インフラ設備用パワー半導体モジュールの遠隔異常監視機能の開発

• 研究課題/領域番号: 19K04343
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21010:電力工学関連
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 附田 正則 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 特任准教授 (00579154)
• 研究分担者: 渡邉 晃彦 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (80363406) ; 長谷川 一徳 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80712637) ; 大村 一郎 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (10510670)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2020年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2019年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: パワーモジュール / 簡易モジュール / 電流センサ / パワーサイクル試験 / ダブルパルス試験 / 電流センサー / 予知保全

研究開始時の研究の概要

発電設備用パワー半導体の異常を新しい方法で高精度かつ低コストで検出し、検出信号をもとに故障の判断基準を作成する。具体的には半導体チップ内の電流分布を検出し異常を判断する。オンライン経由で異常検知が可能となるため、再生可能エネルギーの増加と安定的な運用が可能となる。
温室効果ガス削減に向けて、風力発電機や太陽光パネルの設置が急ピッチで進んでいる。風力発電機やメガソーラーはスペース確保のため僻地に設置される。特に風力発電に関しては騒音問題のため洋上への設置も進んでいる。しかし作業者のアクセスが難しいため、点検作業の長期化・高コスト化と想定外の故障に対する数週間単位に及ぶ復旧の遅れが課題であった。

研究実績の概要

本研究は、現在行われている定期メンテナンスや部品交換が主流である予防保全に代わる手段として、僅かな異常から故障を予知し故障する前にパワー搬送体モジュールを交換する予知保全の手段を開発することが目的である。これにより風力発電機やメガソーラーの故障による長期停止を防ぐことが期待できる。
２０１９年度は、今後行うパワーモジュールの異常検知試験に向け簡易モジュールや電流センサの作製と異常検知試験を効率的に行う回路構成の机上検討を行った。簡易モジュールのセラミック基板のパターンは評価に適したパターンを設計し、製造はメーカーへ外注した。セラミック基板、チップ、アルミワイヤを学内の設備で実装し簡易モジュールを作製した。電流センサーは小型かつ低ノイズ化が求められることから、先行研究で開発したプリント基板によるロゴスキコイルを採用した。プリント基板であるため小型化が可能であり、先行研究で開発したフィッシュボーンパターンを用いてノイズを低減することも可能である。また本センサは空芯であるためパワー半導体の数百アンペアレベルの電流も測定することが可能である。異常検知試験用のシステムは机上検討により高速スイッチングと低速スイッチングの２系統の回路を組み合わせたシステム構成を考案した。これにより劣化を加速試験により発生させた上で電力変換器の波形を効率的に取得することが期待できる。
２０２０年度は異常検知用のシステムを作製し簡易モジュールにより異常検知試験を行う予定であったが、研究廃止により今年度分として報告できる実績はない。