2019 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
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17K14645
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
魏 秀欽 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (80632009)
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2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 超高周波スイッチング / コンバータ / GaNデバイス / 磁性素子 / 大電力 / 高効率 / 解析技術 / 国際情報交流米国オハイオ州 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コンバータはIoT、通信機器向け充電器から民生機器、車載向けデバイスまで幅広い電力レベルのアプリケーションに用いられる。さらに、磁界結合型ワイヤレス給電（非接触給電）もコンバータに帰着して議論できる。このように、コンバータの適用範囲は非常に広く、高効率かつ小型、軽量なコンバータの設計開発が常に求められている。そこで、本年度では、超高周波スイッチング技術をコンバータに適用することを提案し、超高周波高効率コンバータの設計および実装を行う。コンバータでは、スイッチ素子における電力損失がエネルギー損失の主要な原因となる。そのため、スイッチに生じる電力損失の低減が、コンバータの電力変換効率の向上に直結する。超高周波スイッチング技術を用いたコンバータは、スイッチがオンに切り替わる際に電流・電圧が連続的に変化するため、電力損失、およびノイズの発生を極めて低く抑えることができる。さらに、高調波電流を注入することにより、スイッチ電圧ストレスを大幅に低減させ、超高周波化への道を拓く。本年度では、電圧、電流の連続性かつ低スイッチ電圧ストレスを理論的に保証するコンバータの設計技術を確立した。これまでのコンバータの設計は基本周波数成分だけに注目していれば設計できたが、本回路に関しては、超高周波スイッチング技術を適用したため、コンバータ内の高調波成分の扱いがポイントとなり、基本周波数成分だけでなく、高調波成分も考慮して設計を行った。具体的には、フーリエ級数を用いて回路動作を数式化したうえで、コンバータのスイッチ電圧を新たに等価電圧源と定義する解析技術を提案、導入することで、超高周波スイッチング技術を適用したコンバータの解析表現に成功した。さらに、6.78MHzの設計仕様のもとで回路設計および回路実験を行っており、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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度では、これまで確立した超高周波スイッチング技術の理論をベースにし、27.12MHz級超高周波高効率コンバータの設計および実装が主要課題であった。まず、低スイッチ電圧ストレス、かつスイッチ電圧・電流が連続となる超高周波スイッチング技術を適用した6.78MHzコンバータの解析手法を確立し、その解析式からコンバータを設計することに成功した。また、回路実験を行った。試作実験による評価では、従来のコンバータと比較して、スイッチストレスが大幅に低減されることが確認され、超高周波・高効率の両立の可能性が実験的に示された。この設計仕様は代表者のこれまでの開発から考えると、比較的に開発しやすい設計仕様と言える。したがって、開発されたコンバータは超高周波スイッチング技術を適用したコンバータの特性を評価するためのテスタベッドとしての意味合いをもつ。超高周波スイッチング技術のポテンシャルを引き出すため、27.12MHzの周波数帯で高電力変換効率を達成するコンバータを設計することを目指している。現在の周波数帯からターゲットとした周波数帯まで上げたコンバータの設計・実装に当たって、GaNやSiCデイバスの活用が必要となり、これらのデバイス向けの高周波駆動が可能なドライバの開発が不可欠となる。高周波の特徴があり、パラメータの変動による影響は顕著となり、ドライバとコンバータ本体の個々で最適設計を手掛けても、全体での最適設計手法を確立しなければ、コンバータの効率の向上は望めないことがわかってきた。したがって、ドライバとコンバータ本体を同じ土俵に上げ、その中で超高周波スイッチング技術を適用したコンバータの設計理論を構築する必要があり、研究開発に予定より時間を要してしまった。また、本年度10月末の出産に伴う産休を取得したため、開発が当初の予定通りに進まなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度は確立した超高周波スイッチング技術理論のアプリケーションとして、ターゲットとした周波数帯のコンバータの開発を進める。高周波・大電力が本課題の特徴であり、GaNやSiCデバイスの活用が必要となる。そのため、GaNやSiCデバイス向けの高周波駆動が可能なドライバの開発が不可欠である。高効率化のために、ドライバとコンバータ本体の設計を同じ土俵に上げ、一つのシステムとして設計する。一方、超高周波大電力コンバータはプッシュープル構造を導入しその大電力化を図る。また、複数周波数をもつ回路の結合形態やその設計を行うことによって、超高周波大電力コンバータへの可能性を実験的に示す。また、プッシュープル構造は高調波成分を削除する効果を持っており、その特性評価も行う。ドライバ回路とコンバータ本体の一体化やプッシュプル構造の導入により、回路構成はより複雑になり、代表者の開発した数値設計技術がここに生きてくると考えており、それらのテクニックを随時適用しながら設計を進める。さらに、実装より得られた結果を回路構成、設計方法にフィードバックさせることによりコンバータを改良していく。
以上、提案する超高周波スイッチング技術の設計手法を確立し、アプリケーション展開への可能性を例示したうえで、本研究をまとめる。
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| Causes of Carryover |
本年度は、回路素子などの実験消耗品が再利用できたこと、また、ドライバ回路とコンバータ本体を一つシステムとした設計開発が遅れたことにより次年度使用額が生じた。
令和2年度は、超高周波コンバータの開発が主な研究課題となるため、主に、回路素子などの実験消耗品に使用する計画である。また、回路開発期間の短縮を目的とした回路実験補助に関する謝金に充てる予定である。さらに、これまで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、国際会議に1回、国内の研究会等に2回出席する予定である。
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| Remarks |
千葉工業大学 工学部 電気電子工学科 教員紹介
https://www.eee.it-chiba.ac.jp/staff/wei.html
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