2016 Fiscal Year Annual Research Report
Design and implementation of PWM inverter using GaN power devices and its applications
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16H04320
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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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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | PWMインバータ / GaNパワーデバイス / 電流制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
GaNパワーデバイスを用いたインバータ回路設計製作にあたり，電力変換回路方式の決定，および使用素子選定を行った。さらに，GaNパワーデバイスを対象とした高速スイッチング回路用のゲート駆動ICの選定を行った。
また，本研究で対象とする電力変換回路では，従来回路のスイッチングスピードに対して非常に高速になるために，基板配線パターンの詳細な設計が必要となる。そこで，電力変換回路とパワーデバイスのゲート信号周辺配線の関係性について検討を行った結果，高速スイッチング時には相互インダクタンスが大きく影響を与えることを明らかにした。すなわち，インバータ回路のスイッチング時に生じる，高速な電流変化によって発生する磁束がゲート駆動回路内に誘導し，誤動作を発生させるおそれがあることを示した。
そこで，回路内に存在する相互インダクタンスを考慮した基板設計手法を検討し，スイッチがONとOFFに変化するそれぞれにおいて状態において最適な相互インダクタンスが異なることを明らかにした。回路内の相互インダクタンスをダイオードを用いることで簡単に変化させることができる回路実装手法を提案し，スイッチング損失低減とノイズ低減を両立できる回路実装手法を明らかにした。
また，相互インダクタンスの影響を低減した回路基板実証手法を検討し，その妥当性を評価するための電力変換回路を設計・製作した。その結果，相互インダクタンス低減技術を適用することによって，高速スイッチング動作時のノイズによる誤動作を低減できることを実験により検証した。
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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
1MHzでスイッチングできるインバータ回路の実装手法検討するにあたり，電力変換回路基板に寄生するインダクタンスを考慮した解析手法の検討を行った。さらに，その手法を用いることによって，高速スイッチングを行うための基板実装手法を明らかにし，その妥当性を研究室で試作した回路により検証した。
以上のことにより，当初目的であったインバータの実機検証が実現できたために，おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は，GaNパワーデバイスを用いた高周波 PWM インバータ回路の実現とその応用展開である。今後の課題の一つとして，1MHz スイッチングのPWMインバータを対象とした出力電流の制御高速化がある。そこで，本研究室で考案した電流センサ内臓インバータ回路の動作検証および詳細な解析を行う。この方式は，パワーモジュールの中に内蔵された電流センサを制御に活用する方法であり，回路の小型化と従来手法と同等の制御性能を達成することができる点に特長がある。本年度は，これまでの研究成果をさらに発展させて，電流検出器の接続位置の違いによる制御手法について確立し，さらにその妥当性を実験により評価を行う。また，この方式ではパルス電流を検出することが要求されるために，電流振幅が小さい区間では検出が難しくなる課題がある。この課題を解決するために，電流センサ実装手法とデジタル制御装置を活用した補正手法について検討を行う。
次に，高速スイッチングを行うためにパワーデバイス周辺の回路実装方式と寄生パラメータの違いについて詳細に検討を行い，必要な回路実装技術を明らかにする。さらに，その成果から具体的な回路実装を行い，GaNパワーデバイスの特性を最大限に活かすための回路実装技術の妥当性を実験により明らかにする。また，回路シミュレーションと電磁界解析の両方を活用して，配線構造に着目した最適スイッチング波形に関する検証を行う。以上の，電流制御技術と回路実装技術について確立し, これらの技術を統合して1 MHz スイッチングの PWM インバータ回路の設計・製作および実証評価を行う。最後に，高周波PWMインバータの応用の可能性を示す。
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