Analog Design Journal

理想ダイオード コントローラを太陽光発電アプリケーションのスケーラブルな入力バイパス スイッチとして使用する方法
Yang Wu
Analog Field Applications Engineer
China East Sales
Abhijeet Godbole
Systems Engineer
Analog Power Products
Dilip Jain
Systems Manager
Analog Power Products
ソリューションについて説明します。この回路は、ソーラー電はじめに力オプティマイザ、緊急遮断機能、PV ジャンクション ボックス

太陽光発電 (PV) システムでは、モジュール レベルのパワーなど、太陽光発電アプリケーションで広範囲の電圧をサポート

エレクトロニクス (MLPE) により、特定の条件下、特に日陰でするバイパス スイッチに関連する課題を解決します。の発電性能が改善されます。かつては費用のかかる特殊なカテゴリーと考えられていた MLPE は、今では太陽光業界でソーラー電力オプティマイザとは？

最も急速に成長している市場セグメントの一つです。ソーラー図 1 に、個々の PV パネルにソーラー電力オプティマイザを電力オプティマイザは、PV パネルの電力出力を最適化して取り付けた PV システムを示します。

効率を高める MLPE の一種です。

PV1

PV2

従来型のソーラー電力オプティマイザは、バイパス回路に P-PVn
DC+PV String

N 接合ダイオードまたはショットキー ダイオードを使用していSolar Panel

Solar Panel

ACInverter
DC-AC

Solar Panel

Gridます。ダイオードに大電流が流れると、比較的高い順方向電
String Inverter

圧降下が原因で、高い電力損失によって熱に関する重大なPower
Optimizer問題が発生する可能性があります。改善された方法では、ダPower
OptimizerDC–

イオードよりも電圧降下が小さい金属酸化膜半導体電界効果

図 1. ソーラー電力オプティマイザを搭載した PV システム

トランジスタ (MOSFET) を使用することで、高い電力損失を克電力オプティマイザは、マイクロ インバータとストリング イン服しています。

バータの中間の選択肢と考えることができます。マイクロ イン

さらに、ソーラー オプティマイザは、特定の電力レベルで導通バータのように個々のソーラーパネルに取り付けられます

損失を低減し、システム コストを削減することで効率向上を実が、その機能は DC 電力を AC 電力に変換するというもので現したため、2 枚の PV パネルを直列接続した場合の最大はありません。電力オプティマイザは、各ソーラー パネルの150V の過渡電圧など、より高い入力電圧に対応できるように最大出力をリアルタイムで追跡し、出力電圧をインバータに送なりました。この記事では、フローティング ゲートの理想ダイる前にレギュレートします。したがって、インバータはより多くオード コントローラを使用した、スケーラブルなバイパス回路

理想ダイオード コントローラを太陽光発電アプリケーションのスケーラブルな入力バイパ
ス スイッチとして使用する方法

Power
Optimizerの電力を処理することができます。その結果、太陽光に対す

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る向きや日陰、1 枚または複数枚のパネルの損傷に影響さ電圧を実現できます。図 2 に示すように、オプティマイザを対れることなく、すべてのソーラー パネルで発電性能が最適化応する PV パネルに配置すると、最も高い効率が得られまされます。各 PV パネルに電力オプティマイザを取り付けた太す。PV ストリングは、実際にはオプティマイザの出力によって陽光発電システムは、個々のパネルにオプティマイザを使用接続されます。ソーラー パネルが 1 枚でも故障すると、すべしない太陽光発電システムと比較して、効率が 20%～30%ての PV パネルが直列接続されているため、PV ストリング電向上します。

圧が低下する可能性があります。出力バイパス回路により、損傷したオプティマイザの周囲を迂回する並列パスがストリン

ソーラー電力オプティマイザの出力バイパス機能グ電流に提供されます。図 2 に、いずれかの PV パネルが損大容量のソーラー インバータでは、複数の PV パネルを直列傷した場合のバイパス機能の仕組みを示します。

接続することで、インバータ入力に供給される高い DC 入力
Solar Power Optimizer
PLC Comm.

PV +VO +Input
EMI Filter

Solar Panel
PV –

MPPT
DC-DC(Buck)

Bypass Circuit
VO –Connection flow
withbypass switch

Solar Power Optimizer
PLC Comm.

PV +VO +String
InverterInput
EMI Filter

BrokenSolar Panel
PV –

MPPT
DC-DC(Buck)VO –Solar Power Optimizer
PLC Comm.

PV +VO +Input
EMI Filter

Solar Panel
PV –

MPPT
DC-DC(Buck)

Connection flow
withbypass switch

Bypass Circuit
VO –図 2. ソーラー電力オプティマイザの出力バイパス回路用することが選択肢となります。ただし、次のような欠点もあり出力バイパス回路のソリューションます。

通常、バイパス回路には 2 種類のソリューションがあります。
図 3 に、P-N 接合ダイオードまたはショットキー ダイオードを• MOSFET はスタンドアロンのソリューションではなく、スイ使用してバイパス機能を実現する一般的な方法を示します。

ッチとして動作させるために制御回路が必要で、通常は、低コストで使いやすく、選択したダイオードで非常に高い逆電

ディスクリート MOSFET ドライバ回路を搭載したマイクロ圧を得ることができます。ただし、順方向電圧降下が高いコントローラ (MCU) が使用されます。

(0.5V～1V) ため、電力損失が大きくなり、プリント基板が大型• MCU は PV パネルからの電力を必要とするため、PV パ化するいう欠点があります。バイパス ダイオード ソリューショ

ネルがひどく損傷していたり、影や日陰で完全に覆われてンの欠点を克服するためには、電圧降下が大幅に低く、電力いたりする場合、MCU は動作せず、MOSFET はオンに損失が低い (RDS(on) が低いため) N チャネル MOSFET を使なりません。

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Analog Design Journal• MCU が故障した場合、MOSFET はオンにできず、バイパし、MOSFET のボディ ダイオードは大電流に耐えられず、

ス パスは MOSFET のボディ ダイオードを通ります。ただ高熱を蓄積して発火する危険性があります。

Solar Power Optimizer
Bypass circuit using P-Njunction diode or Schottky diode.

Bypass Switch Scheme 1

PLC Comm.

PV +VO +MPPT
DC-DC(Buck)

Input
EMI Filter

Solar Panel
PV –VO –Solar Power Optimizer
PLC Comm.

Bypass Switch Scheme 2

Bypass circuit using MOSFET.

PV +

VO +

MPPT
DC-DC(Buck)

Input
EMI Filter

Solar PanelMCU control

PV –VO –Solar Power Optimizer
PLC Comm.

Bypass Switch Scheme 3

Bypass circuit using MOSFET.

PV +

VO +

Input
EMI Filter

Solar Panel

MPPT
DC-DC(Buck)

LM746x0-Q1
Controller

PV –VO –図 3. ソーラー オプティマイザでバイパス スイッチを使用した場合の代表的なソリューション

MCU ベースのオン / オフ制御方式の欠点に対処するインテ

回路には従来のソリューションよりも優れたソリューションを実リジェントな方法としては、外部の介入なしで自律的に動作す現するためのいくつかの要件が求められます。複数のプラットるスタンドアロンの MOSFET コントローラの使用が挙げられフォームで拡張性を持たせるために、20V～150V の PV パネます。テキサス・インスツルメンツのフローティング ゲート理想ル電圧で動作し、他の回路から独立していることが求められダイオード コントローラ、 LM74610-Q1 ファミリは、外付けのます。

N チャネル MOSFET を制御して直列ダイオードの動作をエミュレートすることで、スタンドアロンの低損失バイパス スイッチソリューションを実現しています。これらのコントローラはフローティング ゲート ドライブ アーキテクチャを採用しており、MOSFET のボディ ダイオードの順方向電圧降下 (約 0.5V) と同程度の低い入力電圧で動作できます。
しかしながら、ソーラー インバータの電力レベルが高くなり、より高電圧の PV パネルの採用が増えるにつれて、バイパス理想ダイオード コントローラを太陽光発電アプリケーションのスケーラブルな入力バイパ
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Q1 (Power-Path FET)

低電圧の理想ダイオード コントローラを使用したス
ケーラブルなバイパス スイッチ ソリューション

PV+

PV–

QD (Depletion FET)

バイパス回路ソリューションでは、フローティング ゲート ドライ

ANODE

GATE

CATHODE

VCAPH

ブ アーキテクチャを採用した理想ダイオード コントローラ

LM746x0-Q1(LM74610-Q1 など) を使用し、外付け MOSFET を駆動してVCAPL

理想ダイオードをバイパス回路としてエミュレートすることで、

Equivalent Circuit
VANODE >= VCATHODE

他の回路から独立させます。そのフローティング ゲート ドライ

Q1

PV–

ブ アーキテクチャは、ゲート ドライブがグランドを基準としな

VANODE < VCATHODE
PV+

Q1

PV–

PV+

QD in source follower mode

QDいため、汎用入力範囲を実現できます。さらに、この方式に~PV+は、グランドを基準としないために、静止電流がゼロであるとANODEいう珍しい利点があります。

GATE

CATHODE

Ideal Diode Controller

ソーラー パネルやソーラー機器が正常に動作している場合、

PV– + VT_QD
ANODE

GATE

CATHODE

Ideal Diode Controller

図 4. スケーラブルなバイパス スイッチ ソリューション

バイパス MOSFET はオフになり、理想ダイオード コントロー
ラのカソード ピンからアノード ピンにはパネルの最大電圧に

LM74610-Q1 逆電圧範囲拡張の動作原理等しい逆電圧が発生します。ただし、理想ダイオード コントロ

ディプリーション モード MOSFET は、VGS が MOSFET のスーラのカソード ピンからアノード ピンへの逆電圧 (PV+ からレッショルド電圧より高くなければならない拡張モード

PV-) は、PV パネルとストリングの過渡電圧として非常に高くMOSFET とは異なり、MOSFET の VGS が 0V のときにデフなる可能性があります。PV パネルが非常に大きな入力電圧ォルトでオンになります。ディプリーション MOSFET をオフに範囲で直列に使用される場合、バイパス回路の最大入力電するには、VGS が <0V でなければなりません (一般的な範囲圧範囲を設計するのは困難です。LM74610-Q1 の最大逆電は -1V～-4V)。理想ダイオード センス パスにおけるディプリ圧は、45V の過渡電圧に制限されています。そのため、現在ーション モード MOSFET の影響を分析するために、以下の利用可能な理想ダイオード コントローラ デバイスは、定格入条件におけるデバイス動作について見てみましょう。

力電圧 80V または 125V のソーラー パネルには適していま• VPV– VPV+ の場合：理想ダイオード コントローラは順方向せん。

条件モードで、パワー MOSFET Q1 とディプリーション

図 4 に示すように、デプレッション型 MOSFET QD をセンスFET QD の両方をオンに維持します。これらの動作条件でパスに追加して理想ダイオード コントローラの逆電圧範囲をは、出力電圧は VOUT = VIN – (ID_Q1 RDS(on)_Q1) として計拡張すると、この電圧レベルをどの範囲でも維持することがで算され、VPV+ に近似します。

きます。QD のドレインは出力 PV+ に接続されます。ソースは• VPV– < VPV+ の場合：理想ダイオード コントローラは、理想ダイオード コントローラのカソードに、ゲートは理想ダイ

MOSFET Q1 がオフで、逆電流がブロックされている状態

オード コントローラのアノードに接続されます。

です。MOSFET QD はソース フォロワとしてレギュレーショ
ン モードにあり、VCATHODE を VANODE より高く維持します(VCATHODE = VIN(VANODE)+ (VGSMAX))。そのため、
VCATHODE から VANODE にかかる電圧は、QD の絶対最大定格 VGSMAX (通常は <5V) の範囲内であり、LM74610Q1 の最大逆電圧 45V の過渡電圧よりもはるかに低くなっています。高い逆電圧 (VOUT – VIN) は、QD と Q1 のドレイン - ソース間電圧 (VDS) によって維持されます。

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ディプリーション MOSFET とパワー MOSFET を適切に選択

プライズ、通信、電動工具、高電圧バッテリ管理の各アプリケするかどうかは、次のポイントによって決まります。

ーションにも有用です。

• Q1 と QD の VDS 定格は、最大ピーク入力電圧よりも大きまとめいものを選択します。
• パワー パス MOSFET の電力損失が最小になるように直列接続された PV パネルやソーラー機器が損傷したり故障したりした場合、ホットスポットや電圧供給の中断を避けるたRDS(on) を選択します。FET のドレイン電流 (ID) は、出力負めの設計が重要です。一般的にこれらは、ソーラー電力オプ

荷が要求する最大ピーク電流よりも大きくなければなりまティマイザや緊急遮断機能が担っています。標準的な整流ダせん。全負荷電流時にパワー MOSFET の両端に 50mV

イオードやショットキー ダイオードは、損傷したパネルをバイ～100mV の電圧降下があるディプリーション MOSFETパスする最も簡単なソリューションですが、熱効率が良くないを選択することが、適切なスタートです。

のであまり推奨されません。N チャネル MOSFET を備えたフ• RDS(on) は 数百 Ω の範囲になる可能性があります

ローティング ゲートの理想ダイオード コントローラは、バイパ( LM74610-Q1 のフローティング ゲート ドライブ アーキテ

ス スイッチ ソリューションに比べてスタンドアロンでの電力損

クチャは、カソード ピンのグランドに対するインピーダンス失が少なく、さらにディプリーション MOSFET によるシステムが大きく、コントローラの ICATHODE はマイクロアンペアの回避策を追加することで、PV パネルの広い入力電圧範囲に範囲です)。

対応できる完全にスケーラブルなソリューションを提供しま

図 5 に、40V の LM74610-Q1 コントローラを使用した 60V

す。

バイパス スイッチ ソリューションのテスト結果を示します。

その他の資料• 『LM74610-Q1 ゼロ IQ 逆極性保護スマート ダイオード
コントローラ データシート』

図 5. LM74610-Q1 とディプリーション MOSFET による 60V バイパ
ス回路のテスト結果

適切にスケーリングされた MOSFET (Q1 と QD) を使用すると、入力電圧範囲は FET の VDS 定格まで拡張できます。これにより、同じ低電圧コントローラを使用した高電圧設計が可能になります。また、入力電圧範囲を広げることは、エンター

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