2019 Fiscal Year Annual Research Report
High-power dc-dc converter for electric vehicles and electric aircraft
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19H02125
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Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
Principal Investigator |
萩原 誠 東京工業大学, 工学院, 准教授 (20436710)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐野 憲一朗 東京工業大学, 工学院, 助教 (60589307)
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Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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Keywords | パワーエレクトロニクス / 電気自動車 / 電動航空機 / 直流-直流変換器 |
Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、提案・検討する非絶縁型直流-直流変換器の制御法の確立を試みた。具体的には、電力系統で一般的に適用される座標変換をベースとした電流制御系を導入することで、450 Hz程度の高周波電流に対する高性能制御を試みた。その結果、定常偏差を零に実現できると同時に、過渡時も過電流を引き起こすことなく安定に動作できることを確認した。 一方、本直流-直流変換器の正常動作には変換器に使用する複数個の直流コンデンサ電圧のバランスが必要不可欠であるが、本研究では階層型制御法を適用することで、複数個の直流コンデンサ電圧を同時にバランスできることを確認した。 さらに、一般的な直流-直流変換器の場合、高圧側電流に発生する方形波状電流がシステムの信頼性を低下させる問題が存在したが、本変換器では変換器のスイッチングタイミングを適切に制御することで、定常時・過渡時・電圧急変時のすべての動作条件において、零電流スイッチングを実現でき、その結果、方形波状電流発生を防止できることを明らかにした。また、本直流-直流変換器を動作させる際に実用上必要となる、各直流コンデンサ電圧の初期充電手法に関して検討を行った。一般的に複数の直流コンデンサ電圧を初期充電させる場合、外部充電回路が必要となり、システムの高コスト化を引き起こす問題が存在する。本変換器はパワーデバイスを適切にオンオフさせることで、外部充電回路を用いずに初期充電を実現できる点に特長があり、外部充電回路を用いない初期充電手法を確立した。 提案した制御法・初期充電手法の有効性・妥当性は「PSCAD/EMTDC」を用いたコンピュータシミュレーション、および研究室で設計・製作した2 kWミニモデルにより確認した。得られた研究成果は電気学会研究会、電気学会産業応用部門誌に掲載(もしくは掲載決定)され、IEEEが主催する権威ある国際会議に発表予定である。
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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
当初の研究計画では平成31年度に非絶縁型の直流-直流変換器の動作検証を行い、令和2年度に絶縁型の直流-直流変換器の動作検証を行う予定であった。平成31年度の具体的な研究目標としては、1) 変換器に使用するインダクタ電流制御法の確立、2) 直流コンデンサ電圧制御法の確立、3) 初期充電手法の確立、4) 方形波状電流除去の確認、5) 高周波化による受動素子(インダクタ、コンデンサ)の小型・軽量化実現、の5点を挙げていた。1番目の項目に関しては、座標変換をベースとした電流制御法を適用することで、高周波電流に対しても定常偏差を生じることなく制御できることを確認でき、当初の目的は達成できた。2番目の項目に関しては、他の高圧・大容量変換器でも適用されている階層型の制御法を適用することで、複数の直流コンデンサ電圧を同時にバランスできることを確認でき、当初の目的は達成できた。また、本制御法は冗長性を有している点に特長があり、変換器の単位ユニット数を増加させた場合も容易に制御法を拡張できる点に特長がある。3番目の項目に関しては、主変換器に使用するパワーデバイスのオンオフを適切に制御することで、外部充電回路を使用することなく初期充電を実現できることを確認でき、当初の目的は達成できた。4番目の項目に関しても、インダクタ電流を正弦波状に制御し、主変換器パワーデバイスのオン・オフを適切に制御することで、定常時・過渡時・電圧変動時の何れにおいても方形波状電流を除去できることを世界で初めて実証し、当初の目的は達成できた。1番目から4番目の項目はシミュレーションだけでなく実験検証も成功しており、想定以上の結果といえる。一方、5番目の項目に関しては、450 Hz時の検証は成功したものの、最終目標である2 kHz程度の高周波化は未達成である。上記に関しては、次年度に検討を継続する予定である。
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Strategy for Future Research Activity |
平成31年度は非絶縁型の直流-直流変換器の研究に注力し、電流制御法・直流コンデンサ電圧制御法・初期充電手法の確立に成功し、シミュレーションに加えてミニモデルを用いた実験検証を行える環境を構築した。今後は、非絶縁型直流-直流変換器の未検討事項に関して検討を行うと同時に、絶縁型直流-直流変換器の検討に着手する。 非絶縁型直流-直流変換器の検討事項の1点目としては、変換器動作の高周波化が挙げられる。変換器に使用する受動素子(インダクタ、コンデンサ)の重量・体積は高周波化により小型化・軽量化できることが知られている。平成31年度は動作原理検証のため動作周波数を450 Hz程度で検証を行った。令和2年度は、動作周波数増加を試み、最終的には2 kHz程度の高周波化実現を試みる。高周波化時の問題点としては、インダクタンス低減に起因する電流制御性の低下が懸念される。本研究では、900 Hz、1350 Hz、1800 Hzと段階的に動作周波数を増加させ、受動素子の低減効果を確認する。 次に、絶縁型直流-直流変換器の検討を実施する。一般的変換器は変圧器を用いて電気的絶縁を実現するが、変圧器の使用は変換器の大型化・高重量化・高コスト化を引き起こすという問題がある。そこで、本研究では変圧器の代わりにパワーデバイスを用いて入出力間の電気的絶縁を試みる。パワーデバイスは理想的なオフ状態の場合は、抵抗無限大の開放状態となるため、電気的絶縁を実現できる可能性が存在する。しかし、実際のパワーデバイスの挙動は理想状態と異なるため、漏れ電流増加等の種々問題が発生することが想定される。上記を考慮し、パワーデバイスによる電気的絶縁実現に向けた種々検討を行うことを令和2年度の主目的とする。なお、ミニモデル自体は平成31年度に製作した回路を変更するだけで対応できるため、実験を容易に実現できる。
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Research Products
(6 results)