Development of Digital Active Gate Drive System for SiC MOSFETs toward Integration of Power Conversion Circuits
| Project/Area Number |
22KJ1702
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| Project/Area Number (Other) |
21J22448 (2021-2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
高山 創 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1) (30981063)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
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| Keywords | ディジタルアクティブゲートドライブ / 炭化ケイ素（SiC） / パワーMOSFET / 最適化 / パワーエレクトロニクス / デジタルアクティブゲートドライブ / 炭化ケイ素 (SiC) / 窒化ガリウム (GaN) |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、次世代パワー半導体として期待される炭化ケイ素 (SiC) パワー素子の活用のため，そのゲート駆動回路をフルデジタル化する技術を検討する．駆動回路の動作をソフトウェアによって最適化可能にすることで，同素子の課題である特性のばらつきや劣化，また動作条件の変動等に起因する回路動作の不良を回路実装後に低減できる．ノウハウに頼らずにパワー素子の性能を引き出す技術により，集積化した電力変換回路における複雑な回路動作をより柔軟に実現することが期待される．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，次世代パワー半導体として期待されている炭化ケイ素 (SiC) パワーMOSFETの活用のため，ゲートドライブ回路をフルデジタル化する技術を検討している．回路実装後においても，動作条件やデバイス特性の差異を考慮してその駆動をソフトウェアにより変更することができるため，駆動する素子や動作条件に応じた駆動回路のハードウェア設計が不要となり，より柔軟な電力変換回路動作の実現につながる．そのようなコンセプトの実現に向け，デジタル・アナログ変換回路の回路構造を応用したデジタルアクティブゲートドライバ （DAGD）を提案し，その有効性を検証している．
今年度の取り組みとして，前年度から検討を進めていた遺伝的アルゴリズムによるDAGDの動作の最適化手法を，シミュレーションと実験の双方で適用可能なデジタルツイン構造を持つシステムとして実証した．シミュレーションによってあらかじめ予測された駆動パラメータの最適解と，実験において得られた最適解が良く一致することを確認した．さらに，複数の素子および複数の動作条件下で同最適化システムを適用し，その汎用性を確認した．これらの成果によって，SiCパワー素子の性能を引き出すための駆動回路の最適化というヒューリスティクスな課題に対して，ソフトウェアによる対応が可能であることを実証した．回路パラメータの微調整のようなアナログ的手法からソフトウェアの変更というデジタルな手法への転換により，回路設計者のノウハウに頼らない電力変換回路の性能向上が可能となる．この結果は，動作条件の変更や素子の特性の劣化等に追従して最適動作を行うようなソフトウェアの開発など，次年度の検討の土台となるものである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、現在までのところ，概ね予定通りの進捗となっている。本年度の研究における目的として挙げていた、遺伝的アルゴリズムをベースにした駆動アルゴリズムの開発および実証を進め，数値計算と実験の双方とのインターフェースとなるデジタルツイン構造の駆動回路最適化という画期的なシステムを構築した．素子の特性や動作条件の差異に関わらず最適な駆動解を導けることを確認し，適用先に応じた駆動回路の微調整をすべてソフトウェアにより行うというコンセプトの実現により大きく近づいた．
本システムは回路設計の初期段階における最適化を対象としているが，その構造を応用することで，回路動作中の特性変化等に追従して駆動を調整するような，より実用に際したアルゴリズムの開発も可能となる．そのような将来的な展開につながる土台を確立したという観点からも，当該年度の成果を評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの検討では，単一の素子を主な対象としてその駆動を最適化することに注力してきた．SiCパワー素子の回路応用では，素子を複数直並列に接続して使用する際に，素子の特性や回路レイアウトの差異に起因するスイッチング動作の不均衡が課題となっている．本研究で提唱するDAGDによる駆動システムを応用し，素子毎にスイッチング特性を微調整することで，個々の素子が分担する電流や電圧をバランス化する技術を開発する．組み合わせ最適化の手法を適用することで，素子の特性や回路レイアウトの差異が未知の場合においても，回路動作を損なわないような駆動を実現することが期待される．また，素子の特性や回路動作の変化に追従して駆動パラメータを変更するようなアルゴリズムの開発も引き続き進める．これらの技術を最終的に統合し，実際の電力変換回路の動作へと適用してその実用性を示す．
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Report
(2 results)
Research Products
(16 results)
