(57)【要約】【課題】太陽電池などを用いた太陽光発電のエネルギー変換システムにおいて、より高いエネルギー変換効率のインバータシステムの提供。【解決手段】高いモビリティーを有するワイドギャップ半導体をインバータシステム内のＤＣ−ＤＣコンバータ部ＦＥＴに使用することにより、太陽電池による発電エネルギー変換の高効率化を行う。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
保護回路部、昇圧を行うコンバーター部、直流交流変換を行うインバーター部、および保護回路部からインバーター部までの各々を搭載するために用いられる素子基板を備えた太陽光発電用直流交流変換装置において、少なくとも当該コンバーター部が、ワイドギャップ半導体素子によって構成されてなることを特徴とする太陽光発電用直流交流変換装置。
【請求項２】
ワイドギャップ半導体素子のオンチップ抵抗が０．００１〜０．０５Ω／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電用直流交流変換装置。
【請求項３】
素子基板の熱伝導度が、１．０Ｗ／ｃｍＫ以上であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電用直流交流変換装置。
【請求項４】
ワイドギャップ半導体素子として、そのバンドギャップが２ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電用直流交流変換装置。
【請求項５】
ワイドギャップ半導体が窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電用直流交流変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池直流出力の交流変換装置に関し、特に商用電力系統に連系される太陽光発電システムにおいて使用される系統連系インバーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球の温暖化や原発事故による放射能汚染等に伴い、環境とエネルギーに対する関心が急速に高まっている。こうした中で、太陽電池は再生可能かつ無尽蔵なクリーンエネルギー源として今後の展開が期待されている。
【０００３】
太陽電池のエネルギー変換効率は、入射光のエネルギーに対して数％から十数％の変換効率で電気エネルギーに変換される。変換された電気エネルギーは、直流交流変換装置によって昇圧、直流交流変換が行われ商用電力として利用される。ここで、インバーター自体のエネルギー変換効率は、汎用タイプで約９３％、高性能タイプで約９５％（日本電池製インバータおよびオムロン製インバータのカタログより）であるが、保護回路部、コンバーター部を含み、かつ、安全性、信頼性の観点からシステムが複雑となる直流交流変換装置全体としてのエネルギー効率は決して高いとは言えないのが現状であり、システム全体でのエネルギー変換効率改善のために、さまざまな提案がなされている。
【０００４】
そのうち一つの提案は、太陽電池が発電しない時刻に開閉器を開き、発電システムに流れ込む電力を遮断することで、システムが不稼動時間の電力消費を無くし、効率を向上させる方法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また別の一つの提案は、特性の異なる２種類のトランジスタを並列に接続したスイッチング回路を使用し、効率を改善する方法である（例えば、特許文献２参照）。このシステムでは、半導体スイッチング素子に、それよりスイッチング速度が速く電圧降下が電流に対して抵抗性を有する抵抗性半導体スイッチング素子を並列に接続しておいて、交流出力電流半周期の出力電流がピーク電流に対し所定割合より高い周期では、抵抗性半導体スイッチング素子が半導体スイッチング素子よりも先にオンされて、半導体スイッチング素子に与えられるスイッチング制御信号停止後、所定期間後に停止させ、また、交流出力電流半周期の出力電流がピーク電流に対し所定割合より低い周期では、半導体スイッチング素子の作動を停止し、抵抗性半導体スイッチング素子のみのスイッチング動作により出力を発生させるよう制御するものである。
【０００６】
さらにまた別の一つの提案は、スーパージャンクションを構成する複数のＰＮ接合を素子内部に配置し耐電圧、動作抵抗を改善する方法である（例えば、特許文献３参照）。このシステムでは、ＭＯＳ−ＦＥＴ内部に複数のＰＮ接合を縦に配置して、ソースから縦方向に伸びる空乏層が横方向にも伸びる様に工夫されており、スーパージャンクション部分をピンチオフさせることでＭＯＳ−ＦＥＴの耐圧及び動作抵抗を改善するものである。
【０００７】
ところで、他方、これまでシリコンをベースにした半導体素子によりこれらの直流交流変換装置が構築されて来たのに対して、より高い変換効率、高耐圧性、高耐熱性にかかわる優位性から、ワイドギャップ半導体である、炭化ケイ素、窒化ガリウムなどの化合物半導体からなる半導体素子の直流交流変換装置への適用が、発電システム分野全体で注目されている。
【０００８】
例えば、直流交流変換装置用半導体素子のスイッチング損失を低減して変換効率を上げる一方、シリコン系半導体素子では、スイッチング損失低減に必要なデバイス加工寸法のスケールダウンに伴ってデバイス耐圧が低下するという問題が避けられないため、炭化ケイ素または窒化ガリウムからなる非シリコン系半導体素子をシリコン系半導体素子と併用することにより、デバイス耐圧の向上を図っている（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０６−１９７４５５号公報（第１―４頁）
【特許文献２】
特開２００１−０２５２５９号公報（第１―１０頁）
【特許文献３】
特開２００１−１４４２９２号公報（第１―７頁）
【特許文献４】
ＷＯ００／７２４３３号公報（第１―３頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら開示の技術には、次のような種々問題がある。
【００１１】
すなわち、特許文献１の特開平０６−１９７４５５号公報で開示のシステムでは、通常のシステムに時刻測定回路および開閉器制御回路を付加する必要がある。結果として時刻測定回路、開閉器制御回路等の消費電力が加算されるため、大幅な効率改善は困難である。
【００１２】
また、特許文献２の特開２００１−２５２５９号公報で開示のシステムでは、通常のシステムに抵抗性半導体スイッチング素子制御回路を付加する必要がある。結果として制御回路と抵抗性半導体スイッチング素子駆動回路の消費電力が加算されるため、大幅な効率改善は困難である。
【００１３】
また、特許文献３の特開２００１−１４４２９２号公報で開示されているＦＥＴでは、通常のＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン部にスーパージャンクションを構成する複数のＰＮ接合を精度良く配置する必要がある。結果としてＦＥＴ製造工程が複雑化するため、スイッチング素子コストの大幅な増加となる。結果として従来構造のＭＯＳ−ＦＥＴを多数並列に接続する従来方法に対して大きな優位性がなくなってしまう。
【００１４】
さらにまた、特許文献４のＷＯ００／７２４３３号公報の開示の中で用いられる半導体素子個々への電気的負荷が偏らないようにするためには、シリコン系半導体素子、非シリコン系半導体素子間でオンチップ抵抗が同等となるよう構成される必要があり、デバイス耐圧は向上するものの、オンチップ抵抗、ひいては通電損失の低減および直流交流変換効率の向上に限界が残る。また、通電損失に伴う発熱によってシリコン系半導体素子の信頼性が低下し、最悪の場合、破壊に至る。このため、シリコン系半導体素子が安定に動作できるようその環境温度を５０℃以下で維持するため、シリコン半導体素子１個あたりに約２００ｃｍ２以上の放熱板面積が必要とされている。シリコン系半導体素子を用いる限り、同等の通電損失による発熱による温度上昇を抑制するため、シリコン系半導体素子、非シリコン系半導体素子ともに同等の面積を有する放熱板を必要とすることになり、小型化に対するニーズが高い太陽光発電への適用に問題となる。
【００１５】
そこで本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、直流交流変換効率が高く、かつ小型の太陽電池用直流交流変換装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意検討した結果、太陽電池用直流交流変換装置の構成に着目し、少なくともコンバーター部にワイドギャップ半導体素子を使用することで、直流交流変換効率が高く、かつ小型の太陽電池用直流交流変換装置が実現できることを見出した。
【００１７】
すなわち、本発明の太陽電池用直流変換装置は、保護回路部、昇圧を行うコンバーター部、直流交流変換を行うインバーター部、および保護回路部からンバーター部までの各々を搭載するために用いられる素子基板からなり、少なくとも当該コンバーター部が、ワイドギャップ半導体素子によって構成されてなるものである。
【００１８】
なお、ワイドギャップ半導体素子の特性は目的に応じて変えられるが、特に、オンチップ抵抗の値が０．００１〜０．０５Ω／ｃｍ２であることが好ましい。また、ワイドギャップ半導体素子としてバンドギャップが２ｅＶ以上が好ましく、また素子の材料として望ましくはＧａＮ系材料が好ましい。
【００１９】
さらにまた、素子基板の熱伝導度は、１．０Ｗ／ｃｍＫ以上であることが望ましい。
【００２０】
このような構成により、直流交流変換効率が高く、かつ小型の太陽電池用直流交流変換装置が実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明するが、はじめに、本発明における［直流交流変換装置］［素子基板］および［ワイドギャップ半導体素子］の各ポイントを紹介する。
【００２２】
［直流交流変換装置］
本発明の太陽電池用直流交流変換装置は、図１に示すように、保護回路部（Ａ）、コンバーター部（Ｂ）、インバーター部（Ｃ）よりなる。ワイドギャップ半導体素子は、これらいずれの部位においても用いることができるが、特にコンバーター部（Ｂ）は、昇圧時に瞬間的に大電流が流れるため、インバーター部（Ｃ）、保護回路部（Ａ）に比べてトランジスタの通電損失が大きくなりやすい。
【００２３】
このため、少なくともコンバーター部（Ｂ）にワイドギャップ半導体素子を用いたときに、本発明の効果が得られる。
【００２４】
［素子基板］
ワイドギャップ半導体の素子基板として、サファイア、シリコン、窒化ガリウム、炭化珪素などがあげられるが、本発明では、いずれの材料も使用することができる。しかし、サファイアを素子基板として窒化ガリウムを形成した場合、基板全体の熱伝導度は０．３Ｗ／ｃｍＫとなり、これまでのＳｉ半導体（熱伝導度１．５Ｗ／ｃｍＫ）に比べて１／５以下と低く、熱放散性の低下が考えられる。このためサファイア基板を薄く研磨して熱伝導度を上げる例が試みられているが、硬質のサファイア基板を薄く研磨するためＦＥＴチップが高コストとなる。
【００２５】
本発明では、熱伝導度の高い素子基板として窒化ガリウム（熱伝導度　１．３Ｗ／ｃｍＫ）、炭化珪素（熱伝導度　４．９Ｗ／ｃｍＫ）、シリコン（熱伝導度１．５Ｗ／ｃｍＫ）などが挙げられ、この中でも特に炭化珪素が好ましい。ワイドギャップ半導体、特にＧａＮ系材料においては、低いオンチップ抵抗から発熱量はＳｉ系に比べると約１／２以下と小さく予測されたため、素子基板材料としてＳｉ半導体（熱伝導度　１．５Ｗ／ｃｍＫ）の約２／３となる１．０Ｗ／ｃｍＫ以上の性能が必要と算出した。
【００２６】
［ワイドギャップ半導体素子］
本発明の半導体素子を構成する材料としては、窒化ガリウム、炭化ケイ素、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウムなど多くの材料が考えられる。これらの材料を用いた半導体は、通常「ワイドギャップ半導体」と呼ばれる（例えば電気学会技術報告第６２６号に詳細あり）。このようなワイドギャップ半導体なら、いずれも可能であるが、好ましくはバンドギャップが２ｅＶ以上、さらに好ましくは３ｅＶ以上が望ましい。
【００２７】
３ｅＶ以上のものとしては、窒化ガリウムが好ましく、本発明においても窒化ガリウムを用いたとき、最も高い効果を得ることが出来た。窒化ガリウムは、飽和ドリフト速度と絶縁破壊電圧から決まるジョンソン指数が７２９．０（シリコンを１とした場合）と極めて大きく、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの電子デバイス用途に好適な材料とみなされている（例えば、赤崎勇偏著『ＩＩＩ族窒化物半導体』培風館（１９９９年）第２８６頁に詳しい）。本発明においても、ワイドギャップ半導体材料として窒化ガリウムを用いることが好ましい。
【００２８】
（実施の形態１）
図１に、本発明によって構成される太陽電池用直流交流変換装置を、要素回路ブロック図として示した。実際には、制御回路、警報回路等の周辺回路も含まれるが、表記上省略した。
【００２９】
本実施の形態においては、保護回路部（Ａ）、コンバーター部（Ｂ）、インバーター部（Ｃ）のうち、コンバーター部（Ｂ）のチョッパ部のスイッチング素子として、窒化ガリウムからなるＦＥＴを使用した。当該ＦＥＴの特性は、耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．１Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから、０．０２５Ω／ｃｍ２）である。本実施の形態におけるＦＥＴはＳｉＣ基板上に形成したＧａＮ系ＦＥＴである。
【００３０】
また、放熱板はアルミ製とし、その放熱面積は１００ｃｍ２のものを使用した。
【００３１】
実験の結果、図１の直流交流変換効率は、９７．０％であった。後述の比較例１の結果と比較すると、効率は３ポイント向上しており、約２〜４ポイントと考えられるトランジスタの損失が大幅に改善された。
【００３２】
また、基板材料にＳｉＣを使用し、その上にＧａＮを形成してＧａＮ系ＦＥＴを製作した結果、ウエハ内の特性のバラツキがあり、良好な特性結果としてオンチップ抵抗が、０．００１Ω／ｃｍ２の値が得られた。
【００３３】
コンバーター部（Ｂ）に使用するトランジスタのオンチップ抵抗は、Ｓｉ系の抵抗よりも低い０．０５Ω／ｃｍ２以下から０．００１のΩ／ｃｍ２範囲が好ましい。
【００３４】
（比較例１）
従来技術の比較を行う目的で、実施の形態１と同様の回路を用い、図２に示すようなコンバーター部（Ｂ）にワイドギャップ半導体を用いなかった場合、すなわち全ての素子をＳｉ半導体とした場合の比較実験を行った。
【００３５】
Ｓｉ系ＦＥＴとして高性能タイプと呼ばれる、耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．２Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから　０．０５Ω／ｃｍ２）、放熱面積２００ｃｍ２のアルミ板を使用した。
【００３６】
実験の結果、その直流交流変換効率は９４．０％であった。
【００３７】
（実施の形態２）
図３に、ワイドギャップ半導体であるＦＥＴを複数個使用した場合の本発明による太陽電池用直流交流変換装置を示す。
【００３８】
本実施の形態においては、保護回路部（Ａ）、コンバーター部（Ｂ）、インバーター部（Ｃ）のうち、コンバーター部（Ｂ）のチョッパ部のスイッチング素子に複数の窒化ガリウムからなるＦＥＴを使用した。当該ＦＥＴの特性は、耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．１Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから、０．０２５Ω／ｃｍ２）であり、本実施の形態におけるＦＥＴはＳｉＣ基板上に形成したＧａＮ系ＦＥＴである。
【００３９】
このような素子を３個並列に使用している。また放熱板はアルミ製とし、その放熱面積は３００ｃｍ２のものを使用した。
【００４０】
その結果、直流交流変換効率は、９７．０％であった。
【００４１】
後述の比較例２の結果と比較すると、効率は２．５ポイント向上しており、トランジスタの損失が大幅に改善された。
【００４２】
（比較例２）
実施の形態２との比較を行う目的で、実施の形態２と同様の回路を用い、図４に示すようなコンバーター部（Ｂ）にＳｉ半導体２個と窒化ガリウム半導体１個を並列に使用した場合の実験を行った。
【００４３】
Ｓｉ系ＦＥＴとして、耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．２Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから　０．０５Ω／ｃｍ２）を使用し、ＧａＮ系ＦＥＴとして耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．１Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから、０．０２５Ω／ｃｍ２）の素子を用いた。
【００４４】
放熱板は、放熱面積６００ｃｍ２のアルミ板を用いた。
【００４５】
この結果、直流交流変換効率は９４．５％であった。
【００４６】
Ｓｉ半導体とワイドギャップ半導体の組み合わせは、変換効率の向上につながるものの、実施の形態２に比べると、その効果は小さいことがわかる。
【００４７】
また、複数のＳｉ半導体を並列接続し、オンチップの低減が考えられるが、実際には放熱板面積が素子の個数とともに増大し、コストも増大する。
【００４８】
なお、以上の実施の形態および比較例をまとめて表１に示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明はこれら実施の形態によって限定されるものではない。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の太陽光発電用直流交流変換装置は、保護回路部、昇圧を行うコンバーター部、直流交流変換を行うインバーター部、および保護回路部からインバータ部までの各々を搭載するために用いられる素子基板からなり、少なくとも当該コンバーター部が、ワイドギャップ半導体素子によって構成されてなるものであるから、次のような効果を奏する。
１．コンバーター部の効率を大幅に改善することが可能となり、インバータ全体の変換効率に大きく寄与する。
２．放熱板面積の縮小が図れ、直流交流変換装置全体の大きさが小型化できる。
３．放熱板面積の縮小により、コストダウンが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるコンバーター部（Ｂ）にＧａＮ−ＦＥＴを使用したインバーターシステムの要素回路ブロック図
【図２】従来の技術であるＳｉ半導体を用いた比較例１のインバーターシステムの要素回路ブロック図
【図３】本発明の実施の形態２におけるインバーター部（Ｂ）にＧａＮ−ＦＥＴを３個並列使用したインバーターシステムの要素回路ブロック図
【図４】従来の技術であるＳｉ半導体とＧａＮ−ＦＥＴを複数組み合わせて構成した比較例２のインバーターシステムの要素回路ブロック図
【符号の説明】
Ａ　保護回路部
Ｂ　コンバーター部
Ｃ　インバーター部
Ｓ　太陽電池
Ｔｇ　ワイドギャップ半導体素子ＧａＮ−ＦＥＴ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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