2022 Fiscal Year Research-status Report
インダイレクト型ハイブリッド回路の同期整流式絶縁型DC-DCコンバータへの応用
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22K14235
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
畑 勝裕 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (70837294)
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2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | DC-DCコンバータ / ハイブリッドDC-DCコンバータ / 電源回路 / インダクタ電流低減 / ソフトスイッチング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではインダイレクト型ハイブリッド回路を同期整流式絶縁型DC-DCコンバータの二次側同期整流回路に応用することで，出力インダクタにおける大幅な損失低減を実現し，さらに，電源回路全体を小型・高効率化するための素子選定と回路設計に関する理論構築と実機実証に取り組んでいる。特に，本研究では以下に示す3つのテーマを実施しており，初年度で得られた成果を以下にまとめる。
1．定常特性の理論解析とモデル化：インダイレクト型ハイブリッド回路を絶縁型DC-DCコンバータであるアクティブクランプフォワードコンバータの二次側同期整流回路として採用し，2つの回路状態における各電圧電流の振る舞いを解析し，デューティ比等に対する動作点を求める手法を確立した。さらに，インダイレクト型ハイブリッド回路の課題であったフライングキャパシタからの突入電流を抑制するための新たな回路トポロジーを提案し，実機実証を行った。このとき，主な回路状態は2つから4つに増加したが，同様な解析手法によってデューティ比等に対する動作点を求められることを示した。
2．小型・高効率化を実現するための素子選定と回路設計：定常特性の理論解析とモデル化に基づいて素子選定に必要となる各素子にかかる電圧・電流等を明らかにし，インダイレクト型ハイブリッド回路の回路設計に必要となる情報を整理した。また，トランス巻き数比と降圧比の関係より，トランス巻き数比を削減することで小型・高効率化できる可能性を示した。さらに，フライングキャパシタからの突入電流を抑制することでキャパシタ容量を低減できる可能性があり，検討を進めている。
3．負荷変動等を考慮したソフトスイッチング成立条件の明確化：トランスの励磁電流を利用した一次側回路のゼロ電圧スイッチングに着目し，各動作モードの詳細な回路解析を行い，負荷条件に対するソフトスイッチング動作の可否を検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要で示した通り，当初の計画通りに研究を実施しただけでなく，インダイレクト型ハイブリッド回路の課題を解決する新たな回路トポロジーを提案し，その解析手法を明らかにしたことで当初の計画以上の成果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は当初の計画通りに3つの研究課題を継続して行うが，インダイレクト型ハイブリッド回路を同期整流式絶縁型DC-DCコンバータの二次側同期整流回路に応用する際の新たな課題として，非絶縁型回路では存在しなかったトランス励磁電流の影響を考慮すべきことが2022年度の研究成果によって明らかになった。そのため，今後の研究は下記の通り実施する計画である。
1．定常特性の理論解析とモデル化：2022年度に得られた研究成果を応用しながら，2023年度はトランス励磁電流の転流動作を考慮して回路状態を細分化し，各動作モードの回路解析から各電圧電流の振る舞いを考察する。また，デューティ比等に対する動作点を求め，入出力電圧比やクランプ電圧などの定常特性を明らかにする。さらに，各素子にかかる電圧・電流等を再検討し，事項で示す素子選定や回路設計に応用する。
2．小型・高効率化を実現するための素子選定と回路設計：定常特性の理論解析に基づいて小型・高効率化を実現するための素子選定と回路設計を継続して実施する。特に，トランス励磁電流による影響を考慮するため，アクティブクランプ回路の有無による回路動作の変化を考察し，新たな制御手法についても検討する。さらに，これらの解析に基づいて小型・高効率化を実現するための素子選定と回路設計を再検討する。
3．負荷変動等を考慮したソフトスイッチング成立条件の明確化：トランス励磁電流の転流動作を考慮して回路状態を細分化することで，一次側回路の詳細な回路動作を明らかにし，ソフトスイッチング成立条件の明確化に取り組む。また，ソフトスイッチング動作に限定せずに小型・高効率化につながる回路設計・制御手法を検討し，これらを統合することでインダイレクト型ハイブリッド回路を採用した同期整流式絶縁型DC-DCコンバータの理論構築を行う。
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