メーカーと消費者の双方が化石燃料エネルギーへの依存から脱却しようとする中、電化ソリューションが広く支持されています。これは環境保護、汚染の制限、そして破壊的な地球温暖化の傾向を緩和する上で重要です。電気自動車（EV）は世界的に普及が進み、多くの企業が商用・農業車両（CAV）を電力駆動に改造しようと参入しています。

しかし、この変革により電力需要が急増し、電力網に大きな負担がかかっています。効率は高いものの、EV、データセンター、ヒートポンプなどの用途は依然として大量のエネルギーを必要とします。

太陽光、風力、波力などの新しい再生可能エネルギーは広く受け入れられ、徐々に主流になりつつあります。完全に再生可能エネルギーを使用する用途だけが、真の「クリーン」な用途と見なされます。

太陽光市場は長年にわたって発展しており、比較的成熟しています。Fortune Business Insightsの報告によると、現在の太陽光市場規模は約2730億ドルと推定され、2032年までに4360億ドルに成長する見込みです。2023年、北米の太陽光市場シェアは40%を超えました。

再生可能エネルギー用途における電源変換の課題

太陽光発電量は急速に増加しています。国際エネルギー機関（IEA）のデータによると、2022年の太陽光発電量は前年比26%増の1300 TWhに達しました。これにより、太陽光発電は風力発電を上回り、最大の再生可能電力源となりました。

太陽光パネルは直流（DC）を生成しますが、電力網は交流（AC）を必要とするため、セントラル型PVインバーターは大規模な系統接続設備に不可欠です。パネルで生成されたすべてのエネルギーはインバーターを通過するため、インバーターの効率は重要な影響を与えます。太陽光は無尽蔵ですが、変換効率が低いと電力網に供給できるエネルギーは限られます。プロセスで失われたエネルギーは熱に変わり、これがさらに深刻な課題となります。なぜなら、多くの太陽光設備は通常、砂漠など日照が豊富で高温の環境に設置されるからです。

コストも非常に重要な考慮事項であり、消費者の電気料金や電力会社の収益に直接影響します。より高い電力を実現するために、多くのセントラル型インバーターは複数の変換モジュールを並列に使用し、その数は各モジュールの定格電力によって決まります。各モジュールの電力容量が高くなるほど、必要なモジュール数は少なくなり、コストを削減できます。

電気自動車は大きく進歩しましたが、CAVの電力駆動への移行は依然として遅れています。CAVは大型で、走行ごとに消費する燃料と排出量も多く、台数では自動車全体のわずか2%ですが、その温室効果ガス排出量は交通部門全体の28%を占めます。商用乗用車（バスなど）の電動化は成果が見られ始めていますが、大型トラック、建設機械、農業車両（トラクターなど）のほとんどは依然としてディーゼルに依存しています。現在、状況は変わり始めています。EU、中国、米国カリフォルニア州など世界市場の厳格なゼロエミッション規制を達成するため、2030年までに電動トラック（純電気およびハイブリッド）の販売シェアは現在の5%から40%～50%に増加すると予想されています。

化石燃料の商用車と比較して、電動商用車は構造がシンプルで、可動部品が少なくなっています。同じ積載能力の場合、電動車は小型で信頼性が高く、メンテナンス関連コストも低くなります。現在バッテリーコストが大幅に低下しており、電動CAVの総保有コストはすでに内燃機関（ICE）車両を下回っています。

太陽光用途と同様に、効率は電動CAVの重要な要件でもあります。各車両のバッテリー容量は限られているため、インバーター内の変換プロセスの効率が高いほど、車両の走行距離は長くなります。または同じ距離を走行するのに必要な電力量が少なくなります。

将来の太陽光と電動CAVへの依存を考えると、信頼性も当然非常に重要になります。

インバーター用途向けの先進的な電源技術

三相太陽光発電インバーターなどの大電力用途では、3レベルアクティブニュートラルポイントクランプ（ANPC）コンバーターが一般的なトポロジです。このマルチレベルトポロジは、システムの性能と効率を向上させるために特別に設計されています。

通常のニュートラルポイントクランプ（NPC）コンバーターは、ダイオードを使用してDCリンクコンデンサの中性点を出力に接続します。ANPC構成（図1）では、クランプはスイッチによって実行されるため、制御が改善され、スイッチング損失が低減され、効率が向上します。それに伴い、放熱対策の必要性も減少し、より小型で低コストのソリューションの実現に貢献します。

トポロジの配置方式により、各スイッチにかかる電圧ストレスが低減され、信頼性が向上します。さらに、ANPCは電力網にとって有利な波形も実現します。

図1：モジュールを利用してANPCコンバーターを簡単に構築可能

設計エンジニアは、オンセミのQDual 3 IGBTモジュールなどの複数のパワーモジュールを並列接続することで、高性能な3レベルアクティブニュートラルポイントクランプモジュールを作成でき、システム出力電力は1.6 MW～1.8 MWに達します。

図2：QDual3 IGBTモジュール

QDual 3モジュールは、次世代の1200 Vフィールドストップ7（FS7）IGBTおよびダイオード技術を統合し、大電力アプリケーションに優れた性能を提供します。従来世代と比較して、FS7技術は導通損失を大幅に改善しました。

図3：FS7技術が主要な性能パラメータを強化

FS7 IGBTプロセスでは、トレンチ狭メサ構造により低VCE(SAT)と高功率密度を実現し、陽子注入による多重バッファにより堅牢性とソフトスイッチング特性を確保しています（図2）。オンセミの中速FS7デバイスはVCE(SAT)が1.65Vと低く、モーションコントロール用途に適しています。一方、FS7高速製品のEOFFはわずか57 µJ/Aであり、太陽光インバーターやCAVなどの大電力用途に最適です。

図4：FS7 IGBTは小型化され、高功率密度を実現

革新的なFS7技術により、新しいQDual3モジュールのチップサイズは従来世代比で30%縮小されました（図3）。この小型化と高度なパッケージングにより、最大定格電流が大幅に向上します。動作温度が150°Cまでのモーター制御用途において、QDual3の出力電力は100 kW～340 kWで、現在市場にある他の製品よりも約12%高くなっています。

信頼性は太陽光発電およびCAV用途において重要であり、モジュールの構造と試験方法が極めて重要です。例えば、現在多くの類似ソリューションでは端子を固定するためにワイヤボンディング方式を使用していますが、オンセミはモジュールに超音波溶接を採用しています。後者は電流容量を強化し、より優れた放熱経路を提供し、前者よりも堅牢です（図4）。

図5：超音波溶接により温度を低減し、信頼性を強化

この方法により導電率が向上し、電力損失が低減、効率が向上します。さらに、動作温度の低下、機械的剛性の強化、モジュール全体の信頼性向上も実現します。

オンセミの新型高功率QDual3技術

専用QDual 3ハーフブリッジIGBTモジュールNXH800H120L7QDSGは、セントラル型太陽光インバーター、エネルギー貯蔵システム（ESS）、無停電電源装置（UPS）向けであり、SNXH800H120L7QDSGはCAV向けです。これらのデバイスは両方ともFS7技術に基づいており、VCE(SAT)とEOFFが改善され、損失が低減、エネルギー効率が向上しています。

現在、600 AのIGBTモジュールを使用してANPC/INPCアーキテクチャで1.725 MWのインバーターを設計する場合、合計36個のモジュールが必要です。しかし、定格動作電流800 Aの新型NXH800H120L7QDSGおよびSNXH800H120L7QDSGを使用すると、必要なモジュール数は9個削減されます。これにより、設計のサイズ、重量、コストが25%節約されます。これは、太陽光用途とCAV用途の両方にとって非常に価値があり、軽量化と効率向上により車両の走行距離が増加します。

図6：より大きな電流能力により、より少ないモジュールでシステムを構築可能

これらのモジュールは、熱管理用の絶縁ベースプレートと内蔵NTCサーミスタを備え、はんだ付け可能なピンを介してモジュールをPCBに直接取り付けることが可能で、業界標準のレイアウトを採用しており、既存の設計を新型QDual3技術に容易にアップグレードできます。

オンセミのすべてのQDual3モジュールは厳格な信頼性試験を受けており、その信頼性レベルは市場の他の同種デバイスを上回っています。当社の湿度試験では、製品が960Vのバイアス下で2000時間耐えることが要求されますが、同種デバイスは80Vのバイアスで1000時間耐えるのみです。振動試験はCAV用途にとって極めて重要であり、当社の製品は30 Gピーク/10G RMS条件下で22時間試験され、AQG324要件を満たしています。他のデバイスは振動レベルが5 G以下で、持続時間も1時間と短い条件で試験されています。

まとめ

世界中で再生可能エネルギーの使用率が高まっており、電力網は大きな圧力を受けています。太陽光発電は成熟しており、2022年には風力発電を超え、再生可能電力の主要源となりました。

化石燃料で駆動する車両は依然として主要な汚染源ですが、CAVの電動化は着実に進んでおり、現在成果が見られ始めています。

オンセミのFS7などの新しい半導体技術は、これらの分野の効率性と信頼性の要件を満たす、低損失で大電力のデバイスの開発をサポートします。この技術に基づき、オンセミの新型QDual3デバイスはコンパクトなパッケージで高功率密度と優れたエネルギー効率を実現します。しっかりと溶接された端子と、業界の他のデバイスを上回る認証試験により、QDual3デバイスの堅牢な性能が保証されています。

次世代NXH800H120L7QDSGおよびSNXH800H120L7QDSGモジュールは、最大800 Aの電流能力を備えており、これによりインバーター設計に必要なモジュール数を25%削減でき、設計の簡素化、サイズ・質量・コストの低減をさらに進めることができます。

これは間違いなく重要な進歩であり、オンセミはFS7技術の高性能ポテンシャルの研究を引き続き深め、既存の基準を超えるモジュールをさらに開発し、太陽光業界とCAVメーカーの増大する需要に応えていきます。