Applying load-independent Class E zero-voltage-switching parallel resonant inverter to capacitive power transfer
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23K03801
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
小泉 裕孝 東京理科大学, 工学部電気工学科, 教授 (50334470)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
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| Keywords | 並列共振E級インバータ / 電界結合方式 / ワイヤレス給電 / 負荷独立 / E級インバータ |
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| Outline of Research at the Start |
電力増幅器として提案されたE級インバータは，MHz台の動作周波数で90%台後半の電力変換効率をもち，直流電圧変換器，ワイヤレス給電等に応用されている。この回路は負荷の変化により出力電圧/電流が変化し効率が低下するが，90年代に負荷の変化に対し高効率と一定の電圧/電流を維持する方式が提案された。近年，この提案はワイヤレス給電への応用が注目されている。
申請者らは，負荷の変化に対し出力電流振幅を一定に保つE級インバータを提案したが，電界結合方式のワイヤレス給電に相当する回路を挿入すると電圧振幅一定の性質が観られた。本研究では，この特性を詳細に解明し受電側整流回路との適合を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，負荷独立型並列共振E級インバータを電界結合方式のワイヤレス給電に応用し，1)負荷独立型並列共振E級インバータの実際の挙動を明らかにし，2)負荷独立となるインピーダンス領域を解明し，3)好適な受電側整流回路の回路形態を解明することである。
今年度は研究協力者の大学院生と共に実験回路の再作成から実施した。効率低下の原因である逆流防止ダイオードをMOSFETに改め，2つのMOSFETをソース接続し突き合わせる方式によりボディダイオードの導通を阻止し，スイッチ部の負電圧波形を維持した。逆流防止ダイオードの損失分が減り，1 MHz，5 Wにおいて効率は50%から80%に上昇した。
次に，コンデンサで構成した電界結合部を銅板とポリプロピレンシートによる電界結合部に交換し実験を行った。同等の結果が確認され，整流回路との組み合わせに研究を進めた。
電圧駆動D級半波整流回路は抵抗性の等価インピーダンスを持つ。この回路を電界結合部と共にインバータの等価負荷に取り入れ，直流電圧変換回路として設計し，シミュレーションおよび電界結合部を含む試作回路にて動作を確認した。回路実験では，定格負荷抵抗180Ωにおいて出力電圧26V，効率78%，さらに負荷抵抗90Ωから2kΩの範囲でゼロ電圧スイッチングを維持し，出力電圧は24Vから29Vの範囲に留まった。電圧低下の主要因は効率の低下である。研究目的1)および3)に通じる一回路を実現したことは重要であり，既に短論文として投稿し採録が決定した。
これと並行して，負荷独立型並列共振E級インバータ2基を大容量のコンデンサを介して接続し，互いに逆相に動作させると高電位側から低電位側に電力を供給する双方向コンバータとして動作することが分かり，研究協力者の大学院生と共に国際会議発表と特許出願を行った。セル電圧均等化回路への応用が期待される成果である。
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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
・負荷独立型並列共振E級インバータを電界結合方式のワイヤレス給電に応用し，抵抗負荷の状態で挙動を評価できるレベルの試作回路作成を目指したが，MOSFETを2つ突き合わせることでスイッチ部の負電圧の維持と効率の改善が実現し，整流回路との組み合わせに研究を進めることが出来た。
・電圧駆動D級半波整流回路との組み合わせを行い，実験結果までをIEEE Trans. Circuits and Systems IIに投稿し，採録決定に至った。
・負荷独立型並列共振E級インバータ2基をインピーダンスが無視できるコンデンサを介して接続し，互いに逆相に動作させると高電位側から低電位側に電力を供給する双方向コンバータとして動作することが分かり，国際会議IEEE International Future Energy Electronics Conferenceにて発表を行い，これに先んじて特許出願を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
目的に挙げた，1)負荷独立型並列共振E級インバータの実際の挙動を明らかにし，2)負荷独立となるインピーダンス領域を解明し，3)好適な受電側整流回路の回路形態を解明することの内，1)は2つのMOSFETをソース接続しドレーンからドレーンに導通させる方式により効率80%程度の回路動作を実現し回路実験レベルでの動作確認が可能となったが，引き続き，より好適なスイッチング素子を求め回路の改善を継続する。2)は純抵抗負荷の変化に対する動作から，リアクタンス変化に対する回路動作の解明に研究を進める。3)は，負荷独立型並列共振E級インバータ2基を用いた電圧均等化回路（即ち，一方がインバータの時，他方は整流回路として動作）の研究を進めると同時に，その他の整流回路も検討する。
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
