住宅用エネルギー貯蔵ソリューション (ESS) は、産業や発電の環境に適用されるだけでなく、現在のアプリケーションと市場動向を反映して、住宅部門でも重要になっています。住宅用ESSソリューションでは必要な電力は低くなりますが、効率性と安全性に対する要求は産業用アプリケーションと同程度です。この記事では、住宅用ESSソリューションの市場動向と、Arrow社とRohm社が発表したSiC関連ソリューションの機能的特徴を紹介します。
電気エネルギーを貯蔵および管理するための住宅用ESSアプリケーション
住宅用ESSは、住宅環境での使用向けに設計されたエネルギー貯蔵ソリューションです。その目的は、電気エネルギーを貯蔵・管理し、エネルギー効率の向上、エネルギーコストの削減、エネルギー供給の安定性の向上を目指すことです。住宅用ESSアプリケーションには通常、太陽光発電システム (光起電システム) が含まれます。太陽光発電システムでは、太陽光を直流 (DC) 電気エネルギーに変換するために、屋根やその他の適切な場所に太陽光発電パネルを設置するのが一般的です。
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気エネルギーの流れを制御する充電コントローラも必要です。太陽光発電によって生成された電気エネルギーがバッテリーに蓄えられるようになります。バッテリーはESSの中核コンポーネントであり、日中に太陽光発電によって生成された電気エネルギーを蓄え、夜間や曇りの日に供給するために使用されます。一般的なバッテリー技術には、リチウムイオンバッテリー (Li-ion) と鉛蓄電池があります。
ESSには、バッテリーに蓄えられた直流 (DC) を家庭用電化製品や照明に電力を供給する交流 (AC) に変換するインバータも必要です。さらに、エネルギー管理システム (EMS) を使用して、家庭のエネルギー消費量、天気予報、電気料金など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、充電と放電の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できるため、家庭は必要なときに電気を購入したり、エネルギーが豊富なときに余剰エネルギーを電力網に売り戻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「双方向計測」として知られています。監視システムを通じて、住宅所有者はエネルギーシステムのリアルタイムの動作状態を監視し、エネルギーの生成と消費を追跡し、遠隔で動作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動作モードの変更や、充電および放電時間の設定が含まれます。
住宅用ESSのアーキテクチャは、特定の要件とテクノロジーに基づいて調整でき、最適なパフォーマンスと効率を確保できます。このシステムは、エネルギーの自給自足、省エネ、排出量の削減に役立ちます。さらに、停電時にはバックアップ電源も提供します。
住宅用ESSアプリケーションの要件は、主に住宅用ESSの電力需要が低い点 (通常は10 kW未満の電力が必要) において、産業用アプリケーションとは異なります。双方向の電力変換をサポートする必要があり、高効率で高い安全仕様のDC/DCトポロジに加えて、高い電磁両立性特性を備えた高効率AC/DCトポロジが使用されることがよくあります。住宅用ESSは広範囲のバスバー電圧 (360V - 550V) をサポートする必要があり、通常はバッテリーをDC側に配置します。システム効率は通常90% を超えることが求められ、信頼性の高いシステム安定性が不可欠です。サイズと重量の削減目標を達成するために、高い電力密度を達成することに重点が置かれています。さらに、コスト削減が重要な考慮事項であり、安全基準、EMC、ノイズ特性に対する要求も高くなっています。
SiCデバイスはシリコンデバイスに比べて優れた性能を発揮する
上記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) を使用するのが一般的です。これは、SiCデバイスが大きな利点を提供し、高電流および高温条件下でのシステム効率を向上させるためです。SiC材料の高い破壊電界により、SiCデバイスはより高い電圧で動作することができ、シリコン デバイスに比べて高い電圧許容度が得られます。このため、SiCデバイスは電力変換アプリケーションで特に役立ちます。
さらに、SiCデバイスは電子移動度が高く、高周波アプリケーションに優れています。高周波コンバーターやパワーアンプなどのアプリケーションでは、SiCデバイスの方が優れたパフォーマンスを発揮します。SiCの熱伝導率はシリコン デバイスの3倍であるため、小型化と軽量化が可能になり、電力密度が向上し、システム コストが最適化されます。単位体積あたりのコストが下がることで、エネルギーを安全かつ確実に双方向に変換できるようになります。これにより、体積を50% 削減し、ワット単位あたりのコストを引き下げるという目標が達成され、同じ電力レベルでは、SiCデバイスの体積が小さくなり、重量が軽くなります。
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です。この特性により、SiCデバイスは過酷な環境での用途に適したものになります。SiCデバイスの高いキャリア移動度により、スイッチング速度が速くなります。これは、スイッチング損失の削減、変換効率の向上、デバイスの動的特性の向上に役立ちます。
SiCエネルギー貯蔵ソリューションを採用することで、製品の寸法を小さくし、重量を軽減できます。より高いスイッチング周波数が可能になり、より小型の磁気デバイスを使用するため、より小型のトランス/インダクタを使用できます。これにより、損失が低減し、放熱性が向上します。シリコンIGBTと比較すると、同じ電力をより小さな筐体に収容できます。シリコンIGBTと比較すると、SiCは電力密度 (W/kg) が2倍になり、高い電力密度を実現します。ループ制御が少ないシンプルな双方向コンバータトポロジを利用できるため、効率が向上します。
SiCデバイスは単位体積あたりのオン抵抗が低いため、伝導損失が減少します。ターンオフ時のオン状態損失が低いため、電流テーリング現象がなくなり、スイッチング損失が低くなります。ボディダイオードの回復損失は非常に小さく、SiCデバイスにより部品表 (BOM) の削減が可能になります。このシステムは堅牢で耐久性があり、高い信頼性を提供します。
バスバー電圧が500VのDC-DCハイサイド設計を例にとると、高電圧側で1200V SiCとIGBTの組み合わせを使用できます。駆動電圧は15V/-2.5V、スイッチング周波数は30kHzです。回路の反対側では、駆動電圧15V/-2.5V、スイッチング周波数76kHzで650V SiCとIGBTを使用できます。高電圧側にSiCデバイスを使用すると効率が高くなります。SiCパワーデバイスは15V駆動で動作し、IGBTパワーデバイスソリューションと互換性があります。
双方向DC/DC電力コンバータの設計上の課題と解決策
ESS用の双方向DC/DC電力コンバータを設計する場合、対処すべき課題が数多くあります。たとえば、放電モードでは、無負荷状態での定常動作とローサイドMOS Vdsストレスを解決することが重要です。1つの解決策は、トランスの一次側でインダクタンスを200µHに増やすことです。このアプローチにより、電圧ストレスが25% 削減され、効率が6% ～ 7% 向上します。
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対処する必要があります。解決策は、入力ポートでPWM + PFMハイブリッド制御を使用することです。これにより、電圧ストレスが27% 削減され、Vmaxは80Vで124Vに達します。同様に、放電モードでは、共振コンデンサの温度が過度に高くなる（96°C@2100W）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に変更すると、共振コンデンサの温度を65°C@3000Wまで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180kHz付近に変化し、ゲイン曲線が不安定になることがあります。この問題に対処するために、SRMOSの固定伝導時間周波数ポイントを180kHz未満に調整して、ゲイン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
Shenzhen Winchen ElectronicsとArrowがサポートする6600V 48V双方向高周波絶縁型DC-DCリファレンス デザインがその例です。充電部では、DCバスバー充電範囲380～480 VDC、充電電流 ≤16A、出力電圧40～60 VDC、出力電流 ≤140A、最大出力電力6.6kWをサポートします。充電効率は420Vで95%に達し、充電電流リップル係数は1%です。放電部では、バッテリー側電圧範囲は40〜60 VDC、バッテリー側電流 ≤140A、DCバスバー電圧範囲は380〜480 VDC、最大出力電力は6.6kW、放電効率は54Vで94%に達し、バスバー電圧リップル係数は1%です。
このリファレンス デザインでは、Buck_Boostレギュレータなしで、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) です。Buck_Boostレギュレータでは、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) です。このリファレンス デザインでは、RohmのSCT3030AR TO-247パッケージのSiC MOSFET 8個と、BM61S41RFV-Cゲート ドライバおよびRJ1P12BBDTLLパワーMOSFETを使用します。
RohmのSCT3030ARは、650V Nch 4ピンパッケージのSiC MOSFETで、サーバー、太陽光発電インバーター、電気自動車充電ステーションなど、高効率が要求されるアプリケーションに最適です。4ピンパッケージに電源ピンとドライバソースピンを分離したトレンチゲート構造のSiC MOSFETを搭載し、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した。従来の3ピン パッケージ (TO-247N) と比較すると、総伝導損失とスイッチング損失を約35% 削減できます。
RohmのSCT3030ARは、低いオン抵抗、高速スイッチング速度、迅速な逆回復、並列接続の容易さ、シンプルな駆動を特長としています。RoHS規格に準拠した鉛フリーメッキでパッケージ化されており、太陽光発電インバータ、DC/DCコンバータ、スイッチングモード電源、誘導加熱、モーター駆動など、幅広い用途に適しています。
BM61S41RFV-Cは、絶縁電圧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。低電圧ロックアウト (UVLO) とアクティブ ミラー クランプ機能を備え、AEC-Q100規格に準拠しており、SSOP-B10Wパッケージで提供されます。RJ1P12BBDは、オン抵抗が低く、小型モールド パッケージに収められた高出力のNch 100V 120AパワーMOSFETです。鉛フリーメッキを採用し、RoHS規格に準拠し、ハロゲンフリーで、UISテストに合格しています。
結論
グリーンエネルギーは国際社会からますます注目を集めており、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。これには相当数の電子部品とソリューションが関係しており、広大な市場機会が生まれます。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支援します。ロームの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。詳しい情報については、Arrowに直接お問い合わせください。