(LLNL-patented power grid technology could reduce global CO2 emissions by 10 percent or more)
2021-06-01 ｱﾒﾘｶ合衆国・ﾛｰﾚﾝｽﾘﾊﾞﾓｱ国立研究所(LLNL)
・ LLNL が、スマートグリッドの送電効率を向上させる光導電スイッチを開発。
・ 高電圧直流送電に加え、現行の半導体デバイスの最大 10 倍の速度での高電圧切り替えや、極めて低いエネルギー損失を実現する、光制御による電力のバルク伝導を初めて実証。スマートグリッドへの導入によりエネルギー使用量に対する CO2 排出量の大幅な削減が可能となり、世界の年間 CO2 排出量の 10%超の削減につながる。
・ 同技術は LLNL が特許を取得し、商業化に向けてカリフォルニア州の企業の Opcondys Inc.にライセンス供与されている。同社では、米国エネルギー高等研究計画局(ARPA-E)の CIRCUITS(Creating Innovative and Reliable Circuits Using Inventive Topologies and Semiconductors)プログラムの資金提供を受けて同デバイスの試験を実施中。2021 年内の製造と生産を予定。
・ 新光導電スイッチは、標準的なシリコン(Si)に比べ、最低でも一桁高い電界強度を有する炭化ケイ素(SiC)の単一結晶デバイス。Opcondys Inc.が実施したプロトタイプのベンチマークテストでは、20kV で125kHz 超のスイッチング速度を実証。現行のトランジスタベースデバイスの約 6～10 倍の速度の性能レベルを提示した。
・ このような性能の向上が、熱放散による電力の損失の低減に寄与。標準的な 6.6kV のバイポーラトランジスタでは 10kHz 付近で出力電力の 90%を損失するが、新スイッチでは 125kHz で 5%を下回る。新興の 15kVSiC-MOSFET では、25kHz で 75%を損失する。
・ 最先端の特性評価方法による様々な励起条件下でのキャリアの寿命の調査を通じ、新デバイスのスイッチングメカニズムを解明。SiC にドープした遷移金属バナジウムのキャリア捕獲断面積が、電力損失に影響を与えるキャリア寿命を決定することを発見し、バナジウムの適正量を特定して課題に対処した。
・ レーザーによる光速スイッチイングのため、高電圧電力変換のスイッチング損失が低減し、大電力レベルの切り替えと変換が不可欠なグリッド規模のアプリケーションに最適となる。スケールダウンしたデバイスでは、将来的にトランジスタやハイパワースイッチモジュールを代替する可能性も考えられる。
・ LLNL では、SiC デバイスのさらなる効率化や、信頼性を維持した性能の向上を目指した多様なアプリケーションに向けたシステムの構築に取り組んでいる。また、次世代材料やダイヤモンド等の超ワイドバンドギャップ半導体にも着目する。
URL: https://www.llnl.gov/news/llnl-patented-power-grid-technology-could-reduce-global-co2-emissions-10-percent-or-more
＜NEDO海外技術情報より＞
（関連情報)
Scientific Reports 掲載論文（フルテキスト）
Characterization of carrier behavior in photonically excited 6H silicon carbide exhibiting fast, high
voltage, bulk transconductance properties
URL: https://www.nature.com/articles/s41598-021-85275-6
Abstract
Unabated, worldwide trends in CO2 production project growth to > 43-BMT per year over the next two decades. Efficient power electronics are crucial to fully realizing the CO2 mitigating benefits of a worldwide smart grid (~ 18% reduction for the United States alone). Even state-of-the-art SiC high voltage junction devices are inefficient because of slow transition times (~ 0.5-μs) and limited switching rates at high voltage (~ 20-kHz at ≥ 15-kV) resulting from the intrinsically limited charge carrier drift speed (< 2 × 107-cm-s−1). Slow transition times and limited switch rates waste energy through transition loss and hysteresis loss in external magnetic components. Bulk conduction devices, where carriers are generated and controlled nearly simultaneously throughout the device volume, minimize this loss. Such devices are possible using below bandgap excitation of semi-insulating (SI) SiC single crystals. We explored carrier dynamics with a 75-fs single wavelength pump/supercontinuum probe and a modified transient spectroscopy technique and also demonstrated a new class of efficient, high-speed, high-gain, bi-directional, optically-controlled transistor-like power device. At a performance level six times that of existing devices, for the first time we demonstrated prototype operation at multi-10s of kW and 20-kV, 125-kHz in a bulk conduction transistor-like device using direct photon-carrier excitation with below bandgap light.
