バッテリーエネルギー貯蔵システムの用途とソリューション

エネルギー貯蔵システム (ESS) は低炭素社会の構築において重要な役割を果たしており、最も急速に拡大している産業用途の一つです。この成長を促進する要因には、各国の脱炭素目標に合致した積極的な政策、太陽光発電など再生可能エネルギー源の貯蔵と制御に対する需要の高まり、リチウムイオン電池のコスト削減の進展が含まれます。本記事では、ESSのアーキテクチャ、そしてonsemiによって提供される製品とソリューションについて紹介します。

ESSは広く研究されているアプリケーションであり、電気化学的貯蔵（バッテリー）、機械的貯蔵（圧縮空気）、熱貯蔵（溶融塩）などの方法でエネルギーを蓄えます。本記事では、ソーラーインバーターシステムに接続されたバッテリー貯蔵システムに焦点を当てます。

バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) は、住宅部門および商業部門の両方で広く利用されています。住宅用途において、BESS は予期せぬ停電を防ぎ、低価値の期間から高価値の期間にエネルギーをシフトすることでコストを節約するバックアップ電源として機能します。より大規模な商業システムでは、BESS は太陽光インバーターによって生み出される無料でクリーンなエネルギーを効率的に貯蔵・管理することができ、低炭素排出を達成します。今日のBESSのもう一つ重要な特徴は、電気自動車充電需要の増加によって引き起こされる送電網への負荷を軽減する能力です。

BESSは、バッテリーパック、バッテリーマネジメントシステム (BMS)、パワーコンバージョンシステム (PCS)、およびエネルギーマネジメントシステム (EMS) の4つの部分で構成されており、商業用途および住宅用途の両方に適しています。バッテリーパックはバッテリーセルで構成され、高電圧モジュールがラックやバンクに統合されることで高い容量を実現します。通常、充放電電圧範囲はバッテリー電圧や回路トポロジに応じて50Vから1100Vとなります。BMSは充電可能なバッテリーを管理する電子システムで、安全動作領域 (SOA) 内での動作を保証し、動作状態を監視し、運転寿命を延ばすためにリアルタイムデータを計算および報告します。PCSは、バッテリーパックを電力網および/または負荷に接続して双方向のエネルギー変換を行うもう一つの重要なサブシステムです。これにより、システムのコスト、サイズ、性能が大きく決まります。EMSは、グリッドオペレーターが発電や送電システムのパフォーマンスを監視、制御、最適化するために使用するソフトウェアベースのコンピュータ支援システムです。

IGBTと比較して、SiCデバイスは高電圧・大電流のアプリケーションにおいて、高周波スイッチングを可能にするなど、より多くの利点を持っています。IGBTは依然としてBESS設計における推奨選択肢ですが、特定の部分でSiCデバイスを組み合わせることで、異なるスイッチング戦略を考慮して、卓越した性能を提供することが可能です。例えば、A-NPCを使用した双方向インバータでは、専用のスイッチング戦略が内側のスイッチに対して高いスイッチング周波数を必要とする場合、SiCデバイスを内側のレッグに選択することでスイッチング損失を減少させ、他のスイッチには低VCE_(SAT) IGBTを使用することで費用を抑えることができます。

PCSで一般的な双方向トポロジーとして、三レベルのI-NPCおよび三レベルのANPCは、増加する出力電力に対応するよう設計されています。二レベルのトポロジーと比較して、三レベルのトポロジーはより多くの部品、駆動信号、そしてより複雑な制御構造を必要とします。しかし、その利点は明白です。三レベル構成の目的は、適用される電圧を半減することで電力損失と電流リップルを減少させ、EMI性能を向上させることです。

NXH800H120L7QDSGは、onsemiの新しいQDual3 1200 V 800 A ハーフブリッジIGBTパワーモジュールです。統合されたField Stop Trench 7 IGBTとGen.7ダイオードにより、導通損失とスイッチング損失を低減し、設計者が高効率かつ優れた信頼性を達成することを可能にします。複数のQDual3モジュールを並列接続することで、三レベルANPCモジュールを形成でき、システム出力は1.6 MWから1.8 MWに達します。

DESAT (デサチュレーション) は、高出力変換における重要な保護機能の一つです。これにより、IGBT/MOSFET が短絡による損傷を防ぐために、スイッチを可能な限り迅速にシャットダウンします。NCD57000 はデサチュレーション検出機能を統合しており、V_CESAT が目標値に達した際に、内部のSTO (ソフトターンオフ) MOSFET がアクティブになり、ゲート容量を放電させ、高 dV/dt による過電圧ストレスと損失を減少させます。さらに、この単一チャネルゲートドライバは、高いソース/シンク電流（4 A/6 A）、5 kVrms のガルバニック絶縁、UVLO やアクティブミラークランプなどのその他の保護機能も備えています。

以下は、バッテリーエネルギー貯蔵システムアプリケーション向けのonsemiの主要製品のいくつかです。まず、補助電源は通常、一次側制御を備えたQR（準共振）フライバックトポロジーを使用して設計されています。NCP1362は、低出力オフラインSMPS向けの一次側PWMコントローラーです。NCP1362を使用する主な利点は、光結合フィードバックを必要としないため、電源の信頼性が向上する点にあります。また、低いVDSでスイッチをオフにすることで効率を改善し、熱を削減します。NCP1362は、二次フィードバック回路を必要としない一次側QRフライバックコントローラーで、谷ロックアウトQRピーク電流モード制御を実行可能であり、軽負荷効率および待機性能が最適化されています。

分散型エネルギー貯蔵システムは、数百のPCSと制御ユニットで構成されることがあります。現代の指令センターは、増大するノードおよびコンピューティングの要求に対応するために、より複雑な接続ソリューションを必要とします。onsemiのNCN26010は、802.3cg標準に準拠した市場で初のコントローラーの1つです。この製品はIEEE 802.3cgで定められるノイズ耐性レベルを上回る優れたノイズ耐性を提供し、最大50メートルの範囲をカバーしながら、必要な配線を最大70％削減し、設置コストを最大80％削減し、ソフトウェアの保守コストを削減します。

EliteSiC 1200 V MOSFETは、高温動作に最適化された新しいシリーズの1200 V M3S平面SiC MOSFETであり、高周波動作における寄生容量が改善されています。V_GS = 18 Vの場合、R_DS(ON) = 22 mΩで、超低ゲートチャージ（Q_G(TOT) = 137 nC）を実現しています。高速スイッチング、低容量（C_OSS = 146 pF）を特徴とし、Kelvin Sourceを備えた4ピンパッケージを採用しています。

Field Stop VII 1200 V IGBTは、トレンチナローメサとプロトンインプラントの複数バッファを備えた1200 Vトレンチ Field Stop VII IGBTの新シリーズで、迅速なスイッチングと低いV_CE(SAT) タイプを提供します。これにより、高周波動作のための寄生容量が改善され、一般的なパッケージを特徴としています。主な対象アプリケーションはエネルギーインフラストラクチャと工場自動化です。

Field Stop VII IGBT PIM NXH800H120L7QDSG は、Field Stop Trench 7 IGBT と第 7 世代ダイオードにより高効率性と制御性を備えています。1200 V、800 A の 2-in-1 半橋構成をサポートし、競合製品と比較して電力密度が 10% 向上し、エネルギー損失が 10% 削減されています。また、低い熱抵抗、絶縁されたベースプレート、NTC サーミスタ、はんだ付け可能なピン、必要に応じたプレスフィットピン、低インダクタンスレイアウトを備えています。

ゲートドライバを選択する際には、電流駆動能力、障害検出、ノイズ耐性、伝播遅延、互換性などの要因を考慮することが重要です。ただし、これらの要因すべてがすべての用途において等しく重要であるとは限りません。例えば、IGBTとは異なり、SiC MOSFETの出力特性は可変抵抗のようなものであり、飽和領域がないため、通常のデサチュレーション検出原理は機能しません。一つの解決策は、過電流を検出するために電流センサーを使用するか、異常な温度を検出するために温度センサーを使用することです。

NCP51561は、4.5A/9Aのソース/シンクピーク電流を備えたデュアルチャンネル絶縁ゲートドライバです。36 nsの標準伝搬遅延と最大5 nsの遅延マッチング精度を特徴とし、ANBを介してシングルまたはデュアル入力モードをサポートします。5 kVのガルバニック絶縁をサポートし、CMTIは≥200 kV/μsです。SOIC-16WBパッケージで、クリープ距離は8mmです。

NCD57080 / NCD57090は、6.5Aのソース/シンクピーク電流を備えたシングルチャネルの絶縁型ゲートドライバです。これらは、分割出力アクティブMillerクランプまたは負バイアスバージョンを提供し、3.3V、5V、および15Vロジック入力をサポートし、3.5 kVのガルバニック絶縁を提供します。それらのCMTIは≥ 100 kV/μsです。NCD57080は、4mmのクリープ距離を持つSOIC-8パッケージで提供され、NCD57090は、8mmのクリープ距離を持つSOIC-8WBパッケージで提供されます。

NCD57100は、7Aのソース/シンクピーク電流、UVLO、およびDESAT保護を備えた単一チャンネルの絶縁ゲートドライバです。負のVEEを含む広いバイアス電圧範囲をサポートし、3.3V、5V、15Vのロジック入力に対応しています。また、3.5 kVのガルバニック絶縁を提供し、CMTIは≥ 100 kV/μsを有しています。このドライバは、8mmのクリープ距離を備えたSOIC-16WBパッケージで提供されます。

双方向AC-DCコンバータの一般的なトポロジーにおいて、三相フルブリッジコンバータはシンプルな回路構成、容易な制御、そして部品数の少なさが特徴です。しかしながら、スイッチは全バス電圧およびスパイクに耐えなければならず、高容量トランスを必要とするため、コストと最終システムサイズが増加します。THDとインダクタサイズを削減するために、広帯域ギャップ部品が推奨されます。

単相/三相トーテムポールコンバーターは、効率、EMI、THDを改善し、サイクルごとのスイッチングイベントの回数を減らすことができます。スイッチの数が少なく、電力密度が高いですが、回復損失を最小限に抑えるために広帯域ギャップコンポーネントが必要です。また、零交差点ノイズおよび共通モードノイズを示します。

三相三レベルコンバータは、三レベル構成を採用しており、特定のスイッチにかかるTHDおよび電圧ストレスを低減することができます。より多くのゲートドライバとより複雑な制御を必要としますが、より高い効率と高コストを提供し、ソーラーインバータ設計における実績ある構成です。

一般的な双方向DC-DCトポロジーにおいて、昇降圧コンバータは充電/放電電圧範囲を拡張し、バッテリーの利用効率を向上させることができます。充電時および放電時に双方向の電力変換を実現し、部品数が少なく制御が容易です。部品の選択はバッテリー電圧によって異なる場合があります。

デュアルアクティブブリッジコンバータは、フェーズシフト変調を使用して高負荷時にゼロ電圧スイッチング（ZVS）を実現することができます。両段階で電流が不一致になると、予期しない損失が発生する可能性があります。期待される効率を達成するためには、フェーズシフト、トランスフォーマー、および周波数に対して複雑な設計が必要です。高周波数/高電圧動作の場合、ワイドバンドギャップコンポーネントが推奨されます。これらは出力電流リップルを低減し、出力コンデンサのサイズを最小化します。そのため、高出力アプリケーションにも適しており、安全性を確保するための絶縁型変換をサポートします。

CLLC共振コンバータは、1つのコンデンサを追加することでLLCに基づく双方向変換を実現できます。複雑な周波数変調とパッシブ選択を通じて、双方向で高効率を達成します。広い出力範囲を実現するためには追加のDC-DC変換が必要であり、それによって優れた効率が確保されます。全負荷範囲にわたってDABよりも優れた効率を持ち、安全性のための絶縁変換をサポートします。

onsemi は、バッテリーエネルギー貯蔵システム向けに、双方向AC-DCおよび双方向DC-DCコンバータ、絶縁ゲートドライバ、電力管理、信号調整および制御、ロジックおよびメモリ、インターフェースなどを含む完全な製品ラインを提供しており、顧客のワンストップショッピングのニーズに応えます。

バッテリーエネルギー蓄電システムは、現代のエネルギー構造において重要な役割を果たします。それらは再生可能エネルギーの利用効率を効果的に向上させるだけでなく、グリッドの安定性と電力の柔軟性に信頼性のあるサポートを提供します。技術革新が継続する中で、蓄電システムの安全性、寿命、費用対効果は着実に向上し、住宅、商業、産業、そして大規模な電力インフラへの幅広い応用を促進しています。onsemiは、バッテリーエネルギー蓄電システム設計に必要な完全な製品ラインを提供しており、関連アプリケーション製品の設計速度を加速し、市場機会をつかむのに役立ちます。