2017 Fiscal Year Research-status Report
Systematization of the theory and its development of the world's highest level of very-high-frequency miniaturized power supply
| Project/Area Number |
17K14645
|
|---|
| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
魏 秀欽 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (80632009)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 超高周波 / 電源回路 / 体系化 / スイッチング技術 / 数理モデル / 高効率 / 高調波 / 小型 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、世界最高水準の超高周波小型電源回路の開発に向け、その基礎から設計までを理論的に体系化することを目的とする。マサチューセッツ工科大学（MIT）で提案された超高周波スイッチング技術に着目し、代表者がこれまで培ってきた独自の解析技術と数値技術を応用展開することにより理論体系をいち早く確立する。構築した理論モデルを用いることで、高精度な最適化設計が可能となり、世界最高水準の高周波小型電源回路を極めて高い効率で設計実装に成功する。開発された電源回路はその圧倒的な小型・高効率特性により産業界全体へ多大なインパクトを与え、極めて高い波及効果が期待できる。さらに本研究で体系化された基礎理論はパワーエレクトロニクスの新たな学術基盤となり、広範なアプリケーション開発に高度展開される。
本年度は、代表者のもつ独自の高調波定常解析技術と最適化設計技術を融合させることにより、超高周波スイッチング技術の解析モデルを構築した。スイッチ素子と並列に高調波共振回路を挿入することにより、スイッチの電圧ストレスを大幅に低減させる回路に対し、定常解析を行い、スイッチングに対する数理モデルを構築した。また、高周波化のためのスイッチングに対する設計問題を最適化問題として記述した。さらに、その問題を解くための数値最適化手法を確立した。確立した超高周波高効率電源回路の設計手法を用い、具体的な回路に設計し、その回路実装を行った。その結果、周波数の高周波化と電力変換効率の向上を同時に達成することを示すことができた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成２９年度は代表者のもつ高調波定常解析技術をコア技術に据え、それを応用展開する形で超高周波スイッチングの数理モデルを構築することが主課題であった。
まず、MITで提案された高調波共振部で高調波電流を生成し、適切な位相差を持たせることでスイッチ電圧ストレスを大幅に低減させることによる超高周波化の電源回路に対し、高調波定常解析技術を適用し、数理モデルを構築した。また、MITの技術では、スイッチングの瞬間に電圧、電流が不連続となる点があり、電力損失が発生する。この損失はスイッチング毎に生じるため、超高周波動作で致命的な特性劣化要因となる。この問題に対し、代表者は構築した理論モデルを用い、電圧、電流の連続性を理論的に保証する回路設計技術を確立した。さらに、7 MHz, 53 W 出力の設計仕様のもとで回路設計および回路実験を行った。理論結果と回路実験結果は定量的によく一致していることから構築した理論の妥当性を示している。そのうえで、構築した理論をベースにし、具体的なアプリケーションを意識した超高周波・高効率・大電力電源回路の開発を進めている。本研究は平成３０年度と平成３１年度で継続して進める研究課題となる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
RF電源は高周波・大電力のAC電圧を出力する電源であり、半導体製造、太陽電池製造、MEMS製造、無線電力伝送、プラズマ清浄などの装置に組み込まれる電源回路である。代表者の調べでは、現状7 MHzがスイッチングRF電源の最高周波数となっている。そこで、平成３０年度ではこれを13.56 MHzまで上げることをターゲットとするRF電源回路を開発する。
平成３０年度は、平成２９年度に確立した理論をベースにし、13.56 MHz, 1 kW 出力のRF電源を開発する。数百 W 級の大電力を達成しつつ、さらなる高周波化を実現するところに開発の難しさがある。高周波大電流のため、共振回路における磁性素子では交流損とコア損が顕在化し、効率の劣化を招く。この二つの損失はトレードオフの関係にあるため、磁性素子設計の中でも最適化問題が生じる。そのため、コア材、ワイヤの巻き方等を研究協力者により提案された磁性素子設計技術を導入することによりこの問題を解決する。高周波磁性素子設計において、交流損とコア損を同時に考慮しつつ、試行錯誤の作業なしに短時間で設計を行える点が最大の特徴であり、本フェーズにおいてその威力が発揮される。
|
| Causes of Carryover |
本研究では、全ての研究フェーズにおいて、高周波帯の素子の特性を高精度で測定するためのインピーダンスアナライザが必要となる。そのため、平成２９年度は高周波測定用インピーダンスアナライザを購入したが、インピーダンスアナライザが予定より安く購入できた。また、回路素子などの実験消耗品は再利用可能なものを再利用したので、次年度使用額が生じた。
平成３０年度は、高周波、大電力のRF電源の開発が主な研究課題であり、多くの回路実装を行う必要がある。そのため、回路素子等の実験消耗品に使用する予定である。さらに、平成２９年度の研究成果公表のための旅費、論文誌投稿料などにも適宜使用する。旅費に関しては、現在、国際会議と国内の研究会に１回ずつ出席する予定である。
|
| Remarks |
千葉工業大学 工学部 電気電子工学科 教員紹介
http://www.eee.it-chiba.ac.jp/staff/index.html
|
