ソーラーインバーターの開発動向とソリューション

世界的なグリーンエネルギー促進と炭素削減目標の取り組みが進む中で、ソーラーパワー技術は急速な進化を遂げ、再生可能エネルギーの主要な柱となっています。これらの技術の中で、太陽光パネルによって生成された直流電流 (DC) を交流電流 (AC) に変換する重要なコア機器であるソーラーインバーターは、発電システム全体の効率と信頼性に直接影響を与えます。この記事では、ソーラーインバーターにおける最新の発展動向と、将来のエネルギー移行およびスマートグリッドの課題に対応するためにonsemiが導入した革新的なソリューションについて探ります。

文明の進展と人口密度の増加に伴い、CO₂排出量の管理がますます難しくなっています。炭素排出による地球温暖化は気候の悪化を引き起こし、必然的に私たちの惑星に悪影響を及ぼします。そのため、この問題に対処するには、風力や太陽光発電などのクリーンエネルギー源を採用する必要があります。

再生可能エネルギー源である太陽光発電や風力発電は、炭素排出量を削減する最も効率的な方法のひとつです。風力発電とは異なり、太陽光インバータはさまざまな用途で広く使用されています。現在では、エネルギー貯蔵システムと組み合わせることで、人々はこの無料のエネルギーを制御し、蓄えることができます。太陽光インバータの核となる部分は、高出力変換段、DC-DC昇圧コンバータ、DC-ACインバータで構成されています。電力スイッチの進歩や最終製品からの新たな要求により、多くの新しいトポロジーが登場しています。

太陽エネルギーの主な利点は、ソーラーインバーターシステムを設置すれば、それが「無料」のエネルギー源であることです。このプロセスは環境に優しく、排出物を出さず、豊富で持続可能な資源である太陽に依存しています。太陽エネルギーを利用することで、気候変動に立ち向かい、化石燃料への依存を減らし、信頼性の高いエネルギー源を提供します。さらに、電気料金を削減することで、個人や企業に長期的なコスト削減をもたらすことがよくあります。

ソーラーインバーターは、種類（中央型、ストリング型、マイクロ型）や用途（住宅用、商業用、大規模ユーティリティ）によってさまざまなカテゴリに分けられます。現在、ストリング型インバーターはその柔軟性と設置の容易さから最も人気のあるタイプです。電力デバイスの継続的な進化により、単一インバーターの出力レベル/密度が向上している一方で、ユニットのコストとサイズが減少しており、それがソーラーインバータ市場における主流の選択肢となっています。

中央型太陽光インバーターは通常、超大容量のユーティリティ規模のステーションに設置されます。しかし、設置場所の制約により、中央型インバーターの新規設置容量は近年、ストリング型インバーターに追い越されています。住宅用発電に使用されるマイクロ型太陽光インバーターは、街灯や信号機などの都市インフラを動かすためにも広く展開されています。

エネルギー変換効率と高出力の需要が増大する中で、シリコンカーバイド（SiC）が従来の半導体に取って代わるトレンドが生まれています。SiCは効率向上に寄与します。従来のシリコンベースのMOSFETやIGBTと比較して、SiCデバイスは高電圧アプリケーションに適しています。高電圧デバイスはトポロジーを簡素化し、マルチレベルコンバータの必要性を排除します。SiCインバータソリューションはIGBTソリューションよりも損失が少なく、SiC MOSFETはスイッチング速度が速いため、特にインダクタなどの受動素子のサイズを縮小できます。これらの2つの要因により、電力密度が向上し、同じサイズと重量の機器でより高い出力を実現可能にします。ただし、製品設計時にはコストと性能のトレードオフを考慮する必要があり、最適なソリューションを決定するためには実際の要件を理解することが求められます。

一方で、SiCダイオードの置き換えは、特にDC-DC段階において、コストの低下、回路設計に必要な変更が最小限であること、そして何よりもシステム性能の大幅な向上により、ますます一般的になっています。さらに、高周波数は受動素子のサイズを縮小することが可能です。

高出力製品（約200kW以上）の場合、IGBTは高電流条件での性能が良く、システムが非常に高いスイッチング速度を必要としないため、IGBTのスローターンオフが大きな問題を引き起こすことはありません。その一方で、完全なSiCシステムには全く新しいシステム設計が必要であり、これにより多大なコストが発生します。例えば、IGBTベースのコンバータの駆動回路はSiCベースのシステムとは互換性がありません。また、新しい保護方法を考慮する必要があります。SiCコンポーネントは、IGBTと比較して短い短絡耐久時間（SCWT）を持っているためです。

高出力の需要が増加する中、1500 Vのストリングを使用することで、1100 Vのストリングを使用する場合と比較して、電流が低いため、特定の出力レベルにおける接続コストを削減できます。この傾向に対応するために、より高電圧のスイッチが開発されています。高電圧スイッチまたはマルチレベルトポロジーを使用することで、ソーラーインバーターの動作出力を大幅に向上させることが可能です。

さらに、高出力ソーラーインバーターにおいては、最適化されたEMI性能、スイッチング損失、およびインダクタ電流リップルにより、三電圧レベルのソーラーインバーターがしばしば選ばれます。しかし、それらはPCB設計やスイッチングスキームに課題をもたらすこともあります。SiCの技術開発に伴い、最大動作電圧が2000 V以上のパワーモジュールやディスクリートパワーデバイスが開発され、導入されています。量産化に至るまでには（他の部品や付属品の高い要件など）まだ課題が残るものの、二電圧レベルの1500 Vシステムは、設計と制御の複雑さを大幅に軽減し、最終製品のサイズを縮小することが可能です。

新たに浮上している機会の一つに、主に住宅用途で使用されるハイブリッド太陽光インバータがあります。これには、太陽光インバータのバスに接続された追加のDC-DCコンバータが搭載されています。この外部DC-DCコンバータはバッテリーパックに接続され、バックアップエネルギーを供給したり、エネルギーアービトラージを可能にします。この新しいシステムは、従来の住宅用太陽光インバータに似たケースに統合されています。

システム実装に関して、ストリングインバータシステムの主な構成要素には、ソーラーパネルアレイ、DCリンクコンデンサ、インバータ（DC/ACコンバータ）が含まれます。PVストリングとDCリンクの間には、DC-DCブーストステージがよく使用されます。これらのシステムは主に2つの機能を提供します。一つ目は、PVストリングの出力電圧をDCリンクの動作電圧に引き上げること。二つ目は、環境や日光条件の変化に応じて最大電力生成を実現する最大電力点追跡（MPPT）機能を実装することです。PVストリングがDCリンクの動作電圧に達した場合、DC/DCコンバータは（低V_F ダイオードを介して）効率を最大化するためにバイパスされます。

電力や電圧レベルに関して、インバータステージは単相および三相の構成で利用可能です。単相システムは、地域によって異なりますが、1 kW未満から10 kWまでの定格で、DCリンク電圧は通常300 Vから600 Vの範囲です。三相システムは、軽商業用向けの15 kWから、ユーティリティ規模用途向けの300 kWを超えるまで、幅広い電力範囲をカバーしています。DCリンク電圧は、通常1100 V（住宅、商業、ユーティリティ）または1500 V（商業、ユーティリティ）で動作します。

トポロジー設計に関して、電力半導体ソリューションは広範な電力および電圧レベルにわたって多様です。高電力アプリケーションでは、IGBT、SiC MOSFET、および/またはSiC/ハイブリッドソリューションを備えた電力集積モジュール (PIM) が好まれることが多いです。高バス電圧システムではマルチレベルのトポロジーを考慮する必要があります。二層システムは、システムおよび制御の複雑さの観点で利点を提供しますが、電力スイッチにより高い要求を課します。

個別のデバイスとパワーモジュールの間で選択する際、多くの要因が顧客の意思決定に影響を与えます。ただし、高出力製品の場合、特に複数の個別MOSFET/IGBTを並列に使用する場合には、モジュールソリューションが強く推奨されます。モジュールソリューションは、不均一な電流と熱分布によって引き起こされる長期的な性能の不均衡や、スイッチングタイミング、配線接続などの問題を簡素化します。

onsemiは、システムの電力密度と効率を向上させるために、ディスクリートSiCおよびIGBTデバイス、パワーモジュール、絶縁ゲートドライバ、パワーマネジメントコントローラーを含むさまざまなソーラーインバータソリューションを提供しています。

以下は、onsemiのソリューションのハイライトです。まず、新しいEliteSiC 1200 V M3S平面SiC MOSFETシリーズは、高速スイッチング用途と高温動作向けに最適化されています。平面技術により、負のゲート電圧駆動下での信頼性のある性能が確保され、ゲートスパイクを抑制します。このシリーズは18 Vのゲート駆動で最適な性能を発揮しますが、15 Vでも良好に動作します。寄生容量の改善により、高周波動作に適しており、R_DS(ON) = 22 mΩ @ V_GS = 18 V、超低ゲート電荷 (QG_(TOT) = 137 nC)、低容量 (C_OSS = 146 pF)、および高速スイッチングを実現します。Kelvinソースを備えた4ピンTO-247-4Lパッケージを特徴とし、100%アバランシェテスト済み、ハロゲンフリー、RoHS準拠です。

新しい1200 VトレンチフィールドストップVII IGBTシリーズは、トレンチナローメサとプロトンインプラントされたマルチバッファを備えており、高速スイッチングと低V_CE(SAT) タイプを提供します。改良された寄生容量は高周波数動作をサポートし、一般的なパッケージで提供されます。対象アプリケーションには、エネルギーインフラストラクチャや工場自動化が含まれます。

onsemiの広範なフルSiCパワーインテグレーテッドモジュール (PIM) のポートフォリオには、ハーフブリッジ、フルブリッジ、およびその他の大規模なトポロジー構成が含まれます。これらのモジュールは、低い熱抵抗、内蔵NTCサーミスタ、高電圧での低いR_DS(ON) 値、高効率と高電力密度、柔軟で高信頼性の熱インターフェースソリューションを特徴としています。

世界的なエネルギー転換が加速する中で、ソーラーインバータ技術とその応用は、より高効率、知能化、モジュール化に向けて進化を続けています。多様な応用シナリオや過酷な動作環境に直面する中で、メーカーは設計アーキテクチャを継続的に最適化し、熱管理と保護メカニズムを改善し、高度なパワー半導体と制御アルゴリズムを採用しなければなりません。onsemiのソーラーインバータソリューションは、より環境に優しく低炭素のエネルギー変換システムの開発を支援し、将来のグリーンエネルギーエコシステムにおいて中心的な役割を果たし、持続可能な開発の実現を促進することができます。