論論

文SiC 素子を使用した大形パワーコンディショナ

文

SiC 素子を使用した大形パワーコンディショナ
■ 吉井

誠

Makoto Yoshii

1

はじめに■ 鈴木

2

1957 年のサイリスタの発明以来，パワーエレクトロニクス用のスイッチング素子には，シリコン（Si）を材

健司

Takeshi Suzuki

2.1■ 土井佑太

Yuta Doi■ 杉浦

豊

Yutaka SugiuraS
 iC ハイブリッド IGBT モジュールを 使用した 500 kW PCS
SiC ハイブリッド IGBT モジュールの特長料とする半導体素子が使用されてきた。インバータに

こ れ ま で 大 容 量 の PCS に 使 用 し て き た Si-IGBT モ

使用するスイッチング素子は，1990 年代以降，Si 製のジ ュ ー ル は， ト ラ ン ジ ス タ に Si-IGBT，FWD に Si-MOSFET（金属 - 酸化物 - 半導体電界効果トランジスタ）

FRD（ファーストリカバリダイオード）を用いている。と IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が主流

Si-FRD が順方向に導通しているとき，逆アームの Si-となっている。Si 製の MOSFET と IGBT の性能は，主IGBT（正側の FWD が導通なら負側の IGBT，負側のに MOS ゲートの微細化により向上が図られてきたが，FWD が導通なら正側の IGBT）をオンさせると，FWDSi の物性限界に近づきつつあり，大幅な性能向上が見の電流が 0 になった後に irr（逆回復電流）が流れる。

込めなくなっている。

この irr は Si-FRD に逆回復損失を発生させ，さらに Si-一方，炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）なIGBT の Eon（ターンオンスイッチングエネルギー）をどのワイドギャップ半導体を用いることで，Si の物性増加させるので，fsw（スイッチング周波数）を高周波限界を超えるスイッチング素子が実現されている。実化する妨げの一因となっている。

用化は，2000 年代に SiC-SBD（ショットキーバリア今回使用した SiC ハイブリッド IGBT モジュールは，ダイオード）から始まった。2010 年代に入ると SiC-FWD に SiC-SBD を使用している。SiC-SBD は Irr ≒ 0 で

MOSFET や GaN-JFET（接合形電界効果トランジスタ）あることから逆回復損失がなく，さらに Si-IGBT の Eonが実用化され，複数素子を内蔵するパワーモジュールもを減少させ，モジュールの損失を低減できる特長がある。

製作されている。
東光高岳では，2009 年から SiC-SBD を電気自動車用急速充電器に使用している。また，SiC-MOSFET モ
ジュールを使用した 30 kW 共振形交直双方向変換器も，開発している（1）。
今回，開放電圧 1,000 V の太陽電池と約 800 V のリチウムイオン電池への適用を目的として，直流電圧範
囲 を 550 V～1,000 V と す る 500 kW PCS（ パ ワ ー コンディショニングシステム）を開発した。変換損失を低減するため，トランジスタに Si-IGBT，FWD（還流ダイオード）に SiC-SBD を内蔵する SiC ハイブリッド
IGBT モジュールを使用した。
さらに，ワイドギャップ半導体のみを用いた大容量のパワーモジュールの市販が始まり，東光高岳としてもこれらの実用化に備え，SiC-MOSFET と SiC-SBD を内蔵

図1

するフル SiC-MOSFET モジュールを使用する 250 kW
PCS を開発した。
本稿では，SiC ハイブリッド IGBT モジュールを使用
した 500 kW PCS と，フル SiC-MOSFET モジュールを使用した 250 kW PCS について紹介する。

2.2

SiC ハイブリッド IGBT スタック回路図

SiC ハイブリッド IGBT スタックの特長

製作した SiC ハイブリッド IGBT スタックの部品構成と配置を反映させた回路図を，図 1 に示す。
特長を以下に示す。
・定 格電圧 1,700 V，定格電流 1,200 A で 2in1 構成のSiC ハイブリッド IGBT モジュールを 3 個使用して，スタック 1 台で三相インバータを構成

6

東光高岳技報 Vol.3 2016

SiC 素子を使用した大形パワーコンディショナ

論

文・スタックの回路構成を 2 レベルインバータとして，3レベルインバータに比べ，回路構成を簡略化
・直流最高電圧 1,000 V で，定格交流電力を出力可能
・直 流最低電圧 740 V，三相交流電圧 440 V の仕様では，スタック 3 台で 1 MW を出力可能
・直流フィルムコンデンサ使用により，期待寿命 20 年
・直流導体に低インダクタンスのラミネートバスバーを使用し，スナバレスを実現
・ス イッチング周波数を Si-IGBT スタックの 1.50 kHz（a）監視制御盤

から 2.55 kHz に上げながら，損失は低減
・Si-IGBT スタックに対し体積を 60% に低減（電力あたり）（b）交直変換盤

図3500 kW PCS 外形SiC ハイブリッドスタックを 2 台使用して，定格交流電力は充放電 500 kW である。交流側は，連系変圧器を介して三相 6,600 V に連系する。

2.3

500 kW PCS 外形を図 3 に示す。
（a）監視制御盤は，500 kW PCS の特長

500 kW PCS の仕様を表 1，単線結線図を図 2 に示す。

シーケンサ，操作画面，系統連系保護リレーなどを収納する。
（b）交直変換盤は制御回路，開閉器，フィルタ回路と，

表1

500 kW PCS 仕様

定格交流電力放電電力

500 kW

PCS 330 V 交流端

充電電力

500 kW

PCS 330 V 交流端

交流側仕様
定格電圧

330 V

三相三線

電圧範囲

297 V〜363 V

定常的な変動範囲

定格周波数

50 Hz

周波数範囲

47.5 Hz〜52.5 Hz 定常的な変動範囲

電流ひずみ率

各次 3% 以下，総合 5% 以下 （40 次以下）

中央に SiC ハイブリッド IGBT スタックを 2 台収納する。
図 4 に，定格の直流電圧 750 V，交流電圧 330 V における，充放電の変換効率を示す。250 kW 放電（50%負 荷 ） で 98.3%，500 kW 放 電（100% 負 荷 ） で は97.8% で あ り， 表 1 の 仕 様 を 満 た し て い る。 交 流 電
圧 330 V における最大変換効率は，直流電圧 550 V，
250 kW 放電で 98.8% である。

FRT 要件 （運転継続範囲）
交流電圧低下残存電圧 0 V，0.3 s

周波数変化率± 2 Hz/s

電圧復帰後 0.1 s で電力90% 以上周波数ステップ変化 ± 0.8 Hz，40 ms
直流側仕様
定格電圧750 V

電圧範囲

550 V〜1000 V

電流範囲

放電 932 A〜充電 886 A

直流電力

放電 513 kW〜充電 488 kW

変換効率
放電効率

97.5% 以上DC750 V，AC330 V，
AC500 kW

98.5% 以上

DC550 V，AC330 V での最大効率

単独運転検出
能動的方式

ステップ注入付周波数フィードバック方式（周波数変化率検出）

受動的方式

位相跳躍検出図4500 kW PCS 変換効率

太陽光発電用 PCS の変換効率の指標である部分負荷に重みを置く欧州効率（EURO-eta）注 1） は，直流電圧
750 V の条件で 97.6% である。
定格の直流電圧 750 V，交流電圧 330 V，500 kW 放電時の交流電流波形を，図 5 に示す。測定時の交流電

図2500 kW PCS 単線結線図

図5500 kW PCS 交流電流波形

東光高岳技報 Vol.3 2016

7

論文

SiC 素子を使用した大形パワーコンディショナ

流のひずみ率は，総合 1.8%（40 次以下）であり，表 1の仕様を満たしている。

・定 格 電 圧 1,200 V， 定 格 電 流 800 A，FWD に SiCSBD を使用した 2in1 構成の SiC-MOSFET モジュー
ルを 3 個使用して，スタック 1 台で三相インバータ

33.1

 ル SiC-MOSFET モジュールをフ使用した 250 kW PCS
フル SiC-MOSFET モジュールの特長

パワーモジュール内のトランジスタに SiC-MOSFET，FWD に SiC-SBD を使用し，すべての素子が SiC 製であることから，フル SiC-MOSFET モジュールと呼称さを構成
・スタックの回路構成を 2 レベルインバータにし，3 レベルインバータに比べ，回路構成を簡略化
・直 流最高電圧 1,000 V に対応（定格交流電力は直流電圧 900 V 以下で出力可能）
・直 流最低電圧 740 V，三相交流電圧 440 V の仕様では，交流 300 kW（充放電）出力可能
・直流フィルムコンデンサ使用により，期待寿命 20 年れている。
SiC の 絶 縁 破 壊 電 界 は Si に 比 べ 約 10 倍 高 い の で，SiC-MOSFET は 同 一 の 電 圧 定 格 の Si-MOSFET に 対・直流導体に低インダクタンスのラミネートバスバーを使用し，スナバレスを実現し，キャリア密度を 100 倍にして，オフ時に空乏層が・スイッチング周波数を SiC ハイブリッド IGBT スタッ

広がる n- 層の厚さを 1/10 にできる。n- 層はオン時にクの 2.55 kHz から 12.35 kHz に上げながら，損失はMOSFET の電気抵抗の大部分を占めるドリフト領域と低減なるので，SiC-MOSFET は同一の電圧定格，同一面積・体 積 を SiC ハ イ ブ リ ッ ド IGBT ス タ ッ ク に 対 し 約の Si-MOSFET に対し，オン抵抗を理想的には 1/1,00080%，Si-IGBT スタックに対し約 50% に低減（電力に 低 減 で き る。（ た だ し， 市 販 さ れ て い る 定 格 電 圧あたり）

1,200 V の SiC-MOSFET は，定格電流時の D-S 間電圧が 2 V～3 V の例が多い。
）

3.3

250 kW PCS の特長

また，バイポーラ素子である Si-IGBT はターンオフ

フ ル SiC-MOSFET ス タ ッ ク を 適 用 し て 開 発 し た

時にテール電流が流れるのに対し，モノキャリア素子で250 kW PCS は，直流電圧範囲が 640 V～1,000 V，交ある SiC-MOSFET は原理的にテール電流が流れないた

流電圧は三相 380 V である。ただし定格交流電力，充め，Si-IGBT に比べ Eoff（ターンオフスイッチングエネ

放電 250 kW を出力可能な直流電圧は，900 V 以下でルギー）が少ない特長がある。

ある。

さらに FWD として SiC-SBD をモジュールに内蔵することで，ゲートオフ状態と大電流時の逆方向電流に対250 kW PCS の仕様を表 2，単線結線図を図 7，外形を図 8 に示す。

表2するドレイン - ソース間電圧を低減している。

250 kW PCS 仕様

定格交流電力3.2

SiC-MOSFET スタックの特長

製作した SiC-MOSFET スタックの部品構成と配置を反映させた回路図を，図 6 に示す。
特長を以下に示す。

放電電力

250 kW

PCS

380 V 交流端充電電力

250 kW

PCS

380 V 交流端定格交流電圧

380 V

三相三線

電圧範囲

342 V〜418 V

定常的な変動範囲

定格周波数

50 Hz

周波数範囲

47.5 Hz〜52.5 Hz 定常的な変動範囲

電流ひずみ率

各次 3% 以下，総合 5% 以下（40 次以下）

交流側仕様

FRT 要件 （運転継続範囲）
交流電圧低下残存電圧 0 V，0.3 s

周波数変化率± 2 Hz/s

電圧復帰後 0.1 s で電力90% 以上周波数ステップ変化 ± 0.8 Hz，40 ms
直流側仕様
定格直流電圧

750 V

電圧範囲

640 V〜1000 V

電流範囲

放電 399 A〜充電 383 A

直流電力

放電 255 kW〜充電 245 kW

充放電 250 kW は 640 V〜900 V

変換効率（設計値）
放電効率

図68SiC-MOSFET スタック回路図

東光高岳技報 Vol.3 2016

98.0% 以上

DC750 V，AC380 V，
AC250 kW

99.0% 以上

DC640 V，AC380 V での最大効率

SiC 素子を使用した大形パワーコンディショナ論

文

約 5 倍に高周波化した。fsw の高周波化により，フィルタリアクトル，コンデンサを含む部品を小形化，低損失化して，変換部を収納する盤の体積を 47% 縮小した。

4
図7

250 kW PCS 単線結線図

おわりに東光高岳では，本稿で紹介した SiC ハイブリッドモ
ジュールを用いた 500 kW PCS をもとにして，太陽電池パネルと組み合わせた太陽光発電システムや，リチウムイオン電池などの二次電池と組み合わせた蓄電システ
ムを開発し，提供していく所存である。
ま た， フ ル SiC-MOSFET モ ジ ュ ー ル を 用 い た
250 kW PCS の開発をとおして，ワイドギャップ半導体を用いたパワーモジュールを使用して電力変換装置を製造する，基礎的な技術を確立した。
今後も，SiC や GaN などのワイドギャップ半導体素子を積極的に使用していくとともに，リアクトルなどを含む装置全体の損失を低減し，高効率で小形化した電力

図8

250 kW PCS 外形

Si-IGBT モ ジ ュ ー ル，SiC ハ イ ブ リ ッ ド IGBT モ
ジュール，フル SiC-MOSFET モジュールの各スイッチング素子を使用したときの，スイッチング周波数変換装置を開発していく所存である。
■参考文献（1）土井，鈴木：「30 kW 共振形交直双方向変換器」，東光高岳技報，No.2，pp.8-10，（2015）

fsw とスイッチング素子の損失の関係を，図 9 に示す。
損失を計算する回路構成は，2in1 モジュール 3 個で

■語句説明

250 kW PCS を構成し，直流電圧 750 V，三相交流電注 1）欧州効率（EURO-eta）：x% 出力時の変換効率を，ηx% とするとき，次の式で求める。
ηEU ＝ 0.03*η5% + 0.06*η10% + 0.13*η20% + 0.10*
η30% + 0.48*η50% + 0.20*η100%

圧 380 V に統一した。
図 9 では，損失を表す直線の fsw ＝ 0 Hz の値が導通損失を，傾きがスイッチング損失の大きさを表わし，両者ともフル SiC-MOSFET モジュールを使用する場合が最小である。

吉井誠

鈴木健司

土井佑太

杉浦豊

 術開発本部
技技術研究所 次世代系統技術グループ 所属
パワーエレクトロニクス機器の開発に従事

 術開発本部
技技術研究所 次世代系統技術グループ 所属
パワーエレクトロニクス機器の開発に従事

 術開発本部
技技術研究所 次世代系統技術グループ 所属
パワーエレクトロニクス機器の開発に従事

図９スイッチング周波数帯スイッチング素子の損失

今回，250 kW PCS にフル SiC-MOSFET モジュールを使用することで，SiC ハイブリッド IGBT モジュールを使用した 500 kW PCS に比べ，スイッチング素子の 術開発本部
技技術研究所 次世代系統技術グループ 所属
パワーエレクトロニクス機器の開発に従事

損 失 を 増 や さ ず に fsw を 2.55 kHz か ら 12.35 kHz へ，

東光高岳技報 Vol.3 20169