住宅用エネルギー貯蔵ソリューションでエネルギー効率を向上

住宅用エネルギー貯蔵システム（ESS）は、産業や発電分野での活用に留まらず、住宅セクターでも重要な役割を果たしており、現行の用途や市場動向を反映しています。住宅用ESSソリューションは産業分野に比べて必要な出力は低いものの、効率性や安全性への要求は同様に重要です。本記事では、住宅用ESSソリューションの市場動向について、またArrow社とローム社が導入するSiC関連ソリューションの機能的特徴についてご紹介します。

電気エネルギーを蓄積および管理する住宅用ESSアプリケーション

住宅用ESS（エネルギー貯蔵システム）は、住宅環境で使用するために設計されたエネルギー貯蔵ソリューションです。このシステムの目的は、電力エネルギーを貯蔵・管理することで、エネルギー効率を向上させ、エネルギーコストを削減し、エネルギー供給の安定性を強化することです。住宅用ESSの用途には、通常、太陽光発電システム（光起電システム）が含まれ、太陽光パネルは屋根やその他適した場所に設置され、太陽光を直流（DC）の電力エネルギーに変換します。   ESSには、太陽光発電システムの出力を監視し、エネルギー貯蔵システムへの電力の流れを制御する充電コントローラーも必要です。このコントローラーは、太陽光発電によって生成された電力エネルギーがバッテリーに貯蔵されることを保証します。バッテリーはESSの核心的なコンポーネントであり、昼間に生成された電力エネルギーを貯蔵し、夜間や曇りの日に供給します。一般的なバッテリー技術には、リチウムイオン電池（Li-ion）や鉛蓄電池が含まれます。   また、ESSにはインバーターも必要で、バッテリーに貯蔵された直流（DC）を家庭用の家電製品や照明を動かすための交流（AC）に変換します。さらに、エネルギー管理システム（EMS）が使用されており、家庭のエネルギー消費量、天気予報、電気料金、その他の情報を監視します。このシステムは、エネルギーの使用と貯蔵を最適化し、充電および放電プロセスを自動的に制御して、最適なエネルギー効率を確保します。   住宅用ESSは電力網に接続することも可能で、必要に応じて電力を購入したり、余剰エネルギーがある場合に電力網に売電したりすることができます。この双方向のエネルギーの流れは「双方向計量」として知られています。監視システムを通じて、家庭所有者はエネルギーシステムのリアルタイム運用状況を監視し、発電および消費を追跡し、リモートで運用調整を行うことができます。これには、エネルギー貯蔵システムの運用モードを変更したり、充電および放電時間を設定したりすることが含まれます。   住宅用ESSのアーキテクチャは、特定の要件や技術に応じて調整でき、最適な性能と効率を保証します。このシステムは、エネルギーの自給自足、省エネルギー、排出削減の達成に役立ち、さらに停電時のバックアップ電源としても機能します。   住宅用ESSの要求事項は、主に工業用途と比べてエネルギー需要が低い点で異なり、通常、出力が10kW未満である必要があります。双方向の電力変換をサポートし、高効率のAC/DCトポロジーと高い電磁適合性（EMC）の特性を備える必要があります。また、DC/DCトポロジーにおいても高効率と高い安全仕様を兼ね備えています。住宅用ESSは、さまざまなバスバー電圧（360V～550V）に対応する必要があり、通常、バッテリーは直流側に配置されます。システム効率は一般的に90％以上である必要があり、信頼性の高いシステム安定性が不可欠です。また、高電力密度を実現し、サイズ及び重量削減の目標を達成することに重点が置かれています。そのほかコスト削減も重要な検討事項であり、安全基準、電磁適合性（EMC）、およびノイズ特性について高い要求があります。

SiCデバイスはシリコンデバイスと比較して優れた性能を発揮します。

前述の要件を満たすために、電力変換にはシリコンカーバイド（SiC）が一般的に使用されます。これは、SiCデバイスが大電流および高温条件下でシステム効率を向上させるための大きな利点を提供するからです。SiC材料の高い絶縁破壊電界により、SiCデバイスは高電圧で動作することが可能であり、シリコンデバイスと比較して高い耐電圧特性を持ちます。このため、SiCデバイスは電力変換用途において特に有用です。   さらに、SiCデバイスは電子移動度が高いため、高周波の用途において優れた特性を示します。高周波コンバータやパワーアンプのような用途において、SiCデバイスはより高性能を発揮します。SiCの熱伝導率はシリコンデバイスの3倍であるため、より小型軽量化を可能にし、電力密度を増加させ、システムコストを最適化します。体積あたりのコストが減少することで、エネルギーを双方向に安全かつ信頼性の高い方法で変換することが可能になります。これにより、体積を50%削減し、1ワット単位のコストを削減する目標を達成でき、同じ出力レベルでSiCデバイスはより小型で軽量となります。   SiC素材は化学的に安定しており、腐食性物質による腐食の影響を受けにくいという特性を持っています。この特性により、SiCデバイスは過酷な環境下での利用に適しています。加えて、SiCデバイスの高いキャリア移動度は、より高速なスイッチングを可能にします。これにより、スイッチング損失を削減し、変換効率を向上させ、デバイスの動的特性を向上させます。   SiCエネルギー貯蔵ソリューションを採用することで、製品の寸法を小型化し、重量を削減することが可能です。これにより、高いスイッチング周波数が実現され、小型の磁気デバイスの使用により小型のトランスやインダクタが利用できます。その結果、損失が減少し、熱放散が向上します。同じ出力を持つ場合、シリコンIGBTと比較して、SiCデバイスはより小さなエンクロージャーに収まります。シリコンIGBTと比べてSiCは電力密度（W/kg）が2倍であり、高い電力密度を実現します。また、ループ制御が少ないシンプルな双方向変換器トポロジーを活用でき、より高い効率が得られます。   SiCデバイスは単位体積あたりのオン抵抗が低いため、導通損失を削減します。また、ターンオフ時のオン状態の損失が低く、電流テール現象がなくなるため、スイッチング損失も低くなります。ボディダイオードのリカバリ損失は非常に小さく、SiCデバイスを使用することで部品表（BOM）のコスト削減が可能です。その結果、システムは堅牢で耐久性が高く、より信頼性が向上します。   例えば、500Vのバスバー電圧を持つDC-DCハイサイド設計の場合、高電圧側に1200VのSiCとIGBTを組み合わせることができます。駆動電圧は15V/-2.5Vで、スイッチング周波数は30kHzです。一方、回路の反対側では、650VのSiCとIGBTを駆動電圧15V/-2.5V、スイッチング周波数76kHzで使用できます。高電圧側にSiCデバイスを使用することで効率が向上します。SiCパワーデバイスは15Vの駆動で動作し、IGBTパワーデバイスソリューションとも互換性があります。

双方向性DC/DC電力変換器の設計上の課題と解決策

ESS向けの双方向DC/DC電力変換器を設計する際、多くの課題に直面します。例えば、放電モードでは、定常状態の運転および無負荷条件での低側MOSのVdsストレスを解決することが重要です。一つの解決策として、トランスの一次側のインダクタンスを200µHに増加させる方法があります。このアプローチにより、電圧ストレスを25％削減し、効率を6％から7％改善できます。   さらに、放電モードおよび起動時のVds電圧ストレスの問題にも対処する必要があります。解決策として入力ポートでPWM+PFMハイブリッド制御を使用する方法があります。この方法により、電圧ストレスを27％削減し、Vmaxが80Vで124Vに達します。同様に、放電モードでは、共振コンデンサの過剰な高温（96°C@2100W）に関する問題が発生する可能性があります。コンデンサモデルをmkp21224/400VDCに変更することで、共振コンデンサの温度を65°C@3000Wに下げることができます。

一方、放電モードでは、動作周波数が突然約180kHzに変化し、利得曲線が不安定になる可能性があります。この問題に対処するために、SRMOSの固定導通時間の周波数ポイントを180kHz未満に調整することで、利得曲線の安定性を確保することができます。

SiC MOSFET製品は、DC-DC設計の要件を満たしています

深圳Winchen ElectronicsおよびArrowのサポートを受けた6600V 48V双方向高周波絶縁型DC-DCリファレンスデザインはその一例となります。充電セクションでは、380-480 VDCのDCバスバー充電レンジ、充電電流≤16A、出力電圧40-60 VDC、出力電流≤140A、最大出力電力6.6 kWをサポートします。充電効率は420Vで95%に達し、充電電流のリップル係数は1%です。放電セクションでは、バッテリー側の電圧レンジは40-60 VDC、バッテリー側電流は≤140A、DCバスバー電圧レンジは380-480 VDC、最大出力電力は6.6 kW、54Vでの放電効率は94%に達し、バスバー電圧のリップル係数は1%です。   このリファレンスデザインでは、Buck_Boostレギュレーターがない場合、低電圧側の動作範囲は43V-57V、フルパワー動作範囲は49V-57V、最大安定出力電流は142A、最大短期出力電流は150A（Vin = 420V、抵抗負荷）となります。Buck_Boostレギュレーターがある場合、低電圧側の動作範囲は43V-57V、フルパワー動作範囲は49V-60V、最大安定出力電流は145A、最大短期出力電流は150A（Vin = 420V、抵抗負荷）となります。このリファレンスデザインでは、RohmのSCT3030AR TO-247パッケージSiC MOSFETが8個、BM61S41RFV-Cゲートドライバ、RJ1P12BBDTLLパワーMOSFETを使用しています。   RohmのSCT3030ARは、650V Nch 4ピンパッケージのSiC MOSFETであり、サーバー、ソーラーパワーインバータ、電気自動車充電ステーションなど、効率を重視する用途に適しています。4ピンパッケージ内にパワーソースピンとドライバーソースピンを分離したトレンチゲート構造SiC MOSFETを採用しており、高速スイッチング性能を最大限に引き出し、特に導通損失を大幅に改善します。従来の3ピンパッケージ（TO-247N）と比較して、導通およびスイッチングの損失を約35%削減することが可能です。   RohmのSCT3030ARは、低オン抵抗、高速スイッチング速度、迅速な逆回復、並列接続の容易さ、およびシンプルな駆動が特徴です。Pbフリーメッキでパッケージされており、RoHS標準に準拠しているため、ソーラーパワーインバータ、DC/DCコンバータ、スイッチモード電源、誘導加熱、モータードライブなど、幅広い用途に適しています。   BM61S41RFV-Cは、絶縁耐圧3750 Vrms、最大ゲート駆動電圧24V、最大I/O遅延時間65 ns、最小入力パルス幅60 ns、出力電流4Aのゲートドライバです。アンダーボルトロックアウト（UVLO）およびアクティブミラークランプ機能を備え、AEC-Q100標準に準拠しており、SSOP-B10Wパッケージで提供されます。RJ1P12BBDは、Nch 100V 120AパワーMOSFETであり、低オン抵抗、小型モールドパッケージで高出力を実現しています。Pbフリーメッキを用い、RoHS標準に準拠、ハロゲンフリーで、UIS試験をクリアしています。

結論

国際社会から注目を集めるグリーンエネルギーは、住宅用ESSアプリケーションの急速な発展を促進しています。これには多数の電子部品およびソリューションが関与しており、巨大な市場機会を示しています。Arrowは、ESSアプリケーション向けのDC-DCソリューションの開発においてお客様をサポートすることが可能です。RohmのSiC MOSFETおよび関連製品はDC-DCのアプリケーション要件を満たすことができます。詳細情報につきましては、直接Arrowにお問い合わせください。