| 研究課題/領域番号 |
15H02233
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
佐藤 敏郎 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (50283239)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | パワーエレクトロニクス / SiC／GaNパワーデバイス / DC-DCコンバータ / リアクトル／トランス / 鉄心材料 |
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| 研究実績の概要 |
小型軽量と高効率を両立するSiC／GaNパワーデバイスMHzスイッチングDC-DCコンバータを実現する基盤技術として、MHz帯低損失と200℃耐熱の鉄系メタルコンポジットバルク鉄心ギャップレスリアクトル・トランスを研究開発する。平成28年度の研究成果は以下のとおりである。
Fe系アモルファス粉末の粒径サイズの選択によりエポキシとのコンポジット鉄心の比透磁率を10から20を超える範囲で調整できることを示した。また、Fe系アモルファス粉末の大気中熱酸化によってSiO2リッチなガラス皮膜層を表面に形成することでコンポジット鉄心の体積抵抗率を0.1～1MΩ・mにまで高抵抗化でき、前年度の成果にあげた熱酸化カルボニル鉄粉コンポジット鉄心に対して1000倍以上の高抵抗率化を達成した。さらに、酸性溶液反応による表面改質によってFe系アモルファス粉末表面のSiO2単相化に成功するとともに、酸性溶液反応後の希弗酸処理によりアトマイズ法では実現困難なサブμm微細Fe系アモルファス粉末を得る方法を確立した。Fe系アモルファスコンポジット鉄心はベンチマークであるNi-Znフェライトの1/6以下という低鉄損特性を示し、ガラス転移点200℃の耐熱エポキシ樹脂を用いることで室温から200℃において鉄心特性が一定であることを確認した。
Fe系アモルファスコンポジット鉄心表面実装型リアクトルを5V入力-1V・30A出力GaNパワーデバイスMHzスイッチングDC-DCコンバータに適用し、最高効率93％、30W出力時の主回路体積電力密度7.3W/ccを達成した。Fe系アモルファスコンポジット鉄心リーケージトランスを48V入力－24V・5A出力GaNパワーデバイスMHzスイッチングLLC共振型DC-DCコンバータに適用し、最高効率93％、120W出力時の主回路体積電力密度6.6W/ccを達成した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
鉄系メタルコンポジット鉄心材料において、出発材料であるFe-Si-B-Cr-C系アモルファス磁性粉は大気中熱酸化や溶液反応による粉末表面改質によって絶縁性の高抵抗皮膜を形成できることを明らかにし、0.1～1MΩ・mオーダーの高い体積抵抗率を有するコンポジット鉄心材料を実現できた。これにより、平成28年度研究成果に掲げたカルボニル鉄粉／エポキシコンポジット鉄心よりもさらに高周波低損失を実現し、MHz帯鉄心のベンチマークであるNi-Znフェライトの1/6以下のMHz帯損失を達成した。
GaNパワーデバイスを用いたMHzスイッチングDC-DCコンバータへの適用試験によってこれらの有用性を実証した。
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| 今後の研究の推進方策 |
最終の平成29年度の研究計画は以下のとおりである。
１．鉄系メタルコンポジットバルク鉄心材料のさらなる特性向上
酸性溶液処理による表面改質と希弗酸処理により得たサブμm粒径Fe系アモルファス粉末を用いてコンポジット中の粉末充填率を従来の70％未満から70％を超える高充填率を実現し、MHz帯超低損失と高透磁率（比透磁率15以上）を両立する鉄心材料を開発する。また、鉄系メタルコンポジットバルク鉄心トランスの漏れインダクタンスを利用した共振型低ノイズSiC／GaNパワーデバイスMHzスイッチングDC-DCコンバータへの適用を目的とした高効率共振トランスの試作・評価を行う。
２．SiC／GaNパワエレクトロニクスへの適用による有用性の実証
鉄系メタルコンポジットバルク鉄心リアクトル・トランスの採用によるSiC／GaNパワーエレクトロニクスの小型軽量化と高効率化を実証するために、鉄系メタルコンポジットバルク鉄心の特徴を活かしたSiC／GaNパワーデバイスMHzスイッチングDC-DCコンバータの最適回路トポロジーを探索し、コンバータの試作評価を行う。また、DC-DCコンバータ以外の、例えば、MHz帯高周波インバータなどを対象にしたキラーアプリケーションについても検討する。
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