エネルギー貯蔵
すぐに利用できる電力に対する需要が高まっているため、地域社会は再生可能エネルギーの利用を増やそうと努力しており、多くの場合、既存のエネルギー貯蔵システム（ESS）技術と新興のエネルギー貯蔵システム（ESS）技術の両方と相乗的な関係を築いている。風力発電や太陽光発電とリチウムイオン電池の組み合わせは、ESSが不可欠なシステムとして、急成長しているソリューションのひとつである。
市場の見通し
2019年3月現在、米国（US）で稼働している2つの最大の公益事業規模の蓄電池サイトは、それぞれ40MWの電力容量を供給している：アラスカのGolden Valley Electric Associationのバッテリー蓄電システムとカリフォルニアのVista Energyの蓄電システムだ。
米国では、設置容量が20MW以上の稼働中の蓄電池が16カ所ある。2019年3月時点で各州から報告されている稼働中の蓄電池設置容量899MWのうち、カリフォルニア州、イリノイ州、テキサス州が半分弱を占めている。カリフォルニア州は230MWで断トツのトップである。右の図1を参照。
2020年1月、ダン・ブルイレット米エネルギー長官は、米国を世界のリーダーとして位置づける次世代エネルギー貯蔵技術の開発を加速させる包括的なプログラムを発表した。
2020年、ラックス・リサーチ社の報告によると、世界のエネルギー貯蔵市場は2035年までに5,460億ドルに成長する見込みだ。最大市場のひとつは住宅用エネルギー貯蔵で、今後3年間の複合年間成長率は76％、80億ドルの増収が見込まれている。
図1：米国の電力会社規模の蓄電池容量（MW）（画像は米国エネルギー情報局より
なぜエネルギー貯蔵が必要なのか？
エネルギー消費者は、クリーンで信頼性が高く、手ごろな価格の電力を求める一方で、急速に積極的な電力生産者となっている。
すなわち、より安価な分散型電源技術、より多くの再生可能エネルギーの統合による世界の電力網の脱炭素化、そしてデジタル技術の出現である。
バッテリー蓄電ソリューションは、従来の発電、送電・配電、再生可能エネルギーから産業・商業部門に至るまで、エネルギー・バリューチェーン全体に新たなアプリケーションの柔軟性を提供し、新たなビジネス価値を開きます。エネルギー貯蔵は、再生可能エネルギー生産の安定化、電力網の安定化、エネルギーフローの制御、資産運用の最適化、新たな収益の創出など、多様なアプリケーションを可能にする。
再生可能エネルギー開発企業にとって、エネルギー貯蔵は、1年以上のリードタイムがあるかもしれない電力購入契約（PPA）に代わる迅速な選択肢を提供する。電力会社にとって、エネルギー貯蔵は分散型発電の増加に伴う関連性を提供する。エネルギー貯蔵は、自然エネルギー開発者が自然エネルギーの発送可能性と予測可能性を高め、厳格な規制と接続許可を満たすのに役立ちます。
従来のSiパワー・デバイスをESSに使用
シリコン（Si）パワー・トランジスタで大電力双方向インバータを設計すると、伝導損失とスイッチング損失が大きくなり、システムの電力性能が低下する。窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）のようなワイドバンドギャップ（WBG）デバイスを使用するのとは対照的に、効率は低下し、より多くの冷却が必要となり、より多くの基板スペースが必要となる。
Si より低い動作周波数は、より大きなフィルタリング・インダクタとコンデンサを必要とする。インダクタの損失が増加すれば、効率も低下する。
WBGパワーデバイスは最高の蓄電ソリューションを提供します
GaNパワートランジスタ
分散型エネルギー貯蔵装置（DESD）の好例として、650VのGaNトランジスタを用いた絶縁型双方向DC-DCコンバータがある。DESDは、13.2Vの低電圧リチウムイオン・バッテリー・パック、内蔵双方向DC-DCコンバーター、ワイヤレス通信システムを統合している。これら3つの部品は一緒にパッケージすることができ、高電圧（380V）DCグリッドに直接接続することができます。これにより、バッテリー蓄電システムのモジュラー・アプローチが可能になる。高電圧側には2個の650Vエンハンスメント・モードGaNトランジスタが使用されている。図2に、1kWh DESD用の400V～12V DC（補助電源など）、1kWコンバーターを右図に示す。
GaNパワー・デバイスは、Siデバイスと比較して顕著な改善を可能にします。GaNトランジスタは、動作範囲を軽負荷まで拡大し、スイッチング損失とEMIを低減し、充放電動作の総合効率を高めることで性能を向上させます。
アクティブ・クランプ電源段を備えたハーフブリッジ・センタータップ設計は、低電圧・大電流の双方向電力変換においてかなりの利点をもたらすように設計できる。右の図3を参照。
GaNパワー・スイッチはまた、安全動作領域（SOA）を拡大し、Siデバイスよりも効率を向上させる。GaNデバイスはCOSSキャパシタンスが小さいためターンオフ損失が小さく、Siデバイスよりも性能が向上します。また、GaNデバイスでは逆回復時間とボディ・ダイオードの逆回復電荷がほぼゼロであるため、高電圧側スイッチが整流モードで動作する際のターンオフ時間が短縮されます。
SiCパワートランジスタ
炭化ケイ素(SiC)技術は、ESSソリューションの中核において、Siに対するもう一つの優れた電力改善を提供する。SiCパワー半導体ソリューションは、Siよりも少なくとも50%高い効率を可能にし、より高いグリッドスケール電圧を容易に扱うことができる。システム・レベルでは、SiCパワー・デバイスが提供する効率、電力密度、および高速スイッチング速度から、さらなる性能が得られる。
SiCモジュールを使用：低スイッチング損失で高速スイッチングを実現するためには、モジュールとシステムレベルのバスバー設計の両方で低ストレイ・インダクタンスを達成するようにパッケージを設計することができる。
ウルフスピード・モジュール内の電流ループは広く、薄型で、デバイス間に均等な分配をもたらし、スイッチ位置全体で同等のインピーダンスを実現します。モジュールの電源端子も垂直方向にオフセットされています。これにより、DCリンク・コンデンサとモジュール間のシンプルなバス設計が可能になり、折り曲げ、コイニング、スタンドオフ、複雑な絶縁を必要とせず、モジュールまでラミネートされています。その結果、XM3インバータ・リファレンス・デザインで実証されたように、10MHzでわずか6.7nHのパワーループ漂遊インダクタンスが得られます。右の図4を参照。
標準的な62mmモジュールの半分の重量と体積を持つウルフスピードのXM3パワーモジュールプラットフォームは、ループインダクタンスを最小限に抑え、シンプルなパワーバス接続を可能にしながら、電力密度（最大450A）を最大化します。右の図5を参照。
XM3のSiC最適化パッケージは、175℃の連続ジャンクション動作を可能にする。
エネルギー貯蔵システムは、世界中で急成長している再生可能エネルギー市場にとって極めて重要である。このような設計においてシリコン・パワー・デバイスを使用することは、効率が大幅に改善され、より高い電圧で動作するWBGデバイスを使用することに比べて、これらのシステムのサイズ、重量、パワーを正当化するものではない。
図2：分散型エネルギー貯蔵装置（DESD）と分散型再生可能エネルギー資源（DRER）を用いた直流380Vマイクログリッドシステム設計（画像は参考資料1より）
図3：アクティブ・クランプ・コンバータを用いたハーフブリッジ・センタータップ・アーキテクチャで、高電圧側のパワー素子としてGaNトランジスタを採用（画像は参考資料1より）
図4：XM3モジュールの側面図（非平面パワーリードを示す）（画像：Wolfspeedより
図5：三相インバータのバス接続レイアウト（画像：Wolfspeedより）
参考文献
- 650V GaNトランジスタを用いた新しい双方向DC-DCコンバータに基づく分散型エネルギー貯蔵デバイス、Fei Xue, Ruiyang Yu, Wensong Yu, Alex Q. Huang, FREEDM Systems Center, North Carolina State University, IEEE 2015.
