��菱電機はいかにして高効率のインバータを設��したか〜SPIフォーラムから
��菱電機のパワーコンディショナは、ライバルが�k�`��くほどの性�Δ鮨�しているが、SPIフォーラム「�u害に�咾づ杜���を�`指して〜次世代グリッドの早期実現へ」（参考�@料1）の中で、同社はその�\術コンセプトを��らかにした。
図1 �陵杆�発電のフロー 出�Z：��菱電機
パワーコンディショナは、ソーラーパネル（フォトダイオードの巨�jなアレイ）の直流を200Vの交流に変える役割と、さらにソーラーモジュールの電����性を最�jにするMPPT（maximum power point tracking）�U御という、�jきく分けてこの二つの機�Δ魴eつ(図1)。ポリシリコンの�陵枦澱咾世�15%��度の光電変換効率しかないため、この効率をいかに落とさずに交流まで変換するか、が求められる。
MPPT�U御とは何か。シリコン�U半導��のpn接合の順�妓�電圧が0.6〜0.7Vしかないため、光出��電圧もやはり0.7V�咾靴�ない。�陵枦澱咾魯札襪鯆蒋`に接��し、出��電圧を�\やしていく。このため日陰や�vの��などで光を遮られると、そのパネルだけ出��電��が下がる。そこで、電流の低下をカバーするため電圧の高い点を探すことによって電��を最�jに�eっていくようにしている。フォトダイオードの電流-電圧��性から、横軸に電圧、�e軸に電��をとると、ある電圧で電��はピークになる。このピークの電��を�{跡していく機�Δ�MPPT�U御である。
インバータは、パルス幅変調（PWM：pulse width modulation）によって直流から交流を作りだす。交流のピークの時にはパルスの幅を最�jにし、�f(マイナス)に来る時にパルス幅を最小にし、このパルスの幅を徐々に広げて電圧を徐々に高めることができる。ピークを�圓�ると徐々に狭めることで電圧を下げることができ、のこぎり�Xの��弦�Sを作り出す。このパルスを作り出すのがスイッチングパワートランジスタである。この後平滑フィルタを通せばきれいな��弦�Sを交流として出��する。
トランジスタのスイッチング�]度を�屬欧襪蛤戮�くパルスの幅を�U御できるため、のこぎり�Xの��弦�Sは滑らかになる。その分コイルのインダクタンスLは小さくて済み����は小型になるため、高�]にスイッチング動作を行う�妓�でインバータ�\術は進�tしてきた。しかし、高周�S化によってトランジスタのスイッチング��失も�`立つようになり、効率が下がる��向が出てきた。
図2 ��菱電機が開発した階調�U御型インバータ�\術の��念
高�]動作をさせずにきれいな��弦�Sに�Zづけるためにどうすべきか。��菱電機のエンジニアが考えたソリューションは、パルス幅変調に加え電圧の振幅も3ビット分だけ加えるという、階調�U御型インバータ�\術だった(図2)。加える電圧V0を2V0、4V0と3�|類使い、最も低い電圧のV0のパルス周�S数を高く、最も高い電圧の4V0の周�S数を低くするのである。4V0のスイッチング周�S数は低いためノイズも低く、��失も少ない。
ここで、��形�Xのサインカーブ（0〜180度）になるように0Vか4V0の電圧と、0Vか-2V0か2V0の電圧、0Vか- V0かV0の電圧という電圧を��て�Bすことで、0VからV0、 2V0、3V0、4V0、5V0、6V0、7V0という8段階の電圧を表現できる。これで0〜180度の���凜汽ぅ鵐�ーブを�Wくと図2の�屬��靴ぅ�ザギザ曲線になる。
この階調�U御�\術はさまざまなバリエーションが可�Δ澄Ｅ徹汽譽戰襪�V0、2V0、4V0の3�|類ではなく、V0、3V0、9V0と��進数を採��すると、0Vから13V0までの14段階に細かくできる。また、最小ビットのV0のパルス幅だけをPWMで�U御すると8段階の中でもさらに細かい曲線が�Wけるようになる。�k�機�2進数の最�jになる電源4V0だけを直流電源とし、V0と2V0の電源をコンデンサに��き換えてエネルギーの流��を図れば���\電源を不要にできる。
図3 効率が定格出��で97.5%と高まった 出�Z：��菱電機
この階調�U御�擬阿鮖箸辰��陵杆�パワコンを開発し(図3)、商��化したが、この商��が定格出��において効率97.5%という値を実現した。��来��の95%と比べるとわずかな改��のように見えるが、��失という�菘世�ら見ると44%も��らしたことになる。この階調�U御�擬阿任�、交流200Vを出��するためにピーク値の281Vを�uるのに3B-INVインバータのパルス高を245Vとし、残り1B-INVと2B-INVのインバータのパルス電圧を合��して36Vになるように設��した。このインバータのスイッチング��パワー半導��ではシリコンのMOSFETを使った。
同社は今後、SiCをスイッチングパワーMOSFETに使いたいとしている。同社の先端�\術総合研�|所では、SiCパワーモジュールを使ったDC-ACコンバータを試作したが、5kW出��時の��失はSiC MOSFETによって40%��り、DC-ACコンバータの効率は98%を��えていた(参考�@料2)。Siと比べてSiCが�~�Wな点は、絶縁破�s耐圧が10倍も高いためにシリコンでは耐圧を確保するために高�B�^基��を使わざるを�uないが、SiCだと低�B�^基��を使えるため�B�^分の��失が��ることだという。ただし、SiC MOSFETの量�僝にはもう少し時間がかかりそうだ。
参考�@料
1. SPIフォーラム「�u害に�咾づ杜���を�`指して〜次世代グリッドの早期実現へ」 講演予�M集 (2011/07/13)
2. ��菱電機がSiC MOSFETのDC-ACコンバータで98%�咾慮�率を達成 (2011/01/21)
