SST電圧の課題：トポロジとSiC技術

固体変圧器（SST）の中心的な課題の一つは、単一の電力半導体デバイスの電圧定格が中圧配電ネットワーク（例えば10 kV）を直接扱うには遥かに不足していることです。この電圧制限を解決するためには、単一の技術ではなく、「組み合わせアプローチ」が必要です。主要な戦略は、「内部的」（デバイスレベルでの技術と材料の革新を通じて）と「外部協力」（回路トポロジーを通じて）の2種類に分類することができます。

1. 外部協力：回路トポロジーによる解決（現在最も主流で成熟したアプローチ）
これは現在、中高圧・高出力アプリケーションにおいて最も信頼性があり広く採用されているアプローチです。その核心的なアイデアは「団結の強さ」であり、複数のデバイスを直列接続またはモジュール化して高電圧を分散させます。

1.1 デバイスの直列接続

 原理：複数のスイッチングデバイス（例えばIGBTやSiC MOSFET）を直接直列に接続して、高電圧を共同で耐えます。これは複数のバッテリーを直列に接続してより高い電圧を得るのと同様です。

 主な課題：

• 動的な電圧バランス：デバイス間の微小なパラメータの違い（例えば、スイッチング速度、接合容量）により、高速スイッチング中に電圧が均等に分配されず、一部のデバイスで過電圧が発生し故障する可能性があります。

• 解決策：複雑なアクティブまたはパッシブの電圧バランス回路（例えば、スナッバーサーキット、ゲート制御）が必要となり、システムの複雑さとコストが増加します。

2. 多段コンバータトポロジー（現在のSSTにおける主流の選択肢）

2.1 原理：これはより高度で高性能な「モジュール直列」概念です。複数の電圧レベルを使用して正弦波のステップ近似を生成し、各スイッチングデバイスが直流バス電圧全体の一部のみを耐えるようにします。

2.2 一般的なトポロジー：

• モジュラー多段コンバータ（MMC）：中高圧SSTで最も好まれるトポロジーの一つです。多くの同一のサブモジュール（SM）を直列に接続しています。各サブモジュールは通常、キャパシタといくつかのスイッチングデバイスを含んでいます。デバイスはサブモジュールのキャパシタの電圧のみを耐えることになり、効果的に電圧ストレスの問題を解決します。利点は、モジュール性、拡張性、優れた出力波形品質です。

• フライングキャパシタ多段コンバータ（FCMC）およびダイオードクランプ多段コンバータ（DNPC）：またもや一般的に使用される多段構造ですが、レベル数が増えるにつれて構造と制御が複雑になります。

• 利点：個々のデバイスの電圧定格制限を根本的に解決し、出力電圧波形の品質を大幅に向上させ、フィルタサイズを削減します。

3. 入力直列出力並列（ISOP）カスケード構造

• 原理：複数の完全かつ独立した電力変換ユニット（例えばDAB、デュアルアクティブブリッジ）を入力を直列に出力を並列に接続して、高電圧を耐え、高電流を供給します。これはシステムレベルでのモジュールソリューションです。

• 利点：各ユニットは低電圧標準モジュールであり、設計、製造、メンテナンスを簡素化します。高い信頼性（1つのユニットの故障が全体のシステム動作を妨げない）。SSTのモジュール設計哲学に非常に適しています。

4. 内部強化：デバイスレベルの技術革新（将来の発展方向）

このアプローチは、材料科学と半導体物理学の観点から根本的に問題に対処します。

4.1 広帯域ギャップ半導体デバイスの使用

原理：炭化珪素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）のような新世代の半導体材料は、伝統的なシリコン（Si）よりも壊滅電界が1桁高いです。これは、SiCデバイスが同じ厚さでSiデバイスよりもはるかに高い電圧定格を達成できることを意味します。
利点：

• 高い電圧定格：単一のSiC MOSFETは現在、簡単に10 kV以上の電圧定格を達成できますが、シリコンIGBTは通常6.5 kV以下に制限されています。これにより、SSTトポロジーが簡素化されます（直列接続デバイスの数を削減）。

• 高い効率：広帯域ギャップデバイスは低い導通抵抗とスイッチング損失を提供し、SSTがより高い周波数で動作できるようにします。これにより、磁気部品（トランスフォーマー、インダクター）のサイズと重量が大幅に削減されます。
  

• 状況：高電圧SiCデバイスは現在、SST研究のホットトピックであり、将来の革新的なSST設計の重要な技術と見なされています。

4.2 スーパージャンクション技術

• 原理：シリコンベースのMOSFETに対する先進的な技術で、P型とN型の柱領域を交互に配置して電場分布を変更し、低オン抵抗を維持しながら電圧ブロック能力を大幅に向上させます。

• 応用：主に600 Vから900 Vの電圧定格を持つデバイスに使用されます。SSTの低電圧側または低出力セクションで使用されますが、直接の中電圧アプリケーションには不十分です。

5. 比較

SSTにおける電力半導体デバイスの電圧定格制限をどのように解決するか？

• 現在最も実用的で信頼性のある解決策は、多段コンバータトポロジー（特にモジュラーマルチレベルコンバータ、MMC）またはカスケード入力直列出力並列（ISOP）構造を採用することです。これらのアプローチは、成熟したシリコンベースのデバイスに基づいており、高度なシステムレベルのアーキテクチャを通じて個々のデバイスの電圧定格ボトルネックを回避します。

• 将来的な根本的な解決策は、高電圧広帯域ギャップ半導体デバイス、特に炭化珪素（SiC）の成熟とコスト削減にあります。これが実現すれば、SSTトポロジーは大幅に簡素化され、効率と電力密度が飛躍的に向上します。

実際のSSTの研究開発では、しばしば複数の技術が組み合わさることがあります。たとえば、SiCデバイスを使用したMMCトポロジーを採用することで、最適な性能と信頼性を達成します。