2015 Fiscal Year Research-status Report
双方向スイッチを用いた単相13レベルインバータによる超高効率パワコンの開発
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15K05935
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
飴井 賢治 富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 講師 (50262499)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 低歪み / 高効率 / 最適スイッチング位相 / 高耐圧、低オン抵抗素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度は、電力系統への連系に向け、出力電圧の波形歪みの低減と耐圧アップについて検討した。まず、波形歪みの低減に関しては、16個のスイッチング素子の制御方法について見直しを行った。従来は、各電圧レベルの半分の電位でスイッチを切り替えていたが、予め様々な電圧波形を生成しFFT解析を行い、その中から最適なスイッチング位相を導出する方法を検討し、実験検証した。
Matlabでプログラムを作成し、無限に存在する13段の階段状の波形を描いてFFT解析を行い、各段のスイッチング位相を徐々に変えながらこの操作を繰り返して最適位相を導出した。その位相を制御用マイコン（H8-3052F）に入力し、実験検証した。その結果、従来の電圧歪みが3.8%であったのに対し、スイッチング位相の最適化により3.1%になり、0.7%の低減効果が確認された。また、波形歪みの低減に伴い効率が97.1%から97.7%まで改善された。それに加えて、デッドタイムの大きさについて検討した。従来は、スイッチの切換の度に16μsのデッドタイムを挿入していた。シミュレーションでデッドタイムの増減による影響を調べたところ、デッドタイムの大きさは波形歪みに影響しないことが確認され、安価な制御用マイコンで十分に制御可能であることが確認された。
次に回路の耐圧アップに関しては、使用する素子の特性に依存するため高耐圧でオン抵抗の小さなMOS-FETを調査した。その結果、以下の2つの素子が抽出された。1つはSiCのMOS-FETで、もう1つはSiのMOS-FETである。まずSiCは、SCH2080KE(Rohm製、VDSS=1200V、ID=35A、RDS=80mΩ、VSD=1.3V）である。またSiは、TK100L60W(東芝製、VDSS=600V、ID=100A、RDS=15mΩ、VSD=1.7V）である。現在、後者のSiのMOS-FETについて動作特性を検証している。これらの素子に移行することにより、効率のさらなる改善が期待される。
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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
当初、予定していた回路の耐圧アップに関しては、これまでの調査ではオン抵抗の少ない素子を探すと低耐圧に絞られており、高耐圧と低オン抵抗の両立が困難であった。しかし、昨今のSiCやスーパージャンクション構造による高耐圧・低オン抵抗のMOS-FETが開発され、それらを用いることで系統連系に耐えうる回路が実現可能であると思われる。また、最適スイッチング位相に関しては、予め解析して導出することで波形歪みが改善できることが確認されたこと、またデッドタイムの出力電圧波形への影響が少ないことなど、出力電圧を自由に制御するための検討が確実な成果として数値的にも表れている。
これらのことから、当初の予定に沿った進捗であると判断する。1点だけ懸念される点を挙げるとしたら、高耐圧の素子への移行で制御信号通りの動作が行われていないことが確認されているが、素子の電流容量の増大による入力容量の増加に対し駆動回路が電流の駆動能力不足になっていると予想され、早急に対応し安定動作を確立する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これからの系統連系に向けた研究を進める上で、回路の安定動作が重要になってくる。まず、壊れない回路、予期せぬ外乱に対して常に安定方向へ導く自律作用、誤ったスイッチング位相を入力しても短絡や暴走を回避するフェールセーフや保護機能などが重要になる。高耐圧・低損失のスイッチング素子への移行を正に行っている最中であるので、それらの安全機能についても併せて検討を行い、今後の研究の円滑な進捗を図る。
平成28年度は、出力電圧や6つの直流電圧の値を観測し、目的の動作へと導く制御の検討を主として行う予定である。そのためにも主回路を万全な状態にしておく必要があり、早めに主回路を完成させる。制御に関しては、今後検討する予定の系統連系に向けて、入力側の直流電圧と出力側の交流電圧、交流電流を検出するための信号検出回路を作製し、主回路からの情報を検知できる体制を整える。そしてそれらの信号を制御に用いると同時に保護機能も設け、更なる安定動作の実現を図る。またソフトウエアの変更だけで様々な動作が出来るよう、信号検出回路と制御回路の設計、製作を進めて行く予定である。
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