低損失コンパクト電力変換応用機器

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(1)プロジェクト課題. 低損失コンパクト電力変換応用機器背景・目的低炭素社会の実現に向けた省エネ、電化、再生可能エネルギー導入の推進において、パワーエレクトロニクスのイノベーションが果たす役割は大きい。その核として低損失化、小型化および制御の高機能化が期待できる、SiC 半導体を用いたデバイス（SiC デバイス）を適用した電気機器の普及が期待されている。このような次世代機器の普及のためには、SiC デバイスの適用効果の大きい応用機器から優先的に実用化を進めていくことが重要である。本課題では、SiC デバイスを適用した次世代機器の実用化を目指し、要素技術としてのパワーエレクトロニクス回路のシミュレーション技術、制御技術を確立するとともに、適切な実用化対象を選定した上で、その実証機を開発する。. 主な成果開発対象として配電系統用の柱上設置 STATCOM ＊ 1（表 1）を取り上げ、SiC デバイス適用機器の実用化開発を進めている（㈱東芝との共同研究）。これは、太陽光発電の大量導入に対し不可欠となる配電線電圧調整装置を、高効率かつ省スペースで実現するものであり、SiC の適用メリットを最大限に活用できる。平成 2 1 年度には、概念設計による柱上設置 STATCOM の実現可能性と、実証機開発への SiC−JFET ＊ 2 の適用可能性を明らかにした。 1．柱上設置 STATCOM の最適回路構成小型軽量化のためには、変圧器を用いない構成とする必要がある。これを前提に、採用可能な回路構成を抽出し、シミュレーション解析による動特性評価等に基づいて、必要素子数、部品総体積、効率、製作上の容易性を相互比較した結果、最適回路構成として Y 結線 MMC（Modular Multilevel Converter）＊ 3（図 1）を選定した［R 0 9 0 1 0］。 2．柱上設置 STATCOM の実装設計上記検討で得られた交流フィルタ、直流コンデンサの所要L、C値や算定効率（99.1％）を用いて Y 結線 MMC を採用した場合の STATCOM の実装設計を行い、柱上設置が可能であることを明らかにした（図 2）。なお、筺体外形寸法は W 0 . 8 m × D 0 . 5 m × H 1 . 5 m であり、重量は約 5 0 0 kg（交流フィルタ部約 3 0 0 kg、インバータ部約 2 0 0 kg）と推定できる。 3．SiC−JFET の適用性評価新型デバイスである SiC−JFET ＊ 4 の特性評価を実施し、1）特性オン抵抗は 2 . 8 m Ω cm 2 と小さいこと、2）スイッチング損失に関しては、同定格の Si−IGBT に比して、ターンオン損失は約 1 ／ 6 に、ターンオフ損失は約 1 ／ 8 に低減できること、3）SiC ショットキバリアダイオードとの組み合わせによるオール SiC での安定なインバータ動作が可能であること、を検証した。以上の結果により、このデバイスが今後製作予定の STATCOM 実証機に適用できることを明らかにした。 62.

(2) 環境・エネルギー利用技術環境・エネルギー利用技術環境・エネルギー利用技術. 環境・エネルギー利用技術 1 柱上設置 STATCOM の設計仕様表 1表柱上設置 STATCOM の設計仕様表 1配電線に連系設置される設備であり、柱上設置 STATCOM 表 1 柱上設置 STATCOMの設計仕様の設計仕様配電線に連系設置される設備であり、配電線に連系設置される設備であり、発生高調波の他、可聴ノイズの低減に発生高調波の他、可聴ノイズの低減に配電線に連系設置される設備であり、発生高調発生高調波の他、可聴ノイズの低減にも配慮した。も配慮した。波の他、可聴ノイズの低減にも配慮した。も配慮した。定格容量 kVA 定格容量 100100 kVA 定格容量 100 kVA 定格電圧 6600 定格電圧 6600 V V 定格電圧 6600 V 総合電流歪率総合電流歪率高調波高調波 2.5以下総合電流歪率 2.5以下高調波 2.5以下直流電圧変動 5%以内直流電圧変動 5%以内直流電圧変動 5%以内等価スイッチング等価スイッチング 20 kHz 20 kHz 周波数等価スイッチング周波数 20 kHz 周波数. CellCellCellCellCellCell SiC SiC SiC Cell Cell Cell CellCellCellCellCellCell SiC SiC Cell SiC CellCell CellCell SiCCell CellCellCell SiC SiC Cell Cell Cell. 各セルは各セルは SiCSiC スイスイ各セルは SiC スイッチング素子とッチング素子とッチング素子とダイオードに SiCSiC ダイオードに SiC ダイオードにより構成される。より構成される。より構成される。. Y 結線 MMC による STATCOM 構成図 1図 Y1 結線 MMC による STATCOM 構成図 1 Y 結線 MMC によるSTATCOM STATCOM 構成図 1 Y 結線 MMC による構成適用可能な回路構成を比較評価した結適用可能な回路構成を比較評価した結適用可能な回路構成を比較評価した結果、Y 結線適用可能な回路構成を比較評価した結果、Y 結線 MMC が小型 STATCOM の実MMC 果、Y 結線 MMC が小型 STATCOM の実が小型 STATCOM 果、Y 結線の実現に最適であると判断した。 MMC が小型 STATCOM の実現に最適であると判断した。現に最適であると判断した。現に最適であると判断した。. 0.8m 0.8m 0.8m. 1.5m 1.5m 1.5m. 交流フィルタ交流フィルタ交流フィルタ連系リアクトルとの組合せ連系リアクトルとの組合せによる TL-C-L 型 L-C-L 回路でによる T型回路で連系リアクトルとの組合せ構成。構成。による T 型 L-C-L 回路で構成。インバータインバータインバータユニットユニットユニットインバータユニットは図インバータユニットは図 1 の1 のとおりセル 9 台で構成。インバータユニットは図 1のとおり SiCSiC セル 9 台で構成。とおり SiC セル 9 台で構成。 0.25m 0.25m 0.25m 0.5m 0.5m 0.5m. 0.5m 0.5m 0.5m セル (c) (c) SiCSiC セル (a) 装柱イメージイラスト (b) 実装イメージ図（a）装柱イメージイラスト（b）実装イメージ図 (a) 装柱イメージイラスト (b)（b）実装イメージ図実装イメージ図 (c) SiC セル (a) 装柱イメージイラスト図 2 6.6kV−1 0 0kVA (b) 実装イメージ図柱上設置 STATCOM のイメージ図 2 6.6kV-100kVA 柱上設置 STATCOM のイメージ図図 2図 6.6kV-100kVA 柱上設置 STATCOM のイメージ図実装設計により、柱上設置 STATCOM が実現可能であることを明らかにした。図 2 6.6kV-100kVA 柱上設置 STATCOM のイメージ図実装設計により、柱上設置 STATCOM が実現可能であること実装設計により、柱上設置 STATCOM が実現可能であること実装設計により、柱上設置 STATCOM が実現可能であることを明らかにした。を明らかにした。を明らかにした。. 注 1) STATCOM (STATic synchronous COMpensator)：自励式変換器を用いた無効電力補償装置。注 1) STATCOM (STATic synchronous COMpensator)：自励式変換器を用いた無効電力補償装置。 2) SiC スイッチングデバイスとしては、SiC-JFET と SiC-MOSFET の開発が進められているが、現時点では、SiC-JFET 2) SiC スイッチングデバイスとしては、SiC-JFET と SiC-MOSFET の開発が進められているが、現時点では、SiC-JFET がが注 1) STATCOM (STATic synchronous COMpensator)：自励式変換器を用いた無効電力補償装置。 2) 最も実用化に近いデバイスとして期待されている。 SiC最も実用化に近いデバイスとして期待されている。スイッチングデバイスとしては、SiC-JFET と SiC-MOSFET の開発が進められているが、現時点では、SiC-JFET が 3) 複数のセル（モジュール）を多段接続することにより構成する変換器（図 3) 最も実用化に近いデバイスとして期待されている。複数のセル（モジュール）を多段接続することにより構成する変換器（図 1）。1）。 4) ノーマリーオフ型デバイス。定格電圧、電流：1200V、30A。 4) 複数のセル（モジュール）を多段接続することにより構成する変換器（図ノーマリーオフ型デバイス。定格電圧、電流：1200V、30A。 3) 1）。 4) ノーマリーオフ型デバイス。定格電圧、電流：1200V、30A。. ＊ 1：STATCOM（STATic synchronous COMpensator）：自励式変換器を用いた無効電力補償装置。 2 2 と SiC − MOSFET の開発が進められているが、現時点＊ 2 ： SiC スイッチングデバイスとしては、SiC − JFET 2 では、SiC − JFET が最も実用化に近いデバイスとして期待されている。＊ 3：複数のセル（モジュール）を多段接続することにより構成する変換器（図 1）。＊ 4：ノーマリーオフ型デバイス。定格電圧、電流：1200V、30A。. 63.

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