ソーラーインバーターにおけるIGBT PIMとSiC MOSFET PIMの性能比較

はじめに

国際エネルギー機関(IEA)によると、太陽光発電(PV)の設備容量は、2030年までに2019年比で15％増となる3,300TWhに達する見込みであり^[1]、エネルギー供給に占める割合が高くなっています。

設備は、マイクロ、ミニ、ユーティリティの各スケールが混在することになりますが、すべてのケースで類似のPV技術が使用され、セルは高電圧を得るには直列に、高出力を得るには並列に接続されます。技術動向としては、パネルを直列に接続して電圧を高くすると、それに比例して電流が少なくなり、接続部やケーブル配線での電力損失が減少するという利点を活かす傾向にあります。標準的な公称パネル設備電圧は約500V～1000Vですが、将来的には1500Vがより一般的になると予測されます^[2]。

中央に1台のインバーターを設置するのではなく、拡張性、経済性、耐故障性を考慮して、各ストリングに比較的低電力のインバーターを設置することが多くなっています。この装置では、PV電圧は通常、DC-AC変換ステージへの入力に適した安定化DC値に昇圧され、最大電力点追従(MPPT)コントローラーがパネルの負荷を最適化してエネルギー利用を最大化します。昇圧DC-DCコンバーターやインバーターは高効率のスイッチング回路であり、さまざまな半導体技術が使用されています。

PV電力変換用半導体の選択肢

これまで高電力DC-DC、AC-DC変換では、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が主流でしたが、今日ではSiC(シリコンカーバイド)MOSFETなどの新しいWBG(ワイドバンドギャップ)半導体が登場して数十kWレンジを、また並列構成にすることでさらに高い定格を実現しています。両方の技術とも、TO-247などの一般的なパッケージに収納された個別デバイスとしてだけでなく、パワーインテグレーテッドモジュール(PIM)としても提供されています。PIMは複数のスイッチ、時にはダイオード、さらにはドライバーや保護回路を業界標準のハウジングに集積したものです。これにより、コンバーター機能やインバーター機能のための完全なパワーステージを1つのパッケージで提供することができます。

IGBTとSiC MOSFETはいくつかの点で大きく異なります。IGBTは動的損失のため、使用は低周波数に限定されますが、導通時には名目上一定の飽和電圧降下を生じ、電力損失は単純に電流に比例します。対照的に、SiC MOSFETは数百kHzでスイッチング可能で、動的損失も少ないものの導通時の抵抗値が名目上一定なので電力損失は電流の2乗に比例するため、電力スループットが増加するほど明らかに不利になります。図1は、最高効率のクロスポイントが約25A、その他はほぼ同等の条件における、定格50AのIGBT PIMと定格38AのSiC PIMの電圧降下(伝導損失に比例)を示しています。このプロットはアプリケーションにとって標準的なジャンクション温度125℃の場合です。

• 図1:125℃でのIGBT PIMとSiC MOSFET PIMの電圧降下の比較

動的損失は周波数に依存しており、図1のIGBTとSiC MOSFETを同じ低周波数(例えば16kHz)での約20Aから30Aのスイッチング動作で比較した場合、伝導損失は同様ですが動的損失は異なります。図2はスイッチング損失の2つの原因である、ターンオンエネルギーEonとターンオフエネルギーEoffをそれぞれ示しています。ここにもクロスポイントがありますがEonはほぼ同じで、どちらのデバイスタイプも伝導損失の1/4程度で、IGBTの方が多少低いものの絶対値は大きくありません。しかし、EoffはIGBTではコレクター電圧が上昇すると「テール」電流(ターンオフ時にデバイスのN-ドリフト領域から排出しなければならない少数キャリア)が流れるため、はるかに大きくなり、過渡的な電力損失が発生します。図2は両方のデバイスタイプ間でEoffに10倍ほどの差があることを示しています。

• 図2:16kHzでのIGBTとSiC MOSFETの動的損失の比較

表1は、入力500V・25A、出力800 VDCの実用的なPV昇圧コンバーターを16kHz、ケース温度95℃で動作させた場合の違いをまとめたものです。全体的にSiCの方が明らかに省電力で、全損失はIGBT回路の約1/3であり、ジャンクション温度が低いため信頼性が高いことがわかります。

• 表1:16kHzでの昇圧コンバーターの損失の内訳

より高い周波数でのSiC MOSFETのスコア

SiCによる効率向上のメリットは、省エネルギーの他にヒートシンクのサイズとコストの削減、同一ヒートシンクに対する温度上昇の抑止、あるいは同一ヒートシンクおよび温度上昇における電力スループットの向上が挙げられます。これらはすべて貴重な利点ですが、SiCの高周波性能を活用した場合の状況を調査する価値があります。スイッチング周波数が40kHzのSiC MOSFETと16kHzのIGBTを比較すると、表2のようになります。

• 表2:16kHzのIGBTと40kHzのSiC MOSFETの損失の比較

SiCデバイスはジャンクション温度が高くなっていますが、WBGデバイスなので、シリコンよりも25℃高い動作温度に対応しています。SiC MOSFETの結果は、IGBTよりも効率が向上し、損失も半分程度に抑えられ、前述のすべての利点が大きく現れていることを示しています。しかし、周波数の上昇により、昇圧インダクタの値とサイズを約1/3に減らすことができ、結果的にコスト、サイズ、重量を削減できます。さらに、基本周波数と低高調波でのEMIフィルタリングを小さくでき、さらなるコスト削減につながります。ただし、SiC MOSFETはエッジレートが高速なので、排出基準に適合するには、高周波フィルタリングを注意深く検討する必要があります。

IGBTとSiC MOSFETの違いは損失だけではありません。例えば、MOSFETにはボディダイオードがありますがIGBTにはありません。これはスイッチに逆方向または「第3象限」の伝導を必要とする変換ステージで有用です。SiC MOSFETのボディダイオードは、順方向の電圧降下が比較的大きいので、これを利用することができます。この方法でIGBTを使用するときは、余分な並列ダイオードを追加する必要があります。

したがって、より高い周波数でSiCを使用する場合にシステム上の利点が大きく、両方の技術間のPIM単価の差をはるかに上回る点でバランスを取ることができます。新世代のデバイスが登場し、SiC MOSFETのオン抵抗が減少するにつれ、ベネフィットクロスポイントは、これまでになく広範なアプリケーションを対象として高い出力レベルまで拡大されます。

SiCの性能を引き出すには慎重な設計が必要

IGBTとSiC MOSFETのゲートドライブは一見類似しているように見えますが、SiCデバイスのオン駆動は、伝導損失を最小限に抑えるためにより重要であり、実用上可能な限り絶対最大電圧である標準25Vに近づけなければなりません。そのため、ある程度の安全マージンを確保するために20Vがよく使用されます。両方のデバイスタイプとも、0Vのゲートドライブで名目上オフになりますが、多くの場合は数Vだけ負に駆動されます。これにより、Eoffが小さくなり、ターンオフ時のゲート-ソース間のリンギングが減少し、ゲートドライブループに共通のソースまたはエミッタインダクタンスによって発生するスパイクによる「ファントムターンオン」の防止に役立ちます。

また、デバイスの「ミラー」キャパシタンスもドレインまたはコレクター電圧エッジレート(dV/dt)が高い場合に、デバイスを疑似的にターンオンする傾向があります。この場合も、負のゲートドライブが問題の回避に役立ちます。図3にその効果を示します。

• 図3:コモンソースインダクタンスとミラーキャパシタンスがデバイスのターンオフを阻止

SiC MOSFETはIGBTよりもdV/dtとdi/dtがはるかに大きいため、実用回路では信頼性の低い動作や過剰なEMIを避けるために、慎重にデカップリングを施した高周波レイアウト技術を使用しなければなりません。ドライバーはSiC MOSFET PIMの近くに配置し、可能なMOSFETソースへの「ケルビン」接続をドライバーリターンとして使用して、コモンインダクタンスを回避する必要があります。

SiC MOSFET PIMの動的性能を正確に測定することは、高速エッジレートのため困難なので、一般的に300MHzの帯域幅を持つ装置と高周波測定技術を使用する必要があります。電圧プローブは最小のグランドループで接続し、電流はロゴスキーコイルなどの高性能センサーでモニターします。

まとめ

IGBTからSiC MOSFETへの切り替えは、電力レベル増大の点でシステム上の利益であり、PIMは容易な解決策となります。しかし、IGBTの使用に精通している人は、単純に交換しただけでは良い結果が得られないことを認識しておくべきです。最適な性能を得るには、ゲートドライブの配置、レイアウト、EMIフィルタリングを再評価する必要があります。

参考文献

[1] https://www.iea.org/reports/solar-pv
[2] https://www.solarpowerworldonline.com/2018/11/high-voltage-solar-systems-save-contractors-cash/