宇宙機内の無線給電を実現へ――ハイブリッド整流回路を用い、マイクロ波から直流への電力変換を実証

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HySIC整流回路の写真(左)と概略図(右)

産業技術総合研究所(産総研)と宇宙航空研究開発機構(JAXA)は2018年11月6日、窒化ガリウム(GaN)ダイオードとシリコン(Si)整合回路を混成したHySIC(Hybrid Semiconductor Integrated Circuit)構造の整流回路を用いて、マイクロ波から直流への電力変換動作を世界で初めて実証したと発表した。今回開発したHySIC整流回路を高性能化していくことで、宇宙機内の無線給電が可能になる見通しだ。

宇宙機では、センサーを使って機体や装置の状態を常時監視しなくてはならない。そうしたセンサーの駆動電力を供給する方法として無線給電が有望視されているが、空間を伝播するマイクロ波を直流電力に変換する整流回路が必要になる。

一般的に、整流回路にはSiなどのダイオードが採用されている。しかし、宇宙空間では地上の約100~1000倍の頻度で宇宙線が到来するため、高い頻度で誤動作や破損が発生する恐れがある。

そこで産総研とJAXAの研究チームは、宇宙線に対する耐性を向上させるため、バンドギャップの広いGaNをダイオードに採用した。一方、マイクロ波をGaNダイオードへ入力する整合回路の部分は、宇宙線による誤動作の影響が小さい。量産が容易なSi整合回路を用いることで、小型軽量化と低コスト化を図ったHySIC整流回路を開発した。

研究チームは、HySIC整流回路を世界で初めて動作させることに成功。出力電力が100mW級のときに電力変換効率が最大となるように設計しており、宇宙機内に設置した8個の温度センサーを動作させることができるという。スマートフォンなどのBluetooth通信に使うのであれば、1~3台程度と通信できる電力を供給可能だ。

今回開発されたHySIC整流回路は、宇宙線への耐性が高いのに加えて、高電力・高電圧での電力伝送が可能なことから、高効率の高速充電を実現できる可能性がある。さらに、従来の基板上に製造された整流回路よりも小型化できることから、宇宙機内で用いるだけでなく、将来的な地上のセンサーネットワークへの電源供給や電気自動車の充電などにも利用できるのではないかと見込まれている。

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