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1 「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー V1 2020/03/19

分野テーマ名称︓⾼性能モータ駆動システムにおける⾰新的⾼電⼒密度インバータ設計と⽣産技術開発

分野リーダー ︓⼭本真義（名古屋⼤学未来材料・システム研究所教授）

・研究テーマ ︓航空機電動化に向けた⾼電⼒密度インバータ設計⼿法の確⽴と実証（Ｖ１）

研究リーダー ︓⼭本真義（名古屋⼤学未来材料・システム研究所教授）事業化リーダー︓井上岳（サイバネットシステム株式会社）

⾦澤康樹（株式会社ナチュラニクス）参加機関名 ︓名古屋⼤学，サイバネットシステム株式会社，

株式会社ナチュラニクス，三菱重⼯航空エンジン株式会社

プロジェクト名称︓「近未来⾃動⾞技術開発プロジェクト」

「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」公開セミナー令和２年３⽉19⽇


研究テーマの⽬的研究テーマの⽬的⽬的︓航空機電動化に向けた⾼電⼒密度インバータ設計⼿法の確⽴と実証

全体図


研究開発の概要研究開発の概要・⾼密度インバータシステム出⼒︓20kW，10kW/kg以上・次世代システムシミュレーションガスタービンモデルとのシステムシミュレーション

OFF

ON

解析⼒学ベースモデル理論

GaNパワー半導体

新ゲート駆動回路

拡張性のある基本コンポーネンツ⾼電⼒密度インバータシステム構築

（出⼒容量︓20kW）

モータ駆動システムへ適⽤評価

モデル抽出

機械系システム

電気系システム

⼤規模機電融合システムにおけるモデル化

GaNパワー半導体

次世代パワー半導体を搭載した電力変換器

GaNパワー半導体を航空機に適⽤した場合のシステム評価を可能とする

20kWインバータを⼤規模システム容量に合わせて拡張可能


開発体制・役割分担開発体制・役割分担

名古屋⼤学

名古屋⼤学

ナチュラニクス

サイバネットシステム

三菱重⼯航空エンジン

・研究リーダ・⾼電⼒・⾼密度インバータ開発のリーダ

・GaNパワー半導体に適したゲート駆動技術の開発多並列ゲート駆動回路の提案と実証評価パワー半導体のモデリング

・航空機電動システムシミュレータの構築－GaNパワー半導体のモデリング及びパラメータ抽出－インバータのシステムシミュレーションモデル作成－システムシミュレーションの実施と検証

・次世代航空機電気システムにおける⾼効率性能評価－インバータ評価－ハイブリッドエンジンシステム設計

あいち産業科学技術総合センター

・インバータ/システム駆動時のノイズ評価－電波暗室を活⽤した測定－研究拠点として積極活⽤

⾼電⼒密度インバータシステムGr.

次世代システムシミュレーションGr.

事業化リーダ

・GaNパワー半導体を適⽤したインバータの構築⾼電⼒密度GaNインバータの作成GaN低ノイズ化技術の実証評価事業化リーダ


全体構成での役割分担全体構成での役割分担

⾼電⼒密度インバータ Gr. 次世代システムシミュレーション Gr.

駆動技術

GaNを適⽤したインバータの構築

インバータ実機

GaNに適したゲート駆動技術

GaNインバータ

システム視点のインバータ性能要求

モジュール及びインバータ開発

GaN半導体駆動技術開発


名古屋⼤学

GTE:ガスタービンエンジンSim.:シミュレーション

GaN/インバータモデル抽出

次世代システムシミュレータの構築

インバータモデル


GTEモデル抽出GTE動作環境抽出


次世代航空機システムにおける⾼効率性能評価

①

②

④③

研究テーマの⽬的，開発ターゲットの必要性等・本プロジェクトでは，⾼電⼒密度インバータシステムの開発を担うグループと，次世代

シミュレーションの技術開発を⾏うグループからなり，プロジェクトを推進する。・知の拠点であるあいち産業科学技術総合センターの施設と技術も活⽤し，インバータ開発，

シミュレーション技術発展を狙うものとした。


シミュレーションに関わる各機関の役割シミュレーションに関わる各機関の役割

サイバネットシステム名古屋⼤学三菱重⼯航空エンジン

ガスタービンエンジンインバータ

ガスタービンエンジンモデル（AMESim︓Modelica⾔語）インバータ＋システムSim.モデル

（TwinBuilder︓VHDL-AMS⾔語）

・モータ・・・

モデルライブラリ・素⼦・インバータ・バッテリ・モータ・・・

異種⾔語の連携，I/F作成

知恵実測結果

実装ノウハウプログラミング

FEMモデル

■主な役割分担【名古屋⼤学】・理論構築及び実験との検証・システムシミュレーションの構築と実施

【三菱重⼯航空エンジン】・ガスタービンエンジンモデル作成とシミュレーション実施

【サイバネットシステム】・モデルライブラリ構築作業（プログラミング）・異種⾔語の連携作業（プログラミング）データ分析

（BIGDAT@View）


年次ロードマップ年次ロードマップ

GaNの基礎的評価を実施

ソフトの導⼊と基礎評価を実施


研究開発の実施状況（１）研究開発の実施状況（１）

ダブルパルス⽤GaNハーフブリッジダブルパルス⽤GaNゲートドライバ

R1年度⽬標︓⾼電⼒密度インバータシステム基板試作，モジュール試作・評価

GaNの基本特性を評価するため，ダブルパルス評価試験を実施。

⼊⼒電圧︓400[V]出⼒電流︓0-50[A]


研究開発の実施状況（２）研究開発の実施状況（２）

ダブルパルス試験結果

Ton時のスルーレート

Toff時のスルーレート試験結果︓・50[A]にて安定して

スイッチングできることを確認・Toff=15.8[ns]・ Ton=31.2[ns](50A時)

次年度の⽅針・課題︓■連続通電試験にてモジュールの熱評価

GaNから効率よく熱を引くための冷却⽅式の検討■スイッチングスピードの⾼速化

ゲートドライバを調整⇒スイッチング速度を更に向上


研究開発の実施状況（３）研究開発の実施状況（３）●ガスタービンエンジンを対象としたシミュレーションモデルを構築

・シミュレーションの対象として社有ガスタービンエンジンを選定。

●明らかとなった課題や対応⽅針・シミュレーションソフトウェアの基本モデルを元にして，モデルを構築中。・この基本モデルの特性では，社有ガスタービンエンジンの特性を再現できないことを確認。

⇒各要素が社有ガスタービンエンジンの特性を再現できるよう，合わせ込みを実施。

圧縮機低圧タービン

⾼圧軸回転数[%]空気

流⼊

量[k

g/s]

⾼圧軸回転数[%]

断熱

効率

[-]


低圧

ター

ビン

出⼒

[SHP

]


断熱

効率

[-]

解析結果

試験データ

※試験データは，ばらつきがあるため，⻘枠で記載

社有ガスタービンエンジンのシミュレーション概要

要素特性を把握するため，モデルを要素毎に分けて，解析を実施。

社有ガスタービンエンジン


研究開発の実施状況（４）研究開発の実施状況（４）

バスバー及び実装状態の電磁界

インバータとシステムシミュレーション例ANSYS Academic Research EM

ANSYS Academic Research Mechanical and CFD

ANSYS TwinBuiler

ANSYS TwinBuiler モータの磁場解析とシステムシミュレーション

損失の解析と熱分布（熱流体）

ANSYS Academic Research EM

・導⼊したソフトウエア


研究開発の実施状況（５）研究開発の実施状況（５）●電動航空機を対象としたシミュレーションモデルを構築

・シミュレーションの対象としてバッテリー駆動の⼩型電動機を選定。●明らかとなった課題や対応⽅針

・実測したパワー半導体（SiC-MOSFET)を⽤いて，損失を計算。・プログラム⾔語であるVHDL-AMSを⽤いて，シミュレータへ実装。

⇒ 今後，ナチュラニクスでの実測を参考にGaNへの適⽤を検討。⇒ 更に，三菱重⼯航空エンジンモデルを統合。

heat == 3 * (0.19931029 * Irms + 0.21350925 * (Irms ** 2) + 0.3266357)'INTEG;

実測により得られた損失を２次式で表現

VHDL-AMSでモデリング


事業化に向けての取り組み（１）事業化に向けての取り組み（１）2020-2024 2025-2029 2030-




・⾼電⼒密度インバータへの開発︓10百万円/年・⼤型ドローンでの実証︓40百万円/年

・⼩型航空機での実証

①2023年3月⇒他の電動構成要素を取り込みモジュールレベルでの研究開発推進により50百万円／年単位の経済効果

②2025年3月⇒エンジンレベルでの研究開発推進により５億円／年単位での経済効果③2027年3月⇒同上・事業としてはその先の予定なるも，開発玉成の暁には”日本発の民間用航空機ハイブリッドエ

ンジン”という大きなインパクトあり。

① ② ③

航空業界の課題・低利⽤率の地⽅空港・騒⾳問題・リニア新幹線など代替⾼速交通機関の発展

ハイブリッドエンジン検討

電動機器性能確認フェーズ

全体システム確認フェーズ

国プロ国際共同開発へ

・ライブラリ販売︓5百万/年（GaNパワーデバイス/インバータ/ガスタービンエンジン）・モデリング/シミュレーションコンサル︓30百万円/年・航空機電動システムシミュレータの販売︓60百万円/年

・シミュレータの他業種販売︓1億円/年


⾼電⼒密度インバータシステムGr.

次世代システムシミュレーションGr.

①市場性（ユーザー視点の導⼊）・インバータの全体設計，モータ制御プログラム開発を⾏う。

②事業化につながる体制づくりの状況・ NX量産製品への適⽤︓2,000台/年を⽬指す。

③プロジェクト終了後のビジネスプランへのつながり・（株）オートリテール︓コンデンサ基板の基板製造/GaNモジュールの基板製造。・⼤陽⼯業株式会社︓モータ制御基板の基板製造。・名古屋⼤学︓GaNモジュールのシミュレーション/安定動作の理論設計。

①市場性（ユーザー視点の導⼊）・現形態の航空機の市場動向とともに，電動化への期待を把握しつつ検討を進める。・機体，エンジンメーカおよび装備品メーカの動向や電動化関連技術の動向も⾒極める。

②事業化につながる体制づくりの状況・現在の研究開発体制とその成果を元に検討を進める。・社内外の技術的リソースの活⽤も視野に⼊れて検討していく予定。

③プロジェクト終了後のビジネスプランへのつながり・ハイブリッドエンジンシステムのシミュレーションによりコンセプトの最適化を推進。・他の電動構成要素を取り込みモジュールレベルでの技術開発。・エンジンシステムレベルでの技術実証。

事業化に向けての取り組み（２）事業化に向けての取り組み（２）


研究実績研究実績

１．試作状況•GaNデバイスを⽤い,安定的に20 A駆動を確認

２．外部発表 5件•野⽥和寛, ⼭本真義, 今岡淳 : “フライングキャパシタを⽤いた3レベルインバータへのインターリーブ技術の適⽤” , 東海⽀部連合⼤会 I1-5,Sep.2019•野⽥和寛, ⼭本真義, 今岡淳, 佐藤伸⼆: “コモンフライングキャパシタコンバータ⽅式(CFCC)の提案第⼀報”,平成31年度電気学会全国⼤会, Mar.2020•⼤河内裕太, 中原健, ⽩井慎也, 岩城聡明, ⼭本真義︓”インダクタを⽤いたSiC-MOSFET⽤ハイブリッド形ゲート駆動回路の実機検証”, 平成31年度電気学会全国⼤会，Mar.2020• Shinya Shirai, Yuta Okawauchi, Ken Nakahara, Toshihiro Iwaki, Masayoshi Yamamoto: “Current Source Gate Drive Circuit with Voltage Source to Stable Driving for SiC-MOSFETs” ICMaSS 2019•⼀柳直志, 福岡智司, Samantha Voon, 重松浩⼀, 今岡淳, ⼭本真義:パワー半導体を⽤いた電動航空機へのシステムシミュレーションの応⽤”, 平成31年度電気学会全国⼤会, Mar.2020

３．情報発信 3件•キックオフセミナー，メッセナゴヤ，公開セミナー

４．特許 1件•新規提案コンバータ，ゲートドライバで特許化を準備中

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