山手線と新幹線の最新車両で画期的省エネ技術

2019年2月5日

N700S型新幹線確認試験車。SiCで作られたパワー半導体をモーターの制御に使用する。（出所：JR東海）

　2018年、JR東海は、新幹線の新世代車両「N700S型」確認試験車の試験走行を始めた。

　半導体と言えばシリコンであるが、N700S型を制御する半導体にはシリコンでない物質も使われている。

　この新半導体物質は炭化ケイ素（SiC）。

　SiCは耐熱性が摂氏1400度と高く、サファイアより硬いという性質のある物質である。これまで、この性質を利用して、研磨剤や耐火材として用いられてきた。

　SiCの単結晶を半導体として用いれば、シリコン以上のパフォーマンスを発揮する物性を持っている。鉄道車両では、SiCを使用数十パーセントに及ぶ省エネ実現例もある。

　半導体物質としてのSiCは、パソコンやスマホなどの電子機器に搭載されるような微細な半導体を作るに至っていない。

　しかし、電力制御を行うパワー半導体の分野では、画期的な省エネを実現するものとして、実用化が進んでいる。

　サーバーの電源などの高級な用途での採用が多いが、馴染みのあるところでは、鉄道車両での採用が広がりつつある。将来的には、ハイブリッド車や家電に採用され、圧倒的な省エネを実現することを期待させる。

■　かつての半分の電気で走る電車をさらに省エネ

　SiCが目覚しい成果を上げているのは、鉄道車両である。

　現在、山手線では新型電車「E235系」の導入が進んでいる。この新しい電車は、これまでの電車E231系よりも16％の省エネを実現しているという。

　この16％という省エネが目覚しく感じるのは、鉄道車両は、これまでもパワー半導体の利用で大幅な省エネを実現していたからだ。

　パワー半導体が使用される以前の電車と比べると、E231系の段階ですでに電力消費は半分以下になっていた。

　かつて、パワー半導体がない時代はモーターの制御は容易ではなかった。モーターの制御は具体的には電圧を変化させることで行われている。

　しかし、直接電圧を変換する手段は乏しく、電圧を変えるために抵抗器に電気を流して熱として浪費させる非常に効率の悪い方法が長年用いられてきた。

　また、減速時はモーターを発電機として回すことにより、発生する機械的抵抗をブレーキとして利用したが、せっかく発生する電力の再利用は難しかった。

　しかし、パワー半導体の登場により、こうした抵抗器で電気を浪費させる仕組みをやめることがでた。効果が特に大きかったのが、回生ブレーキである。

　発電ブレーキからの電力を、容易に電線より高い電圧にすることができるようになったため、実現した。これで電車は20％程度の省エネを実現した。

　その後も、現在まで数十年かけてパワー半導体を進化させたことで、機器の小型化、低価格化、さらなる省エネを実現してきた。

　結果、パワー半導体を用いたインバーターで加速・減速を制御する電車が主流になった。

　2002年から運転が始められた先代の山手線の電車E231系では、抵抗制御の103系の47％の使用電力で走行できるようになっていた。なお103系はステンレスになる前の全体が緑色の電車である。

　E231系を置き換えるE235系では、SiCによってそこからさらに16％の省エネを実現したのである。