいて、ワイドギャップバンド半導体（SiC, GaN）が用いられるようになると、高速スイッチングによる効率化や制御性が向上する。しかし、高周波化により、パワーモジュール内で部分放電が発生し易くなり、絶縁破壊が起きて破壊することが危惧される。モータとは異なるそのメカニズムと対策としての材料の高機能化の開発状況、評価試験方法について解説する。

習得できる知識

• 電動化のためのインバータ駆動モータとパワーモジュールの高電圧絶縁技術
• インパルス部分放電と絶縁劣化メカニズム
• インバータ駆動モータのインパルス部分放電計測技術とセンサー
• 電動化自動車EV用平角モータ巻線の最新技術開発と評価試験方法
• パワーモジュール/電子回路基板の高周波化による部分放電と絶縁問題
• 国際規格のインパルス評価試験方法、その問題点と対策

セミナープログラム

1. はじめに
   1. 脱炭素化社会に向けた高電圧電動化の最新技術動向と課題
   2. インバータ駆動モータとパワーモジュールの高電圧絶縁評価技術
   3. EVモータの高電圧化に向けた技術動向と絶縁破壊の課題
   4. パワーモジュール(SiC, GaN)の高速スイッチング化による絶縁技術課題
   5. 高耐熱性、高熱伝導性絶縁材料開発の技術と動向
2. モータ／パワーモジュールの部分放電と絶縁破壊の理解のポイント
   1. 部分放電とは何か？
   2. 部分放電が発生する電圧がばらつくのはなぜか？
   3. 部分放電形態と発生メカニズム
   4. 絶縁材料と劣化メカニズム
   5. インパルスと高周波交流電圧による部分放電の違い
   6. インバータサージと電磁波ノイズ問題
3. 部分放電特性と絶縁劣化メカニズムを理解する
   1. 各電圧波形による部分放電特性
   2. 環境要因（温度、湿度、気圧他）の影響
   3. 空間電荷（帯電）の影響
   4. 部分放電開始電圧値(PDIV)の予測
   5. 部分放電による絶縁劣化メカニズム
4. インパルス部分放電の計測方法とポイント
   1. 微弱な部分放電の計測の難しさ
   2. インパルス電源と電圧波形
   3. 各種部分放電センサーと測定波形
   4. 電圧印加方法と周波数依存性
   5. センサーノイズ、閾値とPDフリー判定条件
5. 高電圧化インバータ駆動モータのインパルス絶縁評価方法のポイント
   1. インパルス試験電圧波形と各結線方法
   2. 国際規格（IEC）試験方法と課題点
   3. サージ電圧の伝搬特性
   4. 各インパルス電圧波形に対するPDIV特性
   5. PDIV特性の環境要因依存性
   6. 各コイルの分担電圧と部分放電発生箇所の推定
   7. ダブルパルス試験法の新規提案と有用性
   8. 部分放電を発生させないための留意点
6. 高周波パワーモジュール絶縁性能評価のポイント
   1. プリント基板の部分放電
   2. 試験方法と各計測方法
   3. 高速スイッチング周波数と部分放電
   4. 絶縁ゲル・樹脂中の電気トリ―の発生と成長
7. 高耐熱性複合絶縁材料の性能評価のポイント
   1. EV用平角巻線のPDIVと課電寿命の高温特性
   2. 耐高熱性絶縁材料のPDIVの高温特性
   3. ナノコンポジット絶縁材料の優れた耐サージ特性
   4. 高機能性絶縁フィルムの部分放電計測
8. まとめと今後の課題

□質疑応答□

セミナー講師

兵庫県立大学 大学院工学研究科 特任教授　永田 正義　氏

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