過去10年間で世界人口が急増し、現在では80億人を超えており、エネルギー需要も同様に増加しています。2040年までに世界のエネルギー需要は約19% 増加すると予想されています。このうち、現在のエネルギー需要の40パーセントは電気エネルギーの形で供給されており、2040年までに60パーセントに達し、総エネルギー需要の半分以上を占めることになります。
現在、世界の電力需要の半分以上は化石燃料によって賄われており、自然環境に悪影響を及ぼしています。化石燃料の燃焼により温室効果ガスの排出量が増加し、地球温暖化が進行し、人類や地球上の他の種の生命に大きな危険をもたらします。
地球温暖化の影響により、太陽光、風力、水力など、より環境に優しく再生可能なエネルギー源の導入への関心が高まっています。これらの資源はすべて自然界に豊富に存在し、水などの副産物を生成しますが、これも無害であり、他の用途に再利用できます。これらの再生可能エネルギー源には利点があるにもかかわらず、化石燃料と比較すると市場シェアの成長は依然として非常に遅いようです。これは主に、エネルギー需要の不一致と、これらの変動に対応するための緩衝材としてガスまたは石炭火力発電所を使用していることに起因しています。
最終的な目標は、エネルギーを持続的に使用し、エネルギーの無駄を可能な限り最小限に抑えることです。再生可能エネルギーだけに頼ることはできないため、この問題に取り組むにはエネルギーを節約するための技術と戦略の開発が重要になります。によると、 カナダ石油生産者協会 (CAPP)継続的な改善がなければ、世界は現在の需要を満たすために2倍のエネルギーを必要としていただろう。 エネルギー効率。パワーエレクトロニクスに基づくエネルギー効率の高いコンバーターを使用すると、電力変換効率は場合によっては最大99パーセントに達することがあります。これについては後ほど詳しく説明します。
発電から利用までのエネルギー損失。(画像提供: reasearchgate.net)
可変速ドライブ (ASD) におけるパワーエレクトロニクス
物理的な動きを伴うほとんどのアプリケーションでは、機械システム全体に電力を供給する電気モーターが使用されます。総電気エネルギーの40パーセント以上が電気モーターだけで消費されます。モーターのエネルギーシェアは、コンバーターベルト、リフト、モーションコントロールシステムなどのアプリケーションにより、業界ではさらに高く、約65% になります。アプリケーションによっては、さまざまな速度とトルクが必要なため、ASDが最も効率的ですが、一定の負荷プロファイルを持つ他のアプリケーションでは、異なるタイプのドライブが使用されます。したがって、エネルギー効率の高いモーター駆動システムを構築することで、世界のエネルギー消費量を削減できる大きなチャンスがあります。
従来のモーター駆動装置と比較すると、パワーエレクトロニクスベースの駆動装置は、熱によるエネルギー損失が最小限に抑えられるため、消費エネルギーが大幅に少なくなります。抵抗バンクをベースにした従来のモータースターターでさえ、非常に非効率であり、現在の基準ではパフォーマンスが低下します。サイリスタ、SCR、IGBT、MOSFETなどのソリッドステート パワー エレクトロニクス コンポーネントの導入により、後付けに適した効率的なモーター スターターが開発されました。Celduc Relaisの SMCV6080 誘導モーター減電圧スターターは、ソフトスタートとソフトストップの機能を備えた製品の1つです。6個のサイリスタを使用して、モーターをスムーズに制御します。統合マイクロコントローラにより、このスターターは診断機能とセルフテスト機能も提供できます。
パワーエレクトロニクスによる省エネ照明
電気照明システムは、特に日光が少ない場所では夜間だけでなく日中でも継続的に使用されるため、電気エネルギーの次に大きな消費源となります。電気照明は世界の電気エネルギー使用量の約22パーセントを占めており、エネルギーを節約できる大きな可能性を秘めています。パワーエレクトロニクスベースの照明ドライバを使用することで、少なくとも20パーセントのエネルギーを節約でき、IoTベースのインテリジェント制御ソリューションを使用することで、エネルギー節約をさらに高めることができます。1879年に最初の白熱電球が導入されて以来、光源を作成する技術は大きく進歩し、LEDライトは最も効率的で最新のものとなっています。
TRIACSなどのパワーエレクトロニクス デバイスは、白熱電球とLEDライトの両方を制御してコストを節約できる調光可能なドライバーの開発に使用されます。PWM (パルス幅変調) ベースのLEDドライバは、電流出力を正確に制御して照明を調光する機能を実現するために使用されます。パワーエレクトロニクスの進歩により、LEDドライバICは指先よりも小さくなりました。Infineon Technologiesの ILD6150XUMA1 は、高出力LED用のコンパクトなLEDドライバの1つです。高出力LEDは大量の熱を発生するため、アナログのPWM調光制御と調整可能な過熱保護機能を備えています。
ワイドバンドギャップベースのパワーエレクトロニクス
パワーエレクトロニクスは、電力が関係するほぼあらゆる場所に適用できます。したがって、半導体デバイスに適切な材料を選択することも重要な役割を果たします。過去数十年にわたり、シリコン (Si) は、低コストと幅広い電圧および電流処理能力を備えているため、これらのデバイスの開発に最も好まれる選択肢となってきました。一方、テクノロジーが小型化と高効率化を進めるにつれ、Siデバイスは限界に達しました。
Si、GaN、SiCの性能比較。(画像提供: reasearchgate.net)
SiC（シリコンカーバイド）と GaN（窒化ガリウム） は、多くの利点があり、Siに代わる有望な技術として登場しています。GaNは高周波スイッチング機能と3.2eVのバンドギャップを提供しますが、Siのバンドギャップはわずか1.1eVです。一方、SiCは、Siと比較して、高温および高電圧に対応できるほか、バンドギャップも大きいという特徴があります。これらすべての要素により、SiCとGaNは半導体の未来となり、MOSFETなどのデバイスの開発に使用されます。GaN Systemsの GS065011 GaNトランジスタは、特許取得済みのIsland Technologyセル レイアウトの恩恵を受けるデバイスの一例です。熱抵抗が150mΩ と非常に低いため、LEDドライバ、バッテリ充電、モーター駆動などのアプリケーションで高効率の電力スイッチングが可能になります。
パワーエレクトロニクスの将来展望Equipment
人類が今や世界を動かし続けるために電気に完全に依存していることは疑いの余地がありません。これにより、より高性能で効率の高いパワーエレクトロニクス機器の研究や、電子機器を可能な限り理想的な条件に近づけて動作させるという、ほぼ無限の可能性が生まれます。一方、シリコンやガリウムなどの材料は環境中で限られているため、持続可能性は念頭に置くべき重要な側面の1つになります。性能が向上するにつれて、このようなコンバーターの需要も増加し、原材料の搾取につながります。したがって、効率的なエネルギーによるエネルギー節約の増加とエネルギー効率の両面のバランスをとることが、今後検討すべき課題となるでしょう。
