18kV SiC MOSFETを採用したインバータ｜用語集

18kV SiC MOSFETを採用したインバータは、現在パワーエレクトロニクスにおける世界最先端の技術領域であり、汎用製品としてカタログに載っている完成品はほぼ存在しません。

これらは主に、電力網（スマートグリッド）、高圧直流送電（MVDC）、または艦船の推進システムといった極めて特殊な用途向けに、研究機関（米国のPowerAmericaなど）や大手半導体メーカーの先行開発プロジェクトとして存在しています。

18kV SiC MOSFETを核としたシステムの現状と、設計上の主要なポイントをまとめます。

1. 18kV SiC MOSFETの主要ベンダーと開発状況

現在、この電圧クラスの素子を提供・開発できるメーカーは世界でも数社に限定されています。

Wolfspeed (Cree)
- 現状: 15kV〜20kVクラスのSiC MOSFETおよびダイオードの試作・研究開発で世界をリードしています。
- 製品形態: パワーモジュール単体、またはそれらを組み合わせたハーフブリッジ型のスタック（評価用）として提供されることが多いです。
GeneSiC Semiconductor (Navitas)
- 現状: 高耐圧・高温動作に強いSiC素子を展開しており、10kV〜22kVクラスのデバイス研究を行っています。

2. 18kVインバータがもたらす革新

18kV素子を使用することで、従来の「中圧インバータ」の設計思想が根本から変わります。

トランスレス構成: 従来のシステムでは低い電圧をトランスで昇圧していましたが、18kV素子なら電力網（6.6kV〜13.2kV等）に直接接続（トランスレス）が可能になり、システム全体の重量とサイズを1/10程度に削減できる可能性があります。
2レベルトポロジの採用: 1,200Vや3,300Vの素子を何段も直列につなぐ「マルチレベル構成」ではなく、シンプルな2レベル（または3レベル）構成で高圧を出力できるため、制御の複雑性が劇的に低下します。

3. 設計・実装における「極限」の課題

18kVをインバータとして動作させるには、部品単体ではなく「システム全体」で以下の極限設計が求められます。

絶縁破壊への対策:
- 18kVの電位差は空気を容易に絶縁破壊するため、シリコンオイルや特殊な樹脂による完全封止、あるいは真空技術を用いたパッケージングが必要です。
超高速スイッチングとdv/dt:
- SiCの特性上、立ち上がりが非常に速いため、数万V/μsという猛烈な電圧変化（dv/dt）が発生します。これにより、周辺回路へのノイズ干渉や、モータ巻線の絶縁劣化が加速されるリスクがあります。
光ファイバーによる信号伝送:
- ゲート駆動信号に電気配線を使うと、高電圧が制御回路へ逆流（絶縁破壊）する恐れがあるため、光ファイバーによる信号伝送と、受光側の電力供給のための「Power over Fiber」や高絶縁トランスが必須となります。

次のステップへのご提案

このクラスのインバータを検討される場合、以下のいずれかの方向性になるかと存じます。

評価用モジュールの調達: Wolfspeed等のメーカーに対して、研究・開発用として直接コンタクトし、ベアチップまたはハーフブリッジモジュールの供給を打診する。
周辺回路の設計: 18kV環境下でのスイッチング特性を評価するために、高耐圧差動プローブや光アイソレーション・システムの選定を優先する。

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