3レベルインバータによる太陽エネルギー効率の最大化

  • 2018年7月26日
  • ユナイテッドSiC

大規模太陽光発電所の経済性は、グリッドにエネルギーを販売して収益を上げることに基づいています。エネルギー変換効率と装置コストは、実行可能性を決定する非常に重要な要素であり、インバータと関連するパワーコンディショニングエレクトロニクスを形作る設計上の選択に影響されます。シリコンカーバイド技術は効率の大幅な向上を約束しますが、必要とされるパワーデバイスの総数とそれに伴う導通/スイッチング損失、定格電圧に関連したデバイスのサイズとコストなど、他の要因を考慮に入れなければなりません。

インバータは通常、パネル出力の変動に応じて安定したDCリンク電圧を確保するために、降圧または昇圧のいずれかの動作が可能なDC/DCコンバータを入力に必要とします。インバータのトポロジーはDC/DCコンバータ回路の設計に影響を与え、必要な電源スイッチの数とBOMコストに大きな影響を与えます。

ハイサイドとローサイドの3つのトランジスタからなる基本的な6パック3相インバータは、最もシンプルで低コストのソリューションのように見えるかもしれませんが、この配置は、ACニュートラルとDC入力の間に、DCリンク電圧と等しい振幅の4段階のコモンモード電圧を生成することが知られています。大規模なソーラーファームでは、これがDCリンクに許容できないリーク電流を発生させる可能性があります。インバータの仕様で絶縁が要求されている場合、変圧器はこれらの漏れ電流が流れるのを効果的に防ぎますが、絶縁が必要ない場合、専用の補償変圧器を導入すると、不要な追加コストと大物部品が発生します。

3レベルインバータのトポロジーを使用することで、トランスを追加することなく、同相電圧、ひいてはリーク電流を大幅に低減することができます。通常、ニュートラルポイントクランプ(NPC)またはトランジスタタイプのニュートラルポイントクランプ(TNPC)トポロジが検討されています。余分なスイッチが必要となるため損失が増加し、関連するドライバはBOMコストをさらに上昇させ、インバータの制御はより複雑な課題となります。一方で、設計者はデバイスの選択により、全体的なコストとインバータの性能を最適化する自由度を得ることができます。

リアルデザインの選択

公称 DC リンク電圧 800V、300~800V の入力電圧ブースター、動作周波数 25kHz を持つように設計された 50kVA の発電機を考えてみましょう。図1は、標準的な2レベルまたは3レベルインバータのトポロジを使用して、このようなコンバータ/インバータを構築するのに必要な電源スイッチの数を比較したものです。設計は電力損失解析[1] [2]に基づいており、ジャンクション温度を定格温度の25 °C以下に保つために並列に接続されたスイッチを使用しています。電力損失解析では、半導体とヒートシンク間に電気的な絶縁がないことを前提としています。

図1.2レベルおよび3レベルのインバータの電力半導体部品数。

12個のUJ3C120040K3S 1200V SiCカスコードと6個のUJ3C065030K3S 650V SiCカスコードで構成されるTNPC回路は、部品点数の合計を考慮すると勝者となると思われる。図2は、入力にTNPCと適切なブースターで構成されるサンプル回路図を示しています。

図2非絶縁ブースター付きのTNPC 3レベルインバータ。

ダイオードクランプ型NPC回路(図3)は、TNPCに比べて半導体部品点数が多くなっています。図1の電力解析からもわかるように、NPCインバータの構成は、TNPC回路が18個のカスコードであるのに対し、UJ3C065030K3S SiCカスコード24個、UJ3D06560KS SiCショットキーダイオード6個となっています。しかし、NPCは650Vのデバイスのみを使用して構築することができ、このトポロジーの強みである、部品定格に比べて高いDCリンク電圧を実現しています。

図3.NPCインバータは、低電圧部品を使用することで、より高い入力電圧を維持することができます。

DCリンク電圧が800Vの場合、TNPCはパワーデバイスのシングルイベントバーンアウト(SEB)を回避するために1200Vのスイッチを必要とします。信頼性モデルで余裕のある電圧マージンが求められる場合や、1000V以上のDCリンク電圧が必要な場合は、NPCインバータと3レベルブースターの有利な議論は説得力があります。

SiCカスコードの利点

インバータおよびブースター回路に UnitedSiC カスコードを使用することで、エネルギー効率、熱的耐久性、およびダイサイズに対する耐圧の向上に加えて、さらなる利点がもたらされます。インバータでは、UJ3シリーズのカスコードはわずか10V、またはそれ以下で保持することができ、ブートストラップ・ゲートドライブ電源が使用される場合に十分なホールドアップ時間を確保するのに役立ちます。高速スイッチングを確保するためには、ゲート電圧はターンオン時に+15~18V、ターンオフ時に-5Vにする必要があります。

さらに、ブースターのダイオードの代わりにカスコードを使用することは、ブースタープラスインバータが2方向に電力を処理できることを意味します。カスコードは、電力の流れの方向に応じてスイッチまたはダイオードとして機能することができるので、システムはDC-ACインバータまたはAC/DCアクティブフロントエンド整流器として機能しますが、これはソーラー発電機がエネルギーを貯蔵したり、UPSに電力を供給したりする場合に必要になるかもしれません。熱負荷はインバータと整流器モードの間で変化するため、ブースターの各スイッチ位置でデバイス数を等しくする必要があります。

全体的にSiCカスコードは、高いエネルギー効率、堅牢性、高速スイッチング性能の組み合わせにより、2レベルまたは3レベルのブースター/インバータのトポロジーを使用するシステムにおいて、スイッチング周波数、DCリンク電圧、信頼性、およびBOMコストを管理するための柔軟性を設計者に提供します。非絶縁設計でコモンモード電圧を最小化するために3レベルのトポロジーを使用する場合、通常はTNPCインバータが好まれます。より高い入力電圧が必要な場合は、NPC トポロジーが有力な選択肢となります。

1]M. Schweitzer, I. Lizama, T. Friedli, J. Kolar; "Comparison of Chip Area Usage of 2-level and 3-level Voltage Source Converter Topologies", IECON 2010 - 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2010 - 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society)

2]I. Staudt; "3L NPC & TNPC Topology", Semikron Application Note AN-11001, 2015-10-12