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電力

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

タレコミ by snowy
snowy 曰く、
asahi.comの記事によると、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、小型化する半導体の開発に成功したと発表したそうだ。

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、現在のシリコンの半導体では切り替えが遅く、発熱量も大きかった。

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以下に減らせるそうだ。また、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アダプターの本体への収納が可能になるとのこと。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%減らすことができるという。2011年頃の実用化を目指すとのこと。

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  • 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

    • 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。

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      • 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。

        • ワイドギャップ半導体なので高温に強い
        • 電子移動度が高い (なので HEMT)
        • 欠陥の少ない GaN 基板が作れないので、サファイアを基板にしているものが多い (GaN LED 用) が、パワー系には向かない。パワー系のトレンドは Si 基板に謎の中間層を貼り付けたもの
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    • by Anonymous Coward
      だからエコ利権を脅かすものが実用化されることは決してないの。
    • by Anonymous Coward

      >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。

      • by Anonymous Coward on 2009年06月25日 16時14分 (#1593798)
        というか、この手の分野って地味なので改善されてるけどニュースにはあまりならないってだけだよね。
        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。
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    • 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?

  • by Anonymous Coward on 2009年06月25日 13時01分 (#1593611)

    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。

  • by Anonymous Coward on 2009年06月25日 13時01分 (#1593612)
    ACアダプタが10分の1の大きさになるなら嬉しい!
    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。
    • by qem_morioka (30932) on 2009年06月25日 18時34分 (#1593892) 日記

      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~

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  • by Anonymous Coward on 2009年06月25日 13時07分 (#1593618)

    > 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

    • by saitoh (10803) on 2009年06月25日 17時49分 (#1593866)
      現在の回路のまま素子だけこれに変えたのでは確かに、総損失の1/3を占めるトランジスタの損失が減るだけで、どう考えてもトータルで1/3にはなりそうにないです。 低負荷時のSW電源の損失の要因別の比率がこのWEBページ [nichicon.co.jp]に載ってますが.... スイッチング素子の性能(スイッチング速度など)が向上すれば、他の部分(コイルとかコンデンサ)での電力損失も連動して減るとかいう仕組みがあるのでしょうか。 あるいはシリコントランジスタでは使えない高効率化技術が、窒化ガリウムHEMTなら使えるとか??
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      • by glasstic (32934) on 2009年06月25日 19時08分 (#1593904) 日記

        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。

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        • by cassandro (6035) on 2009年06月26日 22時37分 (#1594683)

          > 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。

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    • その2つの「3分の1」に論理関係はない、偶然の一致。

      --
      the.ACount
      親コメント
    • by Anonymous Coward
      ACアダプタの内容物のうち、ダイオードとトランジスタと放熱板の体積が仮にゼロになったとしても、トランスやコイルやコンデンサが、結構な体積を食うと思う。
      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・・・
      • by Anonymous Coward

        さらに、今回開発したトランジスタは高周波動作が可能となるため電源装置の小型化も実現します。従来の電源装置では動作周波数が低いため困難だったコイルや変圧器の小型化が、トランジスタの高速動作により可能になります。

        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。

      • by Anonymous Coward

        >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

        • by Anonymous Coward

          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?

          • by cassandro (6035) on 2009年06月26日 22時57分 (#1594699)

            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。

            親コメント
          • >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。

          • by Anonymous Coward

            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。

  • by Anonymous Coward on 2009年06月25日 19時08分 (#1593907)

    すでに直流給電になっているかもな

  • by Anonymous Coward on 2009年06月25日 21時46分 (#1593999)
    内蔵したらPSEやCEとかの検査で面倒になるじゃん。

    # 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)。
    • by Anonymous Coward
      小さければ格納するスペースを本体に取ることは可能。
      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。
  • by Anonymous Coward on 2009年06月25日 23時28分 (#1594056)
    家のコンセントは、USBにしてほしいな。
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私は悩みをリストアップし始めたが、そのあまりの長さにいやけがさし、何も考えないことにした。-- Robert C. Pike

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