富士通研究所、電源装置を省電力化・小型化する半導体を開発 34
ストーリー by reo
電源ネタ二つ目 部門より
電源ネタ二つ目 部門より
富士通研究所は IT 機器や家電製品の電源装置の消費電力を減らし、小型化する新しい構造の窒化ガリウム HEMT (High Electron Mobility Transistor : 高電子移動度トランジスタ) の開発に成功したと発表した (asahi.com の記事、ITmedia News の記事、富士通のプレスリリースより) 。
AC アダプターは、コンセントからの交流を直流に変えたり、電圧を下げたりするが、その際電気を瞬時に通したり、遮断したりするスイッチの役目をする半導体が必要となるが、従来のシリコンの半導体ではオン損失・スイッチング損失が大きく、またスイッチング速度も遅かった。
同研究所は、シリコンの 10 倍の強度があり、発熱が少ない窒化ガリウムを使い、またスイッチの役割をする電極の構造も工夫して、高速で切り替えができる半導体を開発したとのこと。これにより、発生する熱を従来の 3 分の 1 以下に減らせるとのことで、電源装置の部品を 10 分の 1 程度に小型化でき、ノートパソコンなら AC アダプターを本体に収納することも可能。他にも、国内のデータセンターで使えば、冷房の節約も含め、消費電力を 12% 減らすことができて、年間 33 万トンの CO2 削減効果が見込めるという。2011 年頃の実用化を目指すとのこと。
実用的なコストで実現出来るなら素晴らしい (スコア:1)
あと、原料の確保が。
# こういう省電力系って実用化されました！って流行ってるのあまりないよね？
# 誰か、追跡して調べてたりしないのかな
Re:実用的なコストで実現出来るなら素晴らしい (スコア:2, 参考になる)
Si（シリコン）をスイッチとして使う場合の理論限界は昔から知られていて、
10年以上前からSiC（シリコンカーバイド）、GaN（窒化ガリウム）を材料とする研究は行われています。
富士通だけでなく、電力用の半導体をやっているところはどこでも、何らかの開発をしてると思います。
特に、開発が先に進んでいるダイオードは、量産されて実用段階です。
電源関係では、流行ってますし、次世代の本命だと思います。
CPUやメモリのチップほど、電源の中身に注目されることがないので、
流行ってる（もしくはこれから流行りそう）って実感がないのでしょう。
Re:実用的なコストで実現出来るなら素晴らしい (スコア:2, 参考になる)
今月 (2009.7月号) のトラ技に GaN トランジスタの記事が出てますな。
Re: (スコア:0)
Re: (スコア:0)
>こういう省電力系って実用化されました！って流行ってるのあまりないよね？
PC周りを見ただけでも、リーク電流の低減だとかACPI周りの技術、I/O関連の消費電力の低減（高速化のためでもあるけど）、液晶の高透過率フィルタ等々、ずいぶん沢山あるような気がしますが。
Re:実用的なコストで実現出来るなら素晴らしい (スコア:1, すばらしい洞察)
累積すれば結構な改善なんだけど、少～しずつ進歩している分野だから目立ち難いものではある。
ま、PCに限って言えばCPU等のパワー増大化がその手の効率化を隠してしまってるという側面はありますね。
ノートPCなんて良くもまあ、あのサイズに今のパワフルなのが収まってるものだと思うよ。
昔の技術で作ったらちょっと考えたくないレベルまで行っているし。
安くできれば...ね。 (スコア:0)
ただし普及の条件はプレミアついて高止まりしないこと...
今だってACアダプタが、半導体使って携帯充電器並みで済むものに、
コストのためにバカでかいトランス入りなんて事もしばしばでしょう？
お、面白い！ (スコア:0)
これ、電源に使うのはもったいないんじゃない？
ちょっと工夫すれば、高周波増幅（増幅というよりスイッチングか？）に使えそう。
とりあえず、MAKEでテスラコイルを作っている人たちは、必見だな。
発熱 (スコア:0)
かなり鞄のスペースを占有してます。
でも、発熱が3分の1だと、まだまだ小型のノートパソコンに内蔵するのは難しそうですね。
ノートに入れるにしてもまずは3〜4kgの大型のやつからでしょうか。
Re:発熱 (スコア:1)
大昔のデスクトップノートには直差しのがありましたが
さすがに今は見かけませんね。
あとはあれですよ、高周波動作を生かして無線給電ですよ!!
#Wiiリモコンの無線チャージャーは便利ですよ～
この記事読んだけど (スコア:0)
> 電源装置の部品を 10 分の 1 程度に小型化でき、ノートパソコンなら AC アダプターを本体に収納することも可能。
部品が小さくなっても絶縁距離は確保したいしな～。
ノートPCみたいに小型かつ薄い筐体にAC電源を入れてしまうのは怖いような気がする。
あと、
> 電源の電力損失のうち、トランジスタ関連が3分の1以上を占めているという。 (ITmediaの記事)
> 窒化ガリウムを使い(中略)半導体を開発したとのこと。これにより、発生する熱を従来の 3 分の 1 以下に減らせる
の意味が良く分からない。
1/3を占めていたロスを減らせば、発熱は1/3以下になるのでしょうか？
電力ロスト発熱は比例関係だと思っていたんですが・・・。
# 電源設計もしているのでAC
Re:この記事読んだけど (スコア:2, 興味深い)
Re:この記事読んだけど (スコア:3, 参考になる)
どういう計算で、トータルの損失が1/3になるのかは分かりません。
ただ、スイッチング周波数が上がれば、ご指摘のようにコイルへの影響があります。
スイッチング周波数が大きいほど、コイルのインダクタンスを下げることが出来ます。
一般的に同じサイズのコイルであれば、コイルのインダクタンスと抵抗（損失）はトレードオフの関係です。
よって、スイッチング周波数を大きくすれば、コイルでの損失は減ります。
Re:この記事読んだけど (スコア:1)
> 一般的に同じサイズのコイルであれば、コイルのインダクタンスと抵抗（損失）はトレードオフの関係です。
銅損（銅線の電気抵抗による損失）は確かにそうですが、コアのヒステリンシス損とかはどうでしょうね。なので「スイッチング周波数を大きくすれば、コイルでの損失は減ります」は一概には言えないかと。
Re:この記事読んだけど (スコア:1)
その２つの「3分の1」に論理関係はない、偶然の一致。
the.ACount
Re: (スコア:0)
それらも小型化するためには、スイッチング周波数を上げることになると思うのだけど、そしたら今度は、損失が増えるよ。ってことは、発熱を劇的に減らすことはできないわけで・・・
Re: (スコア:0)
と書いてあるね。
スイッチング周波数を上げてもなお損失は低いということなのだろう。
Re: (スコア:0)
>スイッチング周波数を上げることになると思うのだけど、そしたら今度は、損失が増えるよ。
だからそのスイッチングが速くなって、損失も減らしたって言ってるんだろうがｗ
記事読めよ
Re: (スコア:0)
スイッチングのロスは，素子に電圧がかかっている状態で電流が流れると生じます（P=VI）。
理想的には，完全にON（電圧0）か完全にOFF（電流0）のどちらかになってくれればよいですが，
現実にはONしかけ，OFFしかけの状態があって，その時に損失が生じます。
元コメで言いたいのは，素子高速化によってONしかけ，OFFしかけの時間が減っても，
動作周波数を上げればその回数が増えて，結局損失が減らないということじゃないでしょうか？
Re:この記事読んだけど (スコア:1)
チョッパとフォワードのスイッチング電源に関して言えば（っと、他の方式でも似た様なものではありますが）、損失が発生する箇所は、
(a) 主スイッチング素子（元コメントで指摘している箇所）
(b) フライホイールダイオード
(c) 高周波コイル/トランス（銅損＋鉄損）
(d) 平滑用コンデンサ（主に二次側）
と色々あって、それぞれに対策が講じられている訳です。(a)に関しては共振スイッチング、(b)では同期整流、等が対策です。なので「現実にはONしかけ，OFFしかけの状態があって」は、未対策のスイッチング電源に関して言える事であって、対策を講じてあるものに関しては言える事では無いでしょう。
Re:やっぱりよく読んで無いんじゃね？ (スコア:0)
>従来のシリコンの半導体ではオン損失・スイッチング損失が大きく、またスイッチング速度も遅かった。
って言ってるんだから、新しい素子はスイッチング損失も小さいんだろ。
Re: (スコア:0)
スイッチングの損失が従来の1/100以下らしいから、周波数を二桁あげてトントンみたいですよ。
そのころのデータセンターでは (スコア:0)
すでに直流給電になっているかもな
Re:そのころのデータセンターでは (スコア:1)
DC/DCコンバーターにも応用が利くんじゃないの？
-48V単一では動かんだろうしな。
Re: (スコア:0)
なぜ直流給電するためのコンバータに使える所につっこまない？
Re:そのころのデータセンターでは (スコア:1, 参考になる)
Re:そのころのデータセンターでは (スコア:1)
> AC100VをDC141Vの脈流にした後
脈流は、ちと違いますね。整流した後にコンデンサを入れてあるので、0Vにはなりませんよ。一次側電圧は、逆ノコギリ波の様になります。
Re:そのころのデータセンターでは (スコア:1)
> 一次側電圧は、逆ノコギリ波の様になります。
「一次側電圧は、ボトムが0Vではない逆ノコギリ波の様になります」ですね。失礼しました。
ACアダプタの内蔵は多分ない(オフトピ) (スコア:0)
# ACアダプタの場合は、ACアダプタ「だけ」検査すればいいので安くあがります(ACアダプタに繋がってる機器は検査対象外)。
Re: (スコア:0)
ポイントは内蔵ではなく格納。
本当に小さくなるなら、その位はメーカーはやってくる可能性はあるね。
というか、そろそろ (スコア:0)
Re: (スコア:0)
それでエアコンや電気ストーブやIH調理器が動くならどうぞ。
この頃は100V15Aでも足りないと言う用途も多いのに。
＃DCで引き回すとロスも多いしな。
Re:というか、そろそろ (スコア:1)
USBでは無理でしょうね。エアコン、電気ストーブ、IH調理器は。
DCで引き回すとロスが多い、これはどうでしょうね。電圧次第じゃないですか？まあ、100VDCを家の中に引き回したいとは、僕は思いませんけど。
Re:というか、そろそろ (スコア:1)