太陽光発電インバーター
概要
太陽光発電市場には、太陽光の入力電圧をDCリンクまたはバッテリーレベルに調整するDC/DCコンバーターと、太陽光エネルギーを公共グリッドに供給するDC/ACコンバーター（インバーター）が必要である。
市場には、いくつかの主要な建築タイプのソーラー・インバータがある：
- 数kVAの住宅地向け単相ストリング・インバータ。図1を参照。
- 住宅用、商業用、ユーティリティ・スケール・システム用の三相マルチストリング・インバータ。多くは、1つ以上の最大電力点（MPP）トラッカーを備えた入力DC/DC昇圧コンバーターと、出力段のインバーターで構成される。100kVA未満から200kVAレベルが典型的である。図2を参照。
- マイクロインバータは、1枚のソーラーパネルと1台のインバータで構成される。ストリング・インバータのような高圧直流電源はない。1台または2台のマイクロインバータが故障しても、残りのマイクロインバータが発電を続けるため、信頼性はこちらの方が高い。図1を参照。
- 直流電力オプティマイザは、ストリング・インバータとマイクロインバータの中間に位置し、標準的な電圧は400Vである。図1を参照。
図1：セントラル（またはストリング）インバータ、マイクロインバータ、パワーオプティマイザ。(提供：solartribune.com）
図2：三相マルチストリングインバーター (回路図提供：セミクロン)
インバータ設計の選択肢シリコンとワイドバンドギャップの比較
サイズ、重量、パワー（SWaP）がすべてだ
WBG半導体材料は、Siベースの同等品よりも高効率で、より小型、高速、高信頼性のパワーエレクトロニクス部品を実現します。これらの能力は、幅広いパワーアプリケーションにおいて、重量、体積、ライフサイクルコストの削減につながります。
WBG は Si デバイスよりも固有リーク電流が低く、動作温度も高い。これは、WBG デバイスのバンドギャップ（Eg）が Si よりも高いためである。
WBGのドリフト領域が10倍小さいため、WBGはSiよりも耐圧が高く、電力損失が低い。このため、WBG半導体はSiに比べて所定の面積でより低いRds(on)を実現できる。
WBGはSiよりも高速で動作し、スイッチング損失が低いため、磁気回路やヒートシンクを小型化した設計アーキテクチャが可能になり、サイズ、重量、総BOMコストを削減できる。
ソーラーインバータにおけるWBGの優位性
太陽エネルギー設計では、直流電力から交流電力への変換はインバーターを用いて行われるが、このインバーターは非常に高効率（97％以上）で、非常に長期間（場合によっては25年以上）使用できることが期待されている。これらの性能パラメータを達成するためには、炭化ケイ素（SiC）と窒化ガリウム（GaN）のWBGパワー・トランジスタを採用する必要がある。
WBGデバイスを使用したソーラー・インバータの設計は、DC-ACパワー・インバータにおける電力損失を最大90％削減し、アーキテクチャを改善する。
ソーラーインバータは、過酷な高温環境に設置されることがあります。WBGの高い動作温度は、これらのシステムの信頼性を高めることができる。また、WBGデバイスを採用したソーラー・インバーターは、磁気と熱要件が小さいため、重量が軽くなります。より軽量でコンパクトなインバーター設計は、設置時や潜在的な修理時の持ち上げや操作性を容易にする。図1は、50kWのSi IGBTベース設計とSiCベース設計のサイズ比較である。以下の図3に示すように、一般的にサイズは60%小さく、重量は10倍軽い。
図3：
(画像提供：ウルフスピード)
パワーモジュールかディスクリート・コンポーネントか？
トポロジーとコンポーネントは、コストと性能の適切なバランスを取るために慎重に選択されなければならない。部品コストはいずれにせよ懸念材料となり得るが、製造コスト、生産歩留まり、電力密度、信頼性向上、熱性能を方程式に加味すれば、パワーモジュールの使用は魅力的な提案となり得る。
パワーモジュールは、検証され、指定されたソリューションを提供することができますが、ディスクリート設計は、アプリケーションへのカスタマイズを可能にします。
パワーモジュールは、より多くの機能を、場合によってはより小さなフットプリントで統合できる可能性があります。モジュールでは、コンパクトなレイアウト構成で複数のダイを近くに配置し、性能とスペースを最大化することができます。SiC SBDダイオード、ゲート抵抗、コンデンサなどの追加部品も搭載可能です。ハーフブリッジ、フルブリッジ、6パック、3レベルなど、複数の標準およびカスタム・トポロジーが利用可能です。上の図4は、各スイッチ・ポジションに5パラレルSiCを使用したハーフブリッジ・パワー・モジュールの内部を示しています。
ディスクリート設計は、より少ないディスクリート部品が電流要件を満たすために並列に使用される低電力アプリケーションでは、一般的に安価である。電力が増加するにつれて、より多くのディスクリート・デバイスが必要となり、組立コストと潜在的な信頼性の低下が増加します。また、ディスクリート設計は、インバータ設計における固定部品エリア周辺のより柔軟な基板レイアウトを可能にします。
図4：コンパクトなレイアウト構成を示すウルフスピードのSiCハーフブリッジモジュール
結論
太陽光発電が黎明期にあった頃、インバーターは100kWを超える容量を持つ集中型の傾向にあった。より現代では、この傾向は変化し、事業者は100kW未満のインバーターをストリングで使用することを好むようになった。いずれの場合も、PVパネルからの電圧を昇圧するDC/DC昇圧コンバータと、地域の送電網に適した周波数（50Hz/60Hz）の交流電圧を生成するDC/ACインバータというアーキテクチャは似ている。また、最大限の効率を確保するために、保護回路や高度な監視／制御も追加されている。
インバーターに選択されたトポロジーは効率に影響を与えるが、主要な半導体スイッチング・デバイス（WBGおよびSi MOSFET、IGBT、ダイオード）は、今日の太陽光発電アプリケーションに必要な効率を達成する上で極めて重要である。初期の頃は、シリコン（Si）が主な材料として使用されていたが、長年にわたる段階的な技術革新により、この技術は、これ以上の強化がほとんど不可能な段階にまで達している。
半導体メーカーは、将来のスイッチング・デバイスを作るために、他の材料を模索してきた。窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）を含むワイドバンドギャップ（WBG）材料は、効率的な半導体デバイスの開発に理想的な特性を持つことから台頭してきた。
WBG材料は、Siベースのデバイスよりも本質的にオン抵抗が低く、連続導通時の静的損失を低減します。磁性部品のサイズを小さくするためにスイッチング周波数が上昇すると、WBG技術はシリコンに比べてゲート電荷が減少するため効率がさらに向上し、動的損失も減少する。
