シリコンカーバイドがグリーン代替案を好循環へ引き込む
EV市場を牽引する環境意識と規制は、バッテリー技術やシリコンカーバイドベースのデザインの革新を促進し、グリーンエネルギー生成の変革を実現しています。再生可能エネルギーの拡大の必要性は今や非常に重要です。気候変動の多様化、短期的な化石燃料の供給チェーンの問題、そして長期的な限られた化石燃料資源が増え続けるエネルギー需要に直面する中、地域のグリーンエネルギー源が選ばれるようになっています。特に太陽光発電や風力発電における再生可能エネルギーの投資収益率 (ROI) を大幅に向上するには、エネルギー貯蔵システム (ESS) の効率、容量、電力密度、そしてコスト効果を向上させる必要があります。そして、成長する電気自動車 (EV) 市場によって促進されたバッテリー技術とシリコンカーバイドデバイスの革新のおかげで、それらの目標を達成するためのソリューションが現在利用可能となっています。
太陽が太陽光発電の成功を照らす
国際エネルギー機関 (IEA) は、2022年には再生可能エネルギーの容量が8%増加し、300GWを超えると推定しています。同機関によると、この再生可能エネルギーのルネサンスを牽引しているのは太陽光発電 (Solar PV) であり、世界全体の再生可能エネルギー容量の成長の60%を占めるとされています。この成長の背景には、いくつかの理由があり、その中には課題の段階的解決が含まれています。
- ソーラーパネルと関連する電子機器はより効率的になり、風力や水力よりも速いペースで化石燃料に対してコストが低下しています。各国政府はこれを商業的インセンティブや規制支援を通じてさらに促進しています。
- 風力および太陽光エネルギーの生成特有の間欠性は、気候変動によってさらに悪化しますが、ESSを追加することで軽減できます。バッテリー技術の進歩により、容量の拡張やコストの削減が実現され、シリコンカーバイドベースの設計によりこれらのシステムがより効率的になっています。
- ソーラーパネル（太陽光発電）の主な利点は、住宅用の数キロワットから、ユーティリティスケールのソーラー農場におけるメガワットまで幅広くスケールできる点です。非常に高出力で高価なユーティリティスケールの投資が必要となる風力や水力とは異なり、ソーラーは多様なシステム構成に適応します。
パネルからESSシステム概要へ
ソーラーアーキテクチャは、一般的に3つの構成に分かれています。住宅レベルでは、マイクロインバーターが1～4枚のパネルブロックをサポートします。ストリングインバーターは、数キロワットから約50 kWのパネルクラスターを集積します。50 kWから200 kWでは、ストリングを統合して商業および産業用施設に対応します。メガワット規模のユーティリティ型設備では、大型集中型システムが使用されていましたが、現在では分散型ストリングベースのトポロジーが選ばれることが多く、設置時間とコストの削減、障害点の影響の軽減、全体的な保守コストの削減を実現しています。
最大電力点追従装置（MPPT）は、DC-DC昇圧回路であり、パネルアレイからの変動する電圧を取り込み、内部バスに一定の高い電圧を供給します（図1）。より安定したDCはインバータによってグリッド標準のACに変換されます。ESSの実装においては、双方向のDC-DC降圧・昇圧回路がバッテリー充電器として機能します。ESSがグリッドから充電される必要がある場合、インバータも双方向である必要があります。
パネルからグリッドへのシステム概要
図1
シリコンカーバイド技術の向上
シリコンカーバイドは、ブースト/MPPT DC-DC、双方向インバータまたはアクティブフロントエンド（AFE）、ESS充電/放電回路内の双方向DC-DCにおいて、低1kWから1MWを超える構成に対応するアプリケーションに適しています。そして、シリコンに対して多数の利点を提供します：
- ほとんどの用途で3倍の高いスイッチング周波数
- システム効率が約2%向上、または損失が約40%低減
- 最大で50%高い電力密度（3倍小型化、10倍軽量化）
- より小型の受動部品およびヒートシンク
- システム全体のBOMコストを削減
シリコンカーバイドショットキーダイオードは、効率を向上させるためにMPPTブースト回路で長い間使用されてきましたが、現在ではMOSFETを使用した完全なシリコンカーバイド実装の採用が広がっています。 例えば、WolfspeedのCRD-60DD12N 15-kW-by-4-channelブーストコンバータリファレンスデザインは、99.5%のエネルギー効率と78 kHzでのスイッチングを提供します。 シリコンで実現可能なものと比較して、この設計はエネルギー効率を1-2%向上させるか、約70%の損失削減、3倍の電力密度、10倍の重量削減を実現します。 そのすべてのパフォーマンスをシステム実装コストを抑えた状態で提供します。
シリコンカーバイドはAFEセクションにも同様の影響を与えます。6スイッチのシリコンIGBT実装は、比較的低コストとシンプルさのためによく使用されます（図2）。しかし、そのスイッチング周波数は最大約20kHzに制限されており、高出力レベルではそれよりもはるかに低くなります。シリコンスーパージャンクション（SJ）デバイスを使用したマルチレベルトポロジは、高い周波数のスイッチングと良好なシステム効率で必要な高電圧レベルを達成することを設計者に可能にしますが、それは複雑な制御と、追加のスイッチや関連するデバイスドライバによって生じる部品点数とBOMコストの増加という犠牲を伴います。これは、WolfspeedのCRD25AD12N-FMC 22 kW AFEリファレンスデザインによって実証されています。
シリコンカーバイドは、より簡潔で高効率、低コストなAFE設計を可能にします。
図2
ESS分野において、EV市場は蓄電トレンドに影響を与え、200Vのバッテリーパックの利用を可能にし、将来的には800-1000Vへ移行する可能性があります。これらの高電圧は双方向DC-DCコンバータに高電圧デバイスを必要とします。設計者は通常、80kHzから120kHzの間でシリコンによるスイッチングが制限される複雑な多段共振トポロジーで一般的な650V SJデバイスを使用してきました。一方、CRD-22DD12N 22-kW双方向DC-DCチャージャーのような、より単純な全てシリコンカーバイドを用いた実装では、部品数を抑え、システム全体のコストを削減しつつ、約200kHzの共振周波数を達成することが可能です。
シリコンカーバイドベースの双方向AFEとDC-DC充電器を組み合わせることで、いくつかのシステムレベルの利点が得られます:
- エネルギー損失を40%削減し、それによって可能にします
- システムレベルの効率が2%向上
- 50% 高い電力密度
- 最大で18%のシステムコスト削減
高出力シリコンカーバイドで構築された未来
いくつかの重要な短期的トレンドは、シリコンカーバイドベースのシステムによってサポートされています。太陽光の世界では1500 Vバスへの移行が進んでおり、これには2 kVデバイスまたは複雑なマルチレベルトポロジーが必要です。中央インバータ分野では、2 kV以上の中高電圧デバイスやパワーモジュールが必要となります。
シリコンカーバイドは、現在の中央インバーターで使用されているバイポーラスイッチではなく、ユニポーラスイッチを提供し、同じ効率、重量、サイズ、そしてコストの利点をもたらします。この新技術は、固体変圧器、風力発電、牽引などの新しいセグメントにも影響を与えるでしょう。
現在のニーズを満たすためのシリコンカーバイドのディスクリートデバイスやパワーモジュールは非常に多様ですが、Wolfspeedは、将来の要件を満たす新しい製品を市場に提供するべく、研究開発への投資を続ける伝統を維持しています。
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