世界中で、利用可能な再生可能エネルギー源を選択する社会が増えています。消費者や大企業、中小企業は、太陽エネルギーを、実行可能でクリーンかつ便利なエネルギー源とみなしています。太陽光発電パネルを使用した太陽エネルギーの収集は、コンパクトな住宅の屋上設置でも、商業オフィスの上でも、拡張可能な再生可能なアプローチを提供します。この記事では、Wolfspeed SiCが太陽エネルギー インフラストラクチャをどのように変革するかについて説明します。
高効率電力変換の重要性
太陽エネルギーを収集し、それを標準のACグリッド電圧に変換するには複数の段階が必要であり、それぞれで損失が発生します。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、全体として変換効率の低下につながり、投入したエネルギーよりも得られるエネルギーが少なくなります。
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が最も重要です。損失を削減するには、I2R導体損失、半導体伝導損失、関連する受動部品で発生する損失など、損失が発生する場所を詳細に理解する必要があります。熱は通常、エネルギー損失の結果であり、ヒートシンクまたは強制空冷を使用して放散する必要がありますが、これにより重量とコストが増加し、全体的な設置面積が拡大します。さらに、電子部品を高温で動作させるとシステムの信頼性が低下し、ダウンタイムによるコストの増加や収益の損失につながる可能性があります。
当初からシリコンベースの半導体が主流でしたが、よりコンパクトで効率的、かつ低コストの電力変換の必要性から、新しい半導体技術の研究が推進されました。シリコンと比較すると、シリコンカーバイド (SiC) などのワイドバンドギャップ材料は、より高いスイッチング周波数とより高い電圧で動作し、動作温度範囲が広いため、より小型でコンパクトな設計と、システムレベルの電力密度が高くなります。
太陽光発電インバータの使用事例の比較
シリコンベースの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) は、これまで太陽光発電システム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使用されてきました。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、システム損失の70% 削減、重量の80% 削減 (60 kWインバータの場合)、システム コストの最大15% 削減など、大きな利点をもたらします。さらに、WolfspeedのSiC MOSFETは、温度に対するRds(on) 特性が業界トップクラスで、シリコン製の同等製品に比べてピーク逆回復電流が30% 少なくなっています。
図1は、60 kWの太陽光発電インバータと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つの機能ステージには、スイッチング半導体が必要です。800 Vout MPPTブースト、400 VAC 3相インバーター、および400 Vバッテリー チャージャー/エネルギー ストレージ システム (ESS) です。IGBTと比較すると、Wolfspeed SiC MOSFETとSiCダイオードを組み合わせたアプローチでは、システム全体の効率が3% 向上し、システム損失が70% 削減されます。
図1: 商用60kW太陽光発電インバータおよびエネルギー貯蔵システムの高レベル機能アーキテクチャ
図2は、各段階での効率、電力密度、電力損失の削減の向上を詳しく示しています。この例では、Wolfspeed SiC MOSFETは45 kHzで動作しますが、IGBTは16 kHzで動作します。
図2: WolfspeedのSiC、ハイブリッドSiC、シリコンのみのアプローチの効率、電力密度、電力損失の削減の比較
図2の30 kWブースト セクションで使用されているC3M0040120K 1200 VデバイスなどのWolfspeedのSiC MOSFETは、IGBTよりもはるかに高いスイッチング周波数で動作できるため、より小型のインダクタと容量性コンポーネントを使用でき、インバータのフットプリントの削減にさらに貢献します。SiC MOSFETを補完するWolfspeedのSiCダイオード (1200 Vショットキー ダイオードのC4D30120Hなど) は、効率的なペアの組み合わせを実現します。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ベースのユニットよりも最大80% 軽量です。たとえば、60 kW IGBTインバータの重量は173 kg (380.6ポンド) ですが、Wolfspeedシリコンカーバイドベースのインバータの重量は33 kg (72.6ポンド) です。IGBTシステムの設置にはクレーンと複数の人員が必要となるため、この軽量化は設置時に大きな利点となります。重量が軽減されたため、SiCインバータの設置と試運転に必要な人員が減り、全体的な実装コストが削減され、プロセスの生産性が大幅に向上します。
図3: Wolfspeed SiCソリューションで最大80%軽量のインバータを設計
WolfspeedのSiC MOSFETを3相60 kWソーラー インバータに使用することによる利点は、住宅用太陽光発電設備で使用される小型の単相インバータにも同様に適用されます。住宅用インバータでは、SiCによってインバータの設計が簡素化され、Wolfspeed SiC MOSFETの回復損失特性の低減により、80% を超える損失の削減が達成されます。
図4は、単相7kW住宅用インバータの最大電力点追跡 (MPPT) ブースト コンバータとインバータ ステージを示しています。パネルからの入力電圧は天候の変化により日中に大きく変化する可能性があるため、ブースト機能はあらゆる太陽光インバータ設計の重要な側面です。インバータへの入力電圧を一定した400 Vまで上げることで、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220 VAC出力を供給します。Hericトポロジ インバータは、4つのWolfspeed C3M0045065K 650 V SiC MOSFETを使用して、IGBTデバイスを使用する場合と比較して損失を17 % 削減します。ブースト機能には、Wolfspeed C6D16065D 650 V SiCショットキー ダイオードが使用されます。他のシリコンダイオードと比較して、Wolfspeedダイオードは逆回復変化がゼロであるため、超高速スイッチング動作が可能で、温度特性に対する順方向電圧降下が最も低く、温度に依存しないスイッチング動作を備えています。
図4: 単相7kW住宅用太陽光発電インバータのMPPTブーストおよびインバータ段
単相ソーラーインバータの開発を加速するために、Wolfspeedは60 kWブーストコンバータのリファレンス設計を提供します。CRD-60DD12Nリファレンス デザインには回路図、PCBレイアウト、BOMが含まれており、Wolfspeed C3M0075120K 1200 V SiC MOSFETとWolfspeed C4D10120D 1200 V SiCショットキー ダイオードを使用します。60 kW設計は、最大78 kHzのスイッチング周波数で動作し、最大99.5% のピーク効率で動作できます。
Wolfspeed SiC設計リソース
Wolfspeed SpeedFit™ 設計シミュレータを使用して今すぐ太陽光発電設計のシミュレーションを開始し、WolfspeedシリコンカーバイドMOSFETとダイオードを使用する利点を確認してください。SpeedFitは、伝導損失とスイッチング損失を予測し、Rg によってパフォーマンスがどのように変化するかを評価し、さまざまなデバイスと熱構成を比較するシミュレーションを迅速に実行するための使いやすいオンライン インターフェイスを提供します。