ウルフソードのSiCが太陽光エネルギーインフラを変革

世界中で、利用可能な場合には再生可能エネルギー源を選択する社会がますます増えています。消費者や大小さまざまな事業者は、太陽光エネルギーを実現可能で、クリーンで利便性の高いエネルギー源として見なしています。光電池パネルを使用して太陽光エネルギーを収集することは、小規模な屋根上の家庭用設置から商業オフィスの上まで、スケーラブルな再生可能なアプローチを提供します。本記事では、WolfspeedのSiCがどのように太陽光エネルギーインフラを変革するかを探ります。

高度効率的な電力変換の重要性

太陽のエネルギーを収穫し、それを標準の交流電圧に変換するプロセスには、いくつかの段階があり、それぞれで一定の損失が生じます。エネルギー変換損失は廃熱や電圧低下など、さまざまな形で現れますが、総じて変換効率の低下を引き起こします。つまり、投入したエネルギー以上の成果を得ることはできません。

効率的なエネルギー変換アーキテクチャを設計することは極めて重要です。損失を減らすには、それが発生する場所を詳しく理解する必要があります。これには、I2R導体損失、半導体の導通損失、関連するパッシブコンポーネントで発生する損失が含まれます。熱は通常、エネルギー損失の結果であり、ヒートシンクや強制空冷を使用して放熱する必要がありますが、これにより追加の重量とコストが発生し、全体の占有スペースが拡大します。さらに、電子部品を高温環境で動作させると、システムの信頼性が低下し、高額なダウンタイムや潜在的な収益損失につながります。

シリコンベースの半導体は初期から支配的な存在でしたが、よりコンパクトで効率的かつ低コストな電力変換のニーズが、新しい半導体技術の研究を推進しています。シリコンと比較して、シリコンカーバイド (SiC) のような広帯域ギャップ材料は、より高いスイッチング周波数と電圧で動作し、広い動作温度範囲を持つため、より小型でコンパクトな設計や、システム全体での電力密度の向上につながります。

ソーラーインバーターの使用例比較

シリコンベースの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）は、従来、太陽光発電やエネルギー貯蔵システムで使用されるインバータ内の高出力スイッチングトランジスタとして採用されてきました。しかし、Wolfspeedの650 Vおよび1200 V SiC MOSFETと関連するSiCダイオードは、システム損失を70%削減し、重量を80%削減（60 kWインバータの場合）、さらにシステムコストを最大で15%削減するなど、顕著な利点を提供します。加えて、WolfspeedのSiC MOSFETは、温度に対する業界トップのRds(on)特性を持ち、シリコンデバイスと比較してピーク逆回復電流を30%削減しています。

図1は、60 kWのソーラーインバーターおよびエネルギー貯蔵システムの高レベルアーキテクチャを示しています。3つの機能ステージがスイッチング半導体を必要とします：800 V出力のMPPT昇圧回路、400 VAC 3相インバーター、そして400 Vバッテリーチャージャー/エネルギー貯蔵システム（ESS）。IGBTと比較して、Wolfspeed製のSiC MOSFETとSiCダイオードを組み合わせたアプローチは、全体的なシステム効率を3%向上させ、システム損失を70%削減することを可能にします。

図2は、各段階における効率向上、電力密度の増加、および電力損失削減について詳しく示しています。この例では、Wolfspeed SiC MOSFETは45kHzで動作しており、IGBTの16kHzと比較されています。

WolfspeedのSiC MOSFET、例えばC3M0040120K 1200 Vデバイスは、図2の30 kW昇圧回路で使用されているように、IGBTよりもはるかに高いスイッチング周波数で動作可能であり、より小型のインダクタやコンデンサ部品の使用を可能とし、インバーターの小型化に貢献します。SiC MOSFETを補完する形で、WolfspeedのSiCダイオード、例えばC4D30120H 1200 Vショットキーダイオードは効率的な組み合わせを提供します。WolfspeedのSiC MOSFETとSiCダイオードを使用して設計されたインバーターは、IGBTベースのユニットと比較して最大80％軽量化されています。例えば、60 kWのIGBTインバーターは173 kg（380.6ポンド）ですが、Wolfspeedのシリコンカーバイドベースのインバーターは33 kg（72.6ポンド）です。この軽量化により、設置時にクレーンや複数の作業員が必要となるIGBTシステムと比べて大きな利点が得られます。軽量化によってSiCインバーターの設置および試運転に必要な作業員が減少し、全体の実施コストが削減され、作業効率が大幅に向上します。

ウルフスピードのSiC MOSFETを三相60kWソーラーインバーターに使用する利点は、住宅用太陽光発電設備に使用される小型の単相インバーターにも同様に適用されます。住宅用インバーターでは、SiCがインバータ設計を簡素化し、ウルフスピードのSiC MOSFETの回復損失の減少特性により、損失を80%以上削減することが可能になります。

図4は、単相7kW住宅用インバータの最大電力点追尾（MPPT）昇圧コンバータおよびインバータステージを示しています。昇圧機能は、パネルからの入力電圧が天候条件の変化により1日の中で大きく変動するため、任意のソーラーインバータ設計において重要な要素です。入力電圧をインバータに対して一貫した400Vに昇圧することで、システムはより効率的に動作し、インバータは信頼性の高い220VAC出力を提供することができます。Hericトポロジインバータでは、WolfspeedのC3M0045065K 650V SiC MOSFETが4つ使用されており、IGBTデバイスを使用する場合と比較して損失を17%削減しています。昇圧機能には、WolfspeedのC6D16065D 650V SiCショットキーダイオードが使用されています。他のシリコンダイオードと比較して、Wolfspeedダイオードはリバースリカバリ電荷がゼロであり、超高速スイッチング動作を可能にし、温度特性にわたる最小の順方向電圧降下を有し、温度に依存しないスイッチング特性を備えています。

単相ソーラーインバータの開発を迅速化するために、Wolfspeedは60 kW昇圧コンバータのリファレンスデザインを提供しています。このCRD-60DD12Nリファレンスデザインには、回路図、PCBレイアウト、部品表（BOM）が含まれ、WolfspeedのC3M0075120K 1200 V SiC MOSFETおよびWolfspeedのC4D10120D 1200 V SiCショットキーダイオードを使用しています。この60 kW設計は、最大78 kHzのスイッチング周波数で動作可能で、最大99.5%のピーク効率で動作することができます。

Wolfspeed SiC 設計リソース

今日からWolfspeed SpeedFit™ Design Simulatorを使用して、太陽光設計のシミュレーションを開始し、WolfspeedのシリコンカーバイドMOSFETおよびダイオードを使用する利点をご確認ください。SpeedFitは、簡単に使用できるオンラインインターフェースを提供し、導通損失およびスイッチング損失を予測するシミュレーションを迅速に実行したり、R_gによる性能の変化を評価したり、異なるデバイスや熱構成を比較したりすることができます。