2020 Fiscal Year Research-status Report
フライングキャパシタを相互に組入れたインターリーブ式ソフトスイッチングコンバータ
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19K04361
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| Research Institution | Akita National College of Technology |
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Principal Investigator |
安東 至 秋田工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (20212665)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | インターリーブ / フライングキャパシタ / ソフトスイッチング / 昇圧コンバータ / 高入力力率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，フライングキャパシタを相互に組入れたインターリーブ式ソフトスイッチングコンバータを提案し，その能力と制御手法，設計手法を明らかにするものである。 2020年度は2019年度に設計し，動作を確認できたリアルタイムフィードバック制御回路を基に，サンプリング周期を有するデジタルシグナルプロセッサによる完全デジタル制御に移植し，同様の動作を可能にするとともに追加制御の組込みを行った。
本回路はすべての素子の完全ソフトスイッチングを実現させるため，スイッチングによる回路状態の変更が必要である。リアルタイム制御を基本として開発したデジタル制御においては，出力電圧とフライングキャパシタ電圧よりスナバコンデンサ電圧を得，直前のサンプリング時の入力電流指令値からソフトスイッチング条件が成立するまでの時間を算出し，その期間をマイクロ秒単位で制御待ちとして1サンプリング期間内に組み込んだ。また，効率の良い制御プログラムを再構築することでサンプリング周波数100kHzでの動作を可能にした。加えて，2並列昇圧チョッパ回路によるインターリーブ制御の制御位相タイミングを制御することでフライングキャパシタ電圧を制御し，入力電流波形を改善した。
現在，入力電圧50Vrms，出力電圧200Vでの動作確認実験を実施し，入力力率98%以上の正弦波入力電流，出力電圧変動率1%以下の良好な特性を達成することができた。また，すべての素子においてソフトスイッチングを達成していることも試作機で確認することができた。さらに，各コンバータがスイッチングする度に相互補完するように充放電するインターリーブ接続による特徴も確認することができた。
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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
2020年度は2019年度に設計し，動作を確認できたリアルタイムフィードバック制御回路を基に，サンプリング周期を有するデジタルシグナルプロセッサによる完全デジタル制御に移植し，提案コンバータの(1)入力力率98%以上，正弦波入力電流，出力電圧変動率1%以下，(2)用いる全ての半導体スイッチ素子のソフトスイッチング動作の達成，(3)入力電流高調波歪率THDは5%以下を達成，(4)電源電圧80Vから220Vへの対応を可能にし，出力電圧は400V以上 (5)電源電圧変動時にも電圧変動率1%以下の安定出力電圧の供給 をそれぞれ達成するための基本制御プログラム設計を行うことが基本計画であった。
現在，デジタルシグナルプロセッサによる完全デジタル制御による入力電圧50Vrms，出力電圧200Vでの動作確認実験で，上記(1)(2)(5)を確認しており，(3)も入力LCフィルタの再設計によって十分達成可能なレベルに制御されている。なお，(4)は動作確認実験終了後，実施予定である。
今後の入力LCフィルタの再設計や追加実験が残っているが，研究の基本部分はほぼ計画どおりに実施されており，総合的に順調に進んでいると判定した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は，早期に動作確認実験を終え，入力電圧100Vrms，出力電圧400Vで (1)入力力率98%以上，正弦波入力電流，出力電圧変動率1%以下，(2)用いる全ての半導体スイッチ素子のソフトスイッチング動作の達成，(3)入力電流高調波歪率THDは5%以下を達成，(4)電源電圧80Vから220Vへの対応を可能にし，出力電圧は400V以上 (5)電源電圧変動時にも電圧変動率1%以下の安定出力電圧の供給 の確認を行う。また，フライングキャパシタ電圧制御による効率や入力電流高調波への影響を実験により分析し，より適切なフライングキャパシタ電圧制御手法を組込む。
なお，現在，動作確認実験中のデジタル制御はリアルタイムフィードバック制御を基本としていることからサンプリング周波数が100kHzとかなり高く，安価なマイコンやA/D変換素子の採用を困難としている。そこで，リアクトル電流推定によるスイッチング時間の平均値制御を導入することで，コンバータ特性としての基本的達成目標はほぼそのままに，サンプリング周波数を50kHz以下とする手法の開発に取り組む。
さらに，本回路は入力力率制御，ソフトスイッチング，インターリーブ制御および出力電圧一定制御のため各部に検出用センサを多用する。すでに，2020年度の研究でソフトスイッチングを達成するためのスナバキャパシタ電流検出用センサは除去することが可能となっているが，リアクトル電流のセンサレス化もシミュレーションを通じて検討する。
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