I. MPPT技術の概要

最大電力点追従制御（MPPT）は、太陽光発電システムの中核技術である。太陽電池の出力特性は非線形であり、光量や温度によって動作点が変化するため、MPPTコントローラーは、太陽電池アレイの動作電圧をリアルタイムで調整し、常に最大電力点で動作するようにすることで、発電効率を最大化する。

統計によると、MPPT技術を使用することで、直接接続よりも20%~30%の発電量を増加させることができ、経済的にも大きなメリットがあります。MPPTアルゴリズムの正確な実行は、正確な電圧と電流の検出に依存しています。

PV電流検出の技術的要件

2.1 電流レンジ

インバータの種類と定格電力によります：

• ストリングインバータ：シングルMPPT電流10〜20A
• 集中型インバータ：バス電流は最大数百アンペア
• マイクロインバータ：通常、低電流<15A

2.2 精度の要件

MPPT電流検出精度はトラッキング効率に直接影響する：

• 高精度検出により、より正確な電力計算が可能に
• 推奨精度≤1%、ハイエンド製品は≤0.5%が必要
• 大電流でも小電流でも精度を保証するため、全レンジで小さな直線誤差。

2.3 動的応答

光の変化（例えば雲）は、検出回路が必要とする電流の急激な変化につながる可能性がある：

• 帯域幅 > 10kHz
• 時流変化への迅速な対応
• 高い干渉防止能力

2.4 広い温度範囲

PVインバーターは通常、動作温度範囲の広い屋外に設置される：

• 周囲温度：-25℃～+60
• シャーシの内側が高くなっている可能性がある
• 電流センサーには優れた温度安定性が必要

III.シャント・プログラムの利点

3.1 高精度

シャントは、0.5%またはそれ以上の精度を提供し、高効率MPPTのニーズを満たすことができる。ホールセンサーと比較して精度の優位性は明らかです。

3.2 優れた直線性

シャントのV-I特性は完全に直線的で、大電流でも小電流でも一貫した誤差を持つ。これは、光の変化の範囲が広いアプリケーションにとって重要です。

3.3 ゼロ・ドリフトなし

ホールセンサーは温度ゼロドリフトに悩まされ、PVアプリケーションの広い温度範囲で大きな影響を及ぼす。シャントにはこの問題はありません。

3.4 高い信頼性

シャントは純粋な受動素子であり、電源は不要で、電子機器の老朽化もない。PVシステムの設計寿命は25年であり、信頼性は非常に重要です。

3.5 コスト優位性

ストリングス・インバーターには通常複数のMPPTがあり、それぞれが電流検出を必要とする。シャントのコスト優位性は、複数の検出でさらに明らかになる。

第四に、シャント選択ガイド

4.1 現在の仕様

MPPTの最大入力電流に応じて選択し、20%のマージンを確保する：

• 10A MPPT → オプションで15Aシャント
• 15A MPPT → オプションで20Aシャント
• 20A MPPT → オプションで25Aまたは30Aシャント

4.2 抵抗の選択

精度と消費電力のバランス：

• 低抵抗値（例えば1mΩ）：消費電力は小さいが、信号が弱く、オペアンプへの要求が高い。
• 中抵抗（例：5mΩ）：中程度の信号、許容可能な消費電力
• 高抵抗（例えば10mΩ）：信号は強いが、消費電力は20Aで4W

ストリング・インバータは一般的に5～10mΩのシャントで使用される。

4.3 温度係数

太陽光発電用途の広い温度範囲、TCR≦50ppm/℃を推奨、≦30ppm/℃が好ましい。

4.4 カプセル化の形態

• チップベース低電流、PCB直接はんだ付けに適しています。
• プラグイン中電流に適し、放熱が容易。
• ボルトパターン大電流に適し、別途設置が必要

V. 回路設計のポイント

5.1 信号コンディショニング

• 高精度オペアンプまたは電流センスアンプの使用
• ゲイン設定はADC入力レンジに一致
• ローパスフィルターを追加してスイッチングノイズを抑える

5.2 同相電圧処理

最大1000V以上の出力電圧を持つ太陽光発電アレイが必要である：

• 高いコモンモード除去比を持つ差動増幅
• または分離プログラムを使用する

5.3 PCBレイアウト

• 大電流整列のための適切な幅
• 電圧検出線が細く、電力線から離れている
• 四端子接続方式

5.4 熱設計

シャントの消費電力は大きくないが、密閉筐体ではやはり放熱を考慮する必要がある：

• PCB銅箔の放熱
• ラジエーターとの良好な接触
• 他の部品に影響を与えるホットスポットを避ける

MPPTアルゴリズムと電流検出

6.1 摂動観測（P&O）

最も一般的に使用されているMPPTアルゴリズムは、動作点に小さな変更を加え、電力の変化を比較することで調整方向を決定する。電流検出精度に対する要求は中程度。

6.2 インクリメンタル導電率法(INC)

dI/dV = -I/Vの関係に基づいて最大電力点を決定するには、より高い電流と電圧の検出精度が必要である。

6.3 インテリジェント・アルゴリズム

ファジー制御やニューラルネットワークのようなインテリジェントなアルゴリズムが徐々に適用されつつあるが、これらは電流検出の精度と動的応答に対する要求が高い。

応用事例

7.1 ストリングインバータのブランド

60kWストリングインバータ、4ウェイMPPT、各15A：

• シャント：5mΩ/20A、精度0.5%
• 信号調整：専用電流検出チップ
• ADC：16ビットSAR型、サンプリングレート100kHz
• 測定されたMPPT効率：>99.5%

7.2 特定のブランドのマイクロインバータ

シングルMPPT付き300Wマイクロインバータ：

• シャント：10mΩ/15A、SMDパッケージ
• ホスト・コントローラーに統合されたADC検出
• コスト最適化されたパフォーマンスで需要を満たす

市場動向

8.1 高出力モジュール

PVモジュールの出力が増加するにつれて（600W以上）、MPPT入力電流は増加し、シャント仕様への要求が高くなる。

8.2 複数のMPPT

複雑な屋根や部分的な日陰のシナリオに対応するために、ストリングインバータのMPPT経路の数が増え、シャントの使用量が増加する。

8.3 インテリジェンス

インバータはクラウドプラットフォームと相互接続され、発電データをリアルタイムで監視するため、電流検出精度と長期安定性への要求が高まる。

まとめ

高精度、高信頼性、コストメリットを備えたシャントは、PVインバータにおけるMPPT電流検出の主流ソリューションとなっている。電流仕様、精度要件、温度範囲などの要素を選択時に総合的に考慮する必要があり、回路設計では信号調整、コモンモード処理、放熱などの細部に注意を払う必要があります。太陽光発電産業の継続的な発展に伴い、効率的な発電においてシャントはますます重要な役割を果たすだろう。