2014 Fiscal Year Research-status Report
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25420263
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
和田 圭二 首都大学東京, 理工学研究科, 准教授 (00326018)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 敏久 首都大学東京, 理工学研究科, 教授 (30254155)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | PWMインバータ / 高周波スイッチング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成26年度は，500kHzスイッチングPWM制御の高周波化を実現するためのゲート駆動回路および単相インバータ回路を用いた実験を行った。PWMインバータのスイッチング周波数の上限値はデッドタイムの制約が大きく，一般的なパワーデバイスでは1us程度の値とする必要がある。
本研究では，MOSFETのI-V特性を考慮してMOSFETのスイッチングを制御するためのゲート電圧を5Vとすることによってデッドタイムを挿入する必要のないゲート駆動回路を提案した。ゲート電圧は一般的には10V以上の値が選択されるが，5VにすることによってMOSFETの導通損失が増加するという欠点がある。しかしながら，高周波インバータではスイッチング損失が支配的であるために，ゲート電圧低下に伴う導通損失の増加については問題にならないことを解析により明らかにした。その有効性を確認するために単相300V，300Wのインバータ回路を研究室において設計・製作を行い，さらに研究室内にて実験を行った。その結果，500kHzのPWMスイッチングを負荷力率に依存せずに実現できることを明らかにした。また，単相ユニポーラ変調を採用することにより等価スイッチング周波数1MHzのPWMインバータを実現でき，さらにR-L負荷条件において50kHzの正弦波電流を出力できることを実験により示した。
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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
当該研究課題において，デッドタイムによる制約とパワーデバイスの放熱が最大の課題であると考えており，そのうちデッドタイム制約に伴う課題解決が達成することができた。さらに，当初予定では，2年度目終了時に500kHzスイッチングPWMインバータの実証を確認することであったために，おおむね順調に進展している。特に，当初予定していた方法とは若干異なるが，ゲート駆動回路の制約による高周波化の課題解決手法を新たに提案し，スイッチン試験によりその有用性を明らかにした。さらに，実際にPWMインバータを設計・製作を行い実証試験を行いその妥当性を明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究3年度目は，これまでの成果である単相インバータを三相インバータに拡張してさらなる大出力化に関する検討を行う。ここでは，直流電圧300V三相インバータとした場合における，本提案手法の妥当性を実験により明らかにする。
これまでの研究経過に伴う課題としては，パワーデバイスからの発熱によりインバータの大容量化が非常に困難である点がある。そこで，研究3年度目は従来素子であるSi-MOSFETを用いた際の実用的な効率および電力容量について算定を行う。さらに，さらなる高効率化と大容量化を実現するためにSiC-MOSFTの利用を前提とした解析および予備実験を行う。2年度目に提案したゲート駆動回路の方法はSi-MOSFETには適した方法ではあるが，新材料のパワーデバイスにとってはどの程度の効果があるかは十分に把握できていない。そのため，新たなゲート駆動回路方式についても検討を行う必要がある。そのために，SiC-MOSFETの高周波スイッチング特性を把握するための新たな検討を開始して，スイッチング試験およびインバータの設計・製作を行い，高周波化に向けた実機検証および大容量化に向けた課題整理を行う。
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| Causes of Carryover |
実験装置の設計・製作において消耗品の使用予定額が想定よりも安価であったために，次年度への使用額が生じた。特に，電力変換回路基板の設計を研究室で主として行ったために，業者への依頼が製作のみとなったことが主な要因である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
最終年度は，SiC等を利用したパワーデバイスの使用を想定しているために，今年度使用できなかった費用はパワーデバイスへの支出になる予定である。
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