2017 Fiscal Year Research-status Report
13.56MHz出力スイッチング高周波電源を実現する周波数逓倍技術に関する研究
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17K14635
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
折川 幸司 北海道大学, 情報科学研究科, 助教 (50781324)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 周波数逓倍 / マルチトランス / 高周波電源 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，ISMバンドである13.56MHzの高周波電力が出力可能な小型・高効率のスイッチング高周波電源を実現することである。提案する高周波電源は，電圧形インバータの方形波電圧に含まれる低次高調波成分を利用した周波数逓倍技術を基礎しているため，半導体スイッチと磁性材料の各動作周波数は出力周波数に比べて小さくすることができる。本研究ではこの技術を用いて13.56MHz，10kWのスイッチング高周波電源を実現する。平成29年度の研究実施計画においては10kW，2.5MHz出力をターゲットとしている。これまでの基礎検討においては，インバータには高周波スイッチングでもゲートドライブが比較的容易な高周波スイッチング用Si-MOSFETを使用していた。しかしながら，オン抵抗が大きく導通損失が増加するためインバータをゼロ電圧スイッチングさせても提案回路の高効率化が見込めないことが明らかになった。したがって，本年度はまず高速スイッチング可能で低オン抵抗であるGaN-FETをインバータに採用し，実機検証による動作波形およびインバータ部の温度上昇により同出力電力条件下においてインバータ部の低損失化を確認した。次に，マルチトランスについてはトランス二次側巻線間に発生する寄生容量が提案回路の損失および動作に影響を与えることを定量的に明らかにし，結合率の異なる2種類のマルチコアトランス構造を比較実験することで，高効率な周波数逓倍回路を実現するために本年度は寄生容量の影響を低減可能な高結合トランスを採用することを考案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
インバータ部の高効率化のためにSiデバイスからGaN-FETにデバイスを交換したが，ゲートドライブの誤点弧対策などに時間を要し，進捗がやや遅れている。
また，マルチコアトランスにトランス二次側に発生する寄生容量が提案回路の動作に与える影響が大きいことが実機実験により明らかになった。したがって当初の研究計画とは異なり，まずはトロイダルコアを用いたトランスにより2種類の結合率を有するマルチコアトランスを試作し，寄生容量の影響を低減可能な高結合トランスの二次側巻線構造の検討という新たなスケジュールが追加されたため，進捗がやや遅れている。
しかしながら，平成29年度後半からは基礎的な実験データは得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の平成30年度の計画では，10kW，13.56MHz出力をターゲットとし，プリント基板を用いたマルチトランスの試作を検討していた。前年度において，トランス二次側巻線構造が結合率と寄生容量の観点から周波数逓倍回路の重要な設計ポイントであることが明らかになったため，その結果をプリント基板によるマルチトランスの設計に反映させる。ただし，まずは2.5MHz出力に対応したマルチトランスを試作し，プリント基板によるマルチトランスの独自の問題点を抽出し，13.56MHz対応へとその抽出した課題を解決するようにプリント基板の設計へフィードバックする。また，前年度には，これまで多角形状に配置していたマルチコアトランスは放熱やトランス二次側巻線の寄生容量の観点から好ましくなく，他の配置でも構わないことが明らかになったため，インバータとマルチトランスを合わせて放熱の容易な構造設計とマルチトランスのパラメータの均一化を実現する予定である。
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Research Products
(1 results)
