【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池直流出力の交流変換装置に関し、特に商用電力系統に連系される太陽光発電システムにおいて使用される系統連系インバーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球の温暖化や原発事故による放射能汚染等に伴い、環境とエネルギーに対する関心が急速に高まっている。こうした中で、太陽電池は再生可能かつ無尽蔵なクリーンエネルギー源として今後の展開が期待されている。
【０００３】
太陽電池のエネルギー変換効率は、入射光のエネルギーに対して数％から十数％の変換効率で電気エネルギーに変換される。変換された電気エネルギーは、直流交流変換装置によって昇圧、直流交流変換が行われ商用電力として利用される。ここで、インバーター自体のエネルギー変換効率は、汎用タイプで約９３％、高性能タイプで約９５％（日本電池製インバータおよびオムロン製インバータのカタログより）であるが、保護回路部、コンバーター部を含み、かつ、安全性、信頼性の観点からシステムが複雑となる直流交流変換装置全体としてのエネルギー効率は決して高いとは言えないのが現状であり、システム全体でのエネルギー変換効率改善のために、さまざまな提案がなされている。
【０００４】
そのうち一つの提案は、太陽電池が発電しない時刻に開閉器を開き、発電システムに流れ込む電力を遮断することで、システムが不稼動時間の電力消費を無くし、効率を向上させる方法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また別の一つの提案は、特性の異なる２種類のトランジスタを並列に接続したスイッチング回路を使用し、効率を改善する方法である（例えば、特許文献２参照）。このシステムでは、半導体スイッチング素子に、それよりスイッチング速度が速く電圧降下が電流に対して抵抗性を有する抵抗性半導体スイッチング素子を並列に接続しておいて、交流出力電流半周期の出力電流がピーク電流に対し所定割合より高い周期では、抵抗性半導体スイッチング素子が半導体スイッチング素子よりも先にオンされて、半導体スイッチング素子に与えられるスイッチング制御信号停止後、所定期間後に停止させ、また、交流出力電流半周期の出力電流がピーク電流に対し所定割合より低い周期では、半導体スイッチング素子の作動を停止し、抵抗性半導体スイッチング素子のみのスイッチング動作により出力を発生させるよう制御するものである。
【０００６】
さらにまた別の一つの提案は、スーパージャンクションを構成する複数のＰＮ接合を素子内部に配置し耐電圧、動作抵抗を改善する方法である（例えば、特許文献３参照）。このシステムでは、ＭＯＳ−ＦＥＴ内部に複数のＰＮ接合を縦に配置して、ソースから縦方向に伸びる空乏層が横方向にも伸びる様に工夫されており、スーパージャンクション部分をピンチオフさせることでＭＯＳ−ＦＥＴの耐圧及び動作抵抗を改善するものである。
【０００７】
ところで、他方、これまでシリコンをベースにした半導体素子によりこれらの直流交流変換装置が構築されて来たのに対して、より高い変換効率、高耐圧性、高耐熱性にかかわる優位性から、ワイドギャップ半導体である、炭化ケイ素、窒化ガリウムなどの化合物半導体からなる半導体素子の直流交流変換装置への適用が、発電システム分野全体で注目されている。
【０００８】
例えば、直流交流変換装置用半導体素子のスイッチング損失を低減して変換効率を上げる一方、シリコン系半導体素子では、スイッチング損失低減に必要なデバイス加工寸法のスケールダウンに伴ってデバイス耐圧が低下するという問題が避けられないため、炭化ケイ素または窒化ガリウムからなる非シリコン系半導体素子をシリコン系半導体素子と併用することにより、デバイス耐圧の向上を図っている（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０６−１９７４５５号公報（第１―４頁）
【特許文献２】
特開２００１−０２５２５９号公報（第１―１０頁）
【特許文献３】
特開２００１−１４４２９２号公報（第１―７頁）
【特許文献４】
ＷＯ００／７２４３３号公報（第１―３頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら開示の技術には、次のような種々問題がある。
【００１１】
すなわち、特許文献１の特開平０６−１９７４５５号公報で開示のシステムでは、通常のシステムに時刻測定回路および開閉器制御回路を付加する必要がある。結果として時刻測定回路、開閉器制御回路等の消費電力が加算されるため、大幅な効率改善は困難である。
【００１２】
また、特許文献２の特開２００１−２５２５９号公報で開示のシステムでは、通常のシステムに抵抗性半導体スイッチング素子制御回路を付加する必要がある。結果として制御回路と抵抗性半導体スイッチング素子駆動回路の消費電力が加算されるため、大幅な効率改善は困難である。
【００１３】
また、特許文献３の特開２００１−１４４２９２号公報で開示されているＦＥＴでは、通常のＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン部にスーパージャンクションを構成する複数のＰＮ接合を精度良く配置する必要がある。結果としてＦＥＴ製造工程が複雑化するため、スイッチング素子コストの大幅な増加となる。結果として従来構造のＭＯＳ−ＦＥＴを多数並列に接続する従来方法に対して大きな優位性がなくなってしまう。
【００１４】
さらにまた、特許文献４のＷＯ００／７２４３３号公報の開示の中で用いられる半導体素子個々への電気的負荷が偏らないようにするためには、シリコン系半導体素子、非シリコン系半導体素子間でオンチップ抵抗が同等となるよう構成される必要があり、デバイス耐圧は向上するものの、オンチップ抵抗、ひいては通電損失の低減および直流交流変換効率の向上に限界が残る。また、通電損失に伴う発熱によってシリコン系半導体素子の信頼性が低下し、最悪の場合、破壊に至る。このため、シリコン系半導体素子が安定に動作できるようその環境温度を５０℃以下で維持するため、シリコン半導体素子１個あたりに約２００ｃｍ２以上の放熱板面積が必要とされている。シリコン系半導体素子を用いる限り、同等の通電損失による発熱による温度上昇を抑制するため、シリコン系半導体素子、非シリコン系半導体素子ともに同等の面積を有する放熱板を必要とすることになり、小型化に対するニーズが高い太陽光発電への適用に問題となる。
【００１５】
そこで本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、直流交流変換効率が高く、かつ小型の太陽電池用直流交流変換装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意検討した結果、太陽電池用直流交流変換装置の構成に着目し、少なくともコンバーター部にワイドギャップ半導体素子を使用することで、直流交流変換効率が高く、かつ小型の太陽電池用直流交流変換装置が実現できることを見出した。
【００１７】
すなわち、本発明の太陽電池用直流変換装置は、保護回路部、昇圧を行うコンバーター部、直流交流変換を行うインバーター部、および保護回路部からンバーター部までの各々を搭載するために用いられる素子基板からなり、少なくとも当該コンバーター部が、ワイドギャップ半導体素子によって構成されてなるものである。
【００１８】
なお、ワイドギャップ半導体素子の特性は目的に応じて変えられるが、特に、オンチップ抵抗の値が０．００１〜０．０５Ω／ｃｍ２であることが好ましい。また、ワイドギャップ半導体素子としてバンドギャップが２ｅＶ以上が好ましく、また素子の材料として望ましくはＧａＮ系材料が好ましい。
【００１９】
さらにまた、素子基板の熱伝導度は、１．０Ｗ／ｃｍＫ以上であることが望ましい。
【００２０】
このような構成により、直流交流変換効率が高く、かつ小型の太陽電池用直流交流変換装置が実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明するが、はじめに、本発明における［直流交流変換装置］［素子基板］および［ワイドギャップ半導体素子］の各ポイントを紹介する。
【００２２】
［直流交流変換装置］
本発明の太陽電池用直流交流変換装置は、図１に示すように、保護回路部（Ａ）、コンバーター部（Ｂ）、インバーター部（Ｃ）よりなる。ワイドギャップ半導体素子は、これらいずれの部位においても用いることができるが、特にコンバーター部（Ｂ）は、昇圧時に瞬間的に大電流が流れるため、インバーター部（Ｃ）、保護回路部（Ａ）に比べてトランジスタの通電損失が大きくなりやすい。
【００２３】
このため、少なくともコンバーター部（Ｂ）にワイドギャップ半導体素子を用いたときに、本発明の効果が得られる。
【００２４】
［素子基板］
ワイドギャップ半導体の素子基板として、サファイア、シリコン、窒化ガリウム、炭化珪素などがあげられるが、本発明では、いずれの材料も使用することができる。しかし、サファイアを素子基板として窒化ガリウムを形成した場合、基板全体の熱伝導度は０．３Ｗ／ｃｍＫとなり、これまでのＳｉ半導体（熱伝導度１．５Ｗ／ｃｍＫ）に比べて１／５以下と低く、熱放散性の低下が考えられる。このためサファイア基板を薄く研磨して熱伝導度を上げる例が試みられているが、硬質のサファイア基板を薄く研磨するためＦＥＴチップが高コストとなる。
【００２５】
本発明では、熱伝導度の高い素子基板として窒化ガリウム（熱伝導度 １．３Ｗ／ｃｍＫ）、炭化珪素（熱伝導度 ４．９Ｗ／ｃｍＫ）、シリコン（熱伝導度１．５Ｗ／ｃｍＫ）などが挙げられ、この中でも特に炭化珪素が好ましい。ワイドギャップ半導体、特にＧａＮ系材料においては、低いオンチップ抵抗から発熱量はＳｉ系に比べると約１／２以下と小さく予測されたため、素子基板材料としてＳｉ半導体（熱伝導度 １．５Ｗ／ｃｍＫ）の約２／３となる１．０Ｗ／ｃｍＫ以上の性能が必要と算出した。
【００２６】
［ワイドギャップ半導体素子］
本発明の半導体素子を構成する材料としては、窒化ガリウム、炭化ケイ素、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウムなど多くの材料が考えられる。これらの材料を用いた半導体は、通常「ワイドギャップ半導体」と呼ばれる（例えば電気学会技術報告第６２６号に詳細あり）。このようなワイドギャップ半導体なら、いずれも可能であるが、好ましくはバンドギャップが２ｅＶ以上、さらに好ましくは３ｅＶ以上が望ましい。
【００２７】
３ｅＶ以上のものとしては、窒化ガリウムが好ましく、本発明においても窒化ガリウムを用いたとき、最も高い効果を得ることが出来た。窒化ガリウムは、飽和ドリフト速度と絶縁破壊電圧から決まるジョンソン指数が７２９．０（シリコンを１とした場合）と極めて大きく、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの電子デバイス用途に好適な材料とみなされている（例えば、赤崎勇偏著『ＩＩＩ族窒化物半導体』培風館（１９９９年）第２８６頁に詳しい）。本発明においても、ワイドギャップ半導体材料として窒化ガリウムを用いることが好ましい。
【００２８】
（実施の形態１）
図１に、本発明によって構成される太陽電池用直流交流変換装置を、要素回路ブロック図として示した。実際には、制御回路、警報回路等の周辺回路も含まれるが、表記上省略した。
【００２９】
本実施の形態においては、保護回路部（Ａ）、コンバーター部（Ｂ）、インバーター部（Ｃ）のうち、コンバーター部（Ｂ）のチョッパ部のスイッチング素子として、窒化ガリウムからなるＦＥＴを使用した。当該ＦＥＴの特性は、耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．１Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから、０．０２５Ω／ｃｍ２）である。本実施の形態におけるＦＥＴはＳｉＣ基板上に形成したＧａＮ系ＦＥＴである。
【００３０】
また、放熱板はアルミ製とし、その放熱面積は１００ｃｍ２のものを使用した。
【００３１】
実験の結果、図１の直流交流変換効率は、９７．０％であった。後述の比較例１の結果と比較すると、効率は３ポイント向上しており、約２〜４ポイントと考えられるトランジスタの損失が大幅に改善された。
【００３２】
また、基板材料にＳｉＣを使用し、その上にＧａＮを形成してＧａＮ系ＦＥＴを製作した結果、ウエハ内の特性のバラツキがあり、良好な特性結果としてオンチップ抵抗が、０．００１Ω／ｃｍ２の値が得られた。
【００３３】
コンバーター部（Ｂ）に使用するトランジスタのオンチップ抵抗は、Ｓｉ系の抵抗よりも低い０．０５Ω／ｃｍ２以下から０．００１のΩ／ｃｍ２範囲が好ましい。
【００３４】
（比較例１）
従来技術の比較を行う目的で、実施の形態１と同様の回路を用い、図２に示すようなコンバーター部（Ｂ）にワイドギャップ半導体を用いなかった場合、すなわち全ての素子をＳｉ半導体とした場合の比較実験を行った。
【００３５】
Ｓｉ系ＦＥＴとして高性能タイプと呼ばれる、耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．２Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから ０．０５Ω／ｃｍ２）、放熱面積２００ｃｍ２のアルミ板を使用した。
【００３６】
実験の結果、その直流交流変換効率は９４．０％であった。
【００３７】
（実施の形態２）
図３に、ワイドギャップ半導体であるＦＥＴを複数個使用した場合の本発明による太陽電池用直流交流変換装置を示す。
【００３８】
本実施の形態においては、保護回路部（Ａ）、コンバーター部（Ｂ）、インバーター部（Ｃ）のうち、コンバーター部（Ｂ）のチョッパ部のスイッチング素子に複数の窒化ガリウムからなるＦＥＴを使用した。当該ＦＥＴの特性は、耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．１Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから、０．０２５Ω／ｃｍ２）であり、本実施の形態におけるＦＥＴはＳｉＣ基板上に形成したＧａＮ系ＦＥＴである。
【００３９】
このような素子を３個並列に使用している。また放熱板はアルミ製とし、その放熱面積は３００ｃｍ２のものを使用した。
【００４０】
その結果、直流交流変換効率は、９７．０％であった。
【００４１】
後述の比較例２の結果と比較すると、効率は２．５ポイント向上しており、トランジスタの損失が大幅に改善された。
【００４２】
（比較例２）
実施の形態２との比較を行う目的で、実施の形態２と同様の回路を用い、図４に示すようなコンバーター部（Ｂ）にＳｉ半導体２個と窒化ガリウム半導体１個を並列に使用した場合の実験を行った。
【００４３】
Ｓｉ系ＦＥＴとして、耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．２Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから ０．０５Ω／ｃｍ２）を使用し、ＧａＮ系ＦＥＴとして耐圧６００Ｖ、チップオン抵抗０．１Ω（ＦＥＴの大きさが５ｍｍ×５ｍｍであるから、０．０２５Ω／ｃｍ２）の素子を用いた。
【００４４】
放熱板は、放熱面積６００ｃｍ２のアルミ板を用いた。
【００４５】
この結果、直流交流変換効率は９４．５％であった。
【００４６】
Ｓｉ半導体とワイドギャップ半導体の組み合わせは、変換効率の向上につながるものの、実施の形態２に比べると、その効果は小さいことがわかる。
【００４７】
また、複数のＳｉ半導体を並列接続し、オンチップの低減が考えられるが、実際には放熱板面積が素子の個数とともに増大し、コストも増大する。
【００４８】
なお、以上の実施の形態および比較例をまとめて表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明はこれら実施の形態によって限定されるものではない。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の太陽光発電用直流交流変換装置は、保護回路部、昇圧を行うコンバーター部、直流交流変換を行うインバーター部、および保護回路部からインバータ部までの各々を搭載するために用いられる素子基板からなり、少なくとも当該コンバーター部が、ワイドギャップ半導体素子によって構成されてなるものであるから、次のような効果を奏する。
１．コンバーター部の効率を大幅に改善することが可能となり、インバータ全体の変換効率に大きく寄与する。
２．放熱板面積の縮小が図れ、直流交流変換装置全体の大きさが小型化できる。
３．放熱板面積の縮小により、コストダウンが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるコンバーター部（Ｂ）にＧａＮ−ＦＥＴを使用したインバーターシステムの要素回路ブロック図
【図２】従来の技術であるＳｉ半導体を用いた比較例１のインバーターシステムの要素回路ブロック図
【図３】本発明の実施の形態２におけるインバーター部（Ｂ）にＧａＮ−ＦＥＴを３個並列使用したインバーターシステムの要素回路ブロック図
【図４】従来の技術であるＳｉ半導体とＧａＮ−ＦＥＴを複数組み合わせて構成した比較例２のインバーターシステムの要素回路ブロック図
【符号の説明】
Ａ 保護回路部
Ｂ コンバーター部
Ｃ インバーター部
Ｓ 太陽電池
Ｔｇ ワイドギャップ半導体素子ＧａＮ−ＦＥＴ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an AC converter for DC output of a solar cell, and more particularly to a grid-connected inverter used in a photovoltaic power generation system connected to a commercial power system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, due to global warming and radioactive contamination caused by a nuclear accident, interest in the environment and energy has been rapidly increasing. Under these circumstances, solar cells are expected to develop in the future as a renewable and inexhaustible clean energy source.
[0003]
The energy conversion efficiency of a solar cell is converted to electrical energy with a conversion efficiency of several to several tens of percent of the energy of incident light. The converted electric energy is boosted by a DC / AC converter and converted into a DC / AC to be used as commercial power. Here, the energy conversion efficiency of the inverter itself is about 93% for the general-purpose type and about 95% for the high-performance type (according to the catalogs of Nippon Battery inverters and OMRON inverters). In addition, the current situation is that the energy efficiency of the DC / AC converter as a whole, in which the system becomes complicated from the viewpoint of safety and reliability, is far from high, and in order to improve the energy conversion efficiency of the entire system, Various proposals have been made.
[0004]
One of the proposals is a method of opening a switch at a time when the solar cell does not generate power and cutting off power flowing into the power generation system, thereby eliminating power consumption during a non-operation time of the system and improving efficiency (for example, Patent Document 1).
[0005]
Another proposal is a method of improving efficiency by using a switching circuit in which two types of transistors having different characteristics are connected in parallel (for example, see Patent Document 2). In this system, a semiconductor switching element is connected in parallel with a resistive semiconductor switching element having a higher switching speed and a voltage drop having resistance to the current, and the output current of the half cycle of the AC output current is peaked. In a cycle higher than a predetermined ratio with respect to the current, the resistive semiconductor switching element is turned on before the semiconductor switching element, and after a switching control signal applied to the semiconductor switching element is stopped, the switching is stopped after a predetermined period. When the output current in the half cycle is lower than the predetermined ratio with respect to the peak current, the operation of the semiconductor switching element is stopped, and the output is generated by the switching operation of only the resistive semiconductor switching element.
[0006]
Still another proposal is a method of improving the withstand voltage and the operating resistance by arranging a plurality of PN junctions constituting a super junction inside the device (for example, see Patent Document 3). In this system, a plurality of PN junctions are vertically arranged inside the MOS-FET so that a depletion layer extending vertically from the source also extends in the horizontal direction. -To improve the breakdown voltage and the operating resistance of the FET.
[0007]
On the other hand, while these DC-AC converters have been constructed using silicon-based semiconductor devices, wide conversion efficiency, high withstand voltage, and high heat resistance have led to wide-ranging advantages. The application of a semiconductor element made of a compound semiconductor such as silicon carbide or gallium nitride, which is a gap semiconductor, to a DC / AC converter has attracted attention throughout the field of power generation systems.
[0008]
For example, while the switching efficiency of a semiconductor element for a DC / AC converter is reduced to increase the conversion efficiency, the silicon-based semiconductor element has a problem in that the device withstand voltage decreases as the device processing dimensions required to reduce the switching loss decrease. Therefore, a non-silicon-based semiconductor element made of silicon carbide or gallium nitride is used in combination with a silicon-based semiconductor element to improve the device breakdown voltage (for example, see Patent Document 4).
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-06-197455 (pages 1-4)
[Patent Document 2]
JP 2001-025259 A (pages 1 to 10)
[Patent Document 3]
JP 2001-144292 A (pages 1-7)
[Patent Document 4]
WO 00/72433 (pages 1-3)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, these disclosed technologies have the following various problems.
[0011]
That is, in the system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-197455 of Patent Document 1, it is necessary to add a time measurement circuit and a switch control circuit to a normal system. As a result, since the power consumption of the time measurement circuit, the switch control circuit, and the like is added, it is difficult to greatly improve the efficiency.
[0012]
Further, in the system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-25259 of Patent Document 2, it is necessary to add a resistive semiconductor switching element control circuit to a normal system. As a result, the power consumptions of the control circuit and the resistive semiconductor switching element driving circuit are added, so that it is difficult to greatly improve the efficiency.
[0013]
Further, in the FET disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-144292 of Patent Document 3, it is necessary to accurately arrange a plurality of PN junctions constituting a super junction at a drain portion of a normal MOS-FET. As a result, the manufacturing process of the FET is complicated, and the cost of the switching element is greatly increased. As a result, there is no great advantage over the conventional method of connecting a large number of MOS-FETs of the conventional structure in parallel.
[0014]
Furthermore, in order to prevent the electric load on each semiconductor element used in the disclosure of WO 00/72433 of Patent Document 4 from being biased, the silicon-based semiconductor element and the non-silicon-based semiconductor element must be turned on. The chip resistance must be configured to be equal, and although the device withstand voltage is improved, the on-chip resistance, and eventually, the reduction of the conduction loss and the improvement of the DC-AC conversion efficiency remain limited. In addition, the heat generated by the power loss causes the reliability of the silicon-based semiconductor element to deteriorate, and in the worst case, it causes destruction. For this reason, in order to maintain the ambient temperature at 50 ° C. or lower so that the silicon-based semiconductor device can operate stably, a radiator plate area of about 200 cm 2 or more is required for each silicon semiconductor device. As long as a silicon-based semiconductor element is used, a heat sink having the same area is required for both the silicon-based semiconductor element and the non-silicon-based semiconductor element in order to suppress the temperature rise due to heat generation due to the same power loss. There is a problem in application to photovoltaic power generation, which has a high need for
[0015]
Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a small DC / AC converter for a solar cell having high DC / AC conversion efficiency. It is in.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, paying attention to the configuration of a DC / AC converter for a solar cell, and using a wide gap semiconductor element in at least the converter section, the DC / AC conversion efficiency is high. And a small DC-AC converter for solar cells can be realized.
[0017]
That is, the DC converter for a solar cell of the present invention includes a protection circuit unit, a converter unit for boosting, an inverter unit for DC / AC conversion, and an element substrate used for mounting each of the protection circuit unit to the inverter unit. And at least the converter section is formed of a wide gap semiconductor element.
[0018]
The characteristics of the wide-gap semiconductor element can be changed according to the purpose. In particular, it is preferable that the value of the on-chip resistance is 0.001 to 0.05 Ω / cm 2 . The band gap of the wide gap semiconductor device is preferably 2 eV or more, and the material of the device is preferably a GaN-based material.
[0019]
Furthermore, the thermal conductivity of the element substrate is desirably 1.0 W / cmK or more.
[0020]
With such a configuration, a small DC / AC converter for a solar cell having high DC / AC conversion efficiency can be realized.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, each point of the [DC / AC converter], [element substrate], and [wide gap semiconductor element] in the present invention will be introduced.
[0022]
[DC / AC converter]
As shown in FIG. 1, the DC / AC converter for a solar cell according to the present invention includes a protection circuit section (A), a converter section (B), and an inverter section (C). The wide-gap semiconductor element can be used in any of these parts. In particular, since the converter section (B) instantaneously flows a large current at the time of boosting, it can be used for the inverter section (C) and the protection circuit section (A). The conduction loss of the transistor is more likely to be larger than that.
[0023]
Therefore, the effect of the present invention can be obtained when a wide gap semiconductor element is used at least for the converter section (B).
[0024]
[Element substrate]
As a device substrate of a wide gap semiconductor, sapphire, silicon, gallium nitride, silicon carbide, and the like can be given. In the present invention, any material can be used. However, when sapphire is used as an element substrate and gallium nitride is formed, the thermal conductivity of the entire substrate is 0.3 W / cmK, which is 1/5 or less of the conventional Si semiconductor (thermal conductivity 1.5 W / cmK). And the heat dissipation is considered to be low. For this reason, attempts have been made to increase the thermal conductivity by polishing the sapphire substrate thinly. However, since the hard sapphire substrate is polished thinly, the cost of the FET chip becomes high.
[0025]
In the present invention, gallium nitride (thermal conductivity: 1.3 W / cmK), silicon carbide (thermal conductivity: 4.9 W / cmK), silicon (thermal conductivity: 1.5 W / cmK), etc. are used as device substrates having high thermal conductivity. And among them, silicon carbide is particularly preferable. In a wide-gap semiconductor, particularly a GaN-based material, the calorific value was predicted to be about 1/2 or less than that of a Si-based material due to a low on-chip resistance. Therefore, a Si semiconductor (a thermal conductivity of 1.5 W / cmK) was used as an element substrate material. ) Was calculated to be required to have a performance of 1.0 W / cmK or more, which is about 2/3.
[0026]
[Wide gap semiconductor device]
Many materials such as gallium nitride, silicon carbide, zinc selenide, zinc sulfide, zinc oxide, and aluminum nitride are conceivable as materials constituting the semiconductor device of the present invention. Semiconductors using these materials are usually referred to as “wide gap semiconductors” (for example, see IEEJ Technical Report No. 626 for details). Any such wide gap semiconductor is possible, but preferably has a band gap of 2 eV or more, more preferably 3 eV or more.
[0027]
Gallium nitride is preferable as a material having a voltage of 3 eV or more, and the highest effect can be obtained when gallium nitride is used also in the present invention. Gallium nitride has an extremely large Johnson index determined by the saturation drift velocity and the breakdown voltage of 729.0 (assuming that silicon is 1), and is regarded as a material suitable for electronic device applications such as FETs (field effect transistors). (For example, see Yuuki Akasaki, “Group III Nitride Semiconductor,” Baifukan (1999), page 286). Also in the present invention, it is preferable to use gallium nitride as the wide gap semiconductor material.
[0028]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a DC / AC converter for a solar cell according to the present invention as an elemental circuit block diagram. Actually, peripheral circuits such as a control circuit and an alarm circuit are also included, but are omitted from the notation.
[0029]
In the present embodiment, of the protection circuit section (A), the converter section (B), and the inverter section (C), an FET made of gallium nitride is used as a switching element of the chopper section of the converter section (B). The characteristics of the FET are a withstand voltage of 600 V and a chip-on resistance of 0.1 Ω (0.025 Ω / cm 2 because the size of the FET is 5 mm × 5 mm). The FET in the present embodiment is a GaN-based FET formed on a SiC substrate.
[0030]
The heat radiation plate was made of aluminum and had a heat radiation area of 100 cm 2 .
[0031]
As a result of the experiment, the DC / AC conversion efficiency in FIG. 1 was 97.0%. Compared with the result of Comparative Example 1 described later, the efficiency was improved by 3 points, and the loss of the transistor, which is considered to be about 2 to 4 points, was greatly improved.
[0032]
Further, as a result of fabricating a GaN-based FET by forming GaN thereon using SiC as a substrate material, there are variations in characteristics within the wafer, and as a good characteristic result, the on-chip resistance is 0.001 Ω / cm. A value of 2 was obtained.
[0033]
On-chip resistance of the transistor to be used for the converter section (B) is lower 0.05? / Cm 2 0.001 of Omega / cm 2 range of less than the resistance of the Si systems are preferred.
[0034]
(Comparative Example 1)
For comparison with the prior art, a circuit similar to that of the first embodiment was used, and a wide-gap semiconductor was not used in the converter section (B) as shown in FIG. 2, that is, all elements were Si semiconductors. A comparative experiment of the cases was performed.
[0035]
Called high-performance type as Si-based FET, the breakdown voltage 600V, the chip on resistance 0.2Ω (0.05Ω / cm 2 because the size of the FET is 5 mm × 5 mm), it was used an aluminum plate of radiating area 200 cm 2.
[0036]
As a result of the experiment, the DC / AC conversion efficiency was 94.0%.
[0037]
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a DC / AC converter for a solar cell according to the present invention when a plurality of wide gap semiconductor FETs are used.
[0038]
In the present embodiment, among the protection circuit section (A), the converter section (B), and the inverter section (C), FETs made of a plurality of gallium nitrides are used for the switching elements of the chopper section of the converter section (B). . The FET has a withstand voltage of 600 V and a chip-on resistance of 0.1 Ω (0.025 Ω / cm 2 because the size of the FET is 5 mm × 5 mm). The FET in this embodiment is formed on a SiC substrate. GaN-based FET.
[0039]
Three such elements are used in parallel. The heat radiating plate was made of aluminum and had a heat radiating area of 300 cm 2 .
[0040]
As a result, the DC / AC conversion efficiency was 97.0%.
[0041]
Compared with the result of Comparative Example 2 described later, the efficiency was improved by 2.5 points, and the transistor loss was significantly improved.
[0042]
(Comparative Example 2)
For the purpose of comparison with the second embodiment, the same circuit as that of the second embodiment was used, and two Si semiconductors and one gallium nitride semiconductor were used in parallel in a converter section (B) as shown in FIG. An experiment was performed.
[0043]
A withstand voltage of 600 V and a chip-on resistance of 0.2 Ω (0.05 Ω / cm 2 because the size of the FET is 5 mm × 5 mm) are used as the Si-based FET, and a withstand voltage of 600 V and a chip-on resistance of 0.1 Ω are used as the GaN-based FET. (Since the size of the FET is 5 mm × 5 mm, 0.025 Ω / cm 2 ) was used.
[0044]
As the heat radiating plate, an aluminum plate having a heat radiating area of 600 cm 2 was used.
[0045]
As a result, the DC / AC conversion efficiency was 94.5%.
[0046]
Although the combination of the Si semiconductor and the wide gap semiconductor leads to an improvement in the conversion efficiency, it can be seen that the effect is smaller than in the second embodiment.
[0047]
Further, a plurality of Si semiconductors may be connected in parallel to reduce the number of on-chip devices. However, in practice, the area of the heat radiating plate increases with the number of elements, and the cost also increases.
[0048]
Table 1 summarizes the above embodiments and comparative examples.
[0049]
[Table 1]
[0050]
As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail, but the present invention is not limited to these embodiments.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, the DC-AC converter for photovoltaic power generation of the present invention includes a protection circuit unit, a converter unit for boosting, an inverter unit for DC-AC conversion, and each of the protection circuit unit to the inverter unit. And at least the converter section is formed of a wide-gap semiconductor element, the following effects are obtained.
1. It is possible to greatly improve the efficiency of the converter section, which greatly contributes to the conversion efficiency of the entire inverter.
2. The heat radiation plate area can be reduced, and the size of the entire DC / AC converter can be reduced.
3. Cost reduction can be achieved by reducing the heat sink area.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an element circuit block diagram of an inverter system using a GaN-FET for a converter section (B) according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an inverter of a comparative example 1 using a conventional Si semiconductor. FIG. 3 is a diagram showing an element circuit block diagram of an inverter system in which three GaN-FETs are used in parallel in the inverter section (B) according to the second embodiment of the present invention. Element circuit block diagram of the inverter system of Comparative Example 2 configured by combining a plurality of semiconductors and GaN-FETs
A protection circuit section B converter section C inverter section S solar cell Tg wide gap semiconductor element GaN-FET
