• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2023 Fiscal Year Annual Research Report

Development of fast self regulating digital active gate driver for SiC MOSFET

Research Project

Project/Area Number 23H01399
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

引原 隆士  京都大学, 工学研究科, 教授 (70198985)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 持山 志宇  京都大学, 工学研究科, 助教 (20867866)
福永 崇平  大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (20914138)
新谷 道広  京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (80748913)
高山 創  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1) (30981063)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
KeywordsSiCパワーMOSFET / デジタルアクティブゲートドライバ / デジタルツイン / 学習最適化 / オートチューニング
Outline of Annual Research Achievements

1) デジタルアクティブゲートドライバ(DAGD)の動作周波数の向上や集積化を目指し,基礎的検証で用いた抵抗方式によるゲート電圧の調整方式を見直し,モジュラー方式を適用した新しい回路構造のDAGDの開発に研究を進めた.従来の抵抗方式のDAGDと比較して動作時の損失が少なく,またパワーデバイスの導通時のゲートバイアスを変更できることを確認した,高周波数での動作や多数素子の直並列駆動に向けた高機能化と共に,素子毎に個別のゲート駆動パターンを設定することで素子の不均衡を是正できる可能性について実験において検証を進めた.
2) DAGDをハーブブリッジ回路の各アームに適用し, 同期整流により電力変換回路の動特性の改善を試みた. また昇圧・降圧チョッパ回路それぞれについて, 動特性の改善に適したDAGDの実装方式について検討し,故障を回避する方法および駆動の制約条件について明らかにした.
3) デバイスベンダが提供するデバイスモデルを適用において, デバイスの特性評価が実測と乖離することにより回路シミュレーションが電力変換回路の設計の課題となっていることについて検討を加え,既製の実験室機器のみで実現可能な,設計者側によるデバイスモデリングメソドロジの開発を進めた.市販SiC MOSFETを用いた評価を行い,ベンダ提供モデルに比べ幅広い動作条件にわたって精度良く実測を模擬できるモデルを得ることに成功した.
4) DAGDのモータ駆動への適用に向けて,モータ試験環境の立ち上げを行うと共に,スイッチング回路を用いた運転試験を一部先行して実施し,数値シミュレーション結果との比較を行い,課題の洗い出しを行った.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

1) デジタルアクティブゲートドライバ(DAGD)の動作周波数の向上や集積化を目指し,基礎的検証で用いた抵抗方式によるゲート電圧の調整方式を見直し,モジュラー方式を適用した新しい回路構造のDAGDの開発に研究を進めた.モジュラー方式DAGDは,従来のDAGDと比較して動作時の損失が少なく,またパワーデバイスの導通時のゲートバイアスを変更できることが実験的に確認できた,高周波数での動作や多数素子の直並列駆動に向けた高機能化を達成した.素子の特性に合わせたゲート駆動技術を発展させパワーデバイスの劣化などの長期的な特性変化を補償する手法として提案ドライバを活用できる可能性を得た.
2) DAGDをハーブブリッジ回路の各アームに適用し, 同期整流を適用した結果,電力変換回路の動特性を改善することができた.また昇圧・降圧チョッパ回路それぞれについて, 動特性の改善に適したアDAGDの実装方式および故障を回避する方法を検討し,駆動の制約条件について明らかにした.
3) デバイスベンダが提供するデバイスモデルを適用において, デバイスの特性評価が実測と乖離することにより回路シミュレーションが電力変換回路の設計の課題となっていることについて検討を行った.その結果,既製の実験室機器のみで実現可能な,設計者側によるデバイスモデリングメソドロジを開発した.市販SiC MOSFETを用いた評価を行い,ベンダ提供モデルに比べ幅広い動作条件にわたって精度良く実測を模擬できるモデルであることを確認した.この結果は,デジタルツインによる回路検証の妥当性を保証するものである.
4) DAGDのモータ駆動への適用に向けて,モータ試験環境の立ち上げを行うとともに,スイッチング回路を用いた運転試験を一部先行して実施し,数値シミュレーション結果との比較と次年度以降に向けた課題の洗い出しを行った.

Strategy for Future Research Activity

1) 素子の特性に合わせたゲート駆動技術を発展させパワーデバイスの劣化などの長期的な特性変化を補償する手法として提案ドライバを活用できる可能性を確認したことを受け,実回路における DAGDの実装を進める.
2) 同期整流回路へのDAGDの適用は,DAGDの数の増加がによる動特性改善に用いるゲート駆動パターンの探索量が大幅に増加する.これを解消するため最小時間で解を与える探索アルゴリズムを検討する.また実回路において探索の途中で上下アームが短絡して貫通電流による故障などを引き起こす可能性があるため,回路特性を詳細に模擬した回路シミュレーションを併用してゲート駆動パターンを予め探索して実機へ適用するなど, デジタルツインによる制御方法を検討する.
3) デバイスモデリングメソドロジを, 素子特性のばらつきにも対処できるよう拡張する.従来研究は,乱数に基づくシミュレーション評価に留まっていることから,同一型番における複数の個体に対する実験結果に基づいてデバイスのモデル化手法を確立する.
4) モータ試験の結果から得た駆動最適化の際に考慮すべき指標の知見に基づき,当該指標の必要性の実験的検証を進め,ゲートドライブ回路の構成およびその動作アルゴリズムのとの整合性を検討する.

  • Research Products

    (6 results)

All 2024 2023

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Digital-Twin-Compatible Optimization of Switching Characteristics for SiC MOSFETs Using Genetic Algorithm2023

    • Author(s)
      Takayama Hajime、Fukunaga Shuhei、Hikihara Takashi
    • Journal Title

      IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics

      Volume: 4 Pages: 1024~1033

    • DOI

      10.1109/JESTIE.2023.3291636

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 電圧制御型アクティブゲート駆動波形とスイッチング特性の関係に関する実験的検討2024

    • Author(s)
      金本 公平, 高山 創, 引原 隆士
    • Organizer
      電気学会半導体電力変換/モータドライブ合同研究会
  • [Presentation] 昇圧回路の動特性を改善するアクティブゲート駆動回路の実装方法の検討2024

    • Author(s)
      福永 崇平, 高山 創, 引原 隆士
    • Organizer
      電気学会 全国大会
  • [Presentation] Demonstration of On-road Vehicle Drive with Electric Motor Fed by Power Packets2023

    • Author(s)
      Mochiyama Shiu、Nakamura Taketsune
    • Organizer
      32nd IEEE International Symposium on Industrial Electronics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Binary-weighted Modular Multi-level Digital Active Gate Driver2023

    • Author(s)
      Takayama Hajime、Fukunaga Shuhei、Hikihara Takashi
    • Organizer
      2023 25th European Conference on Power Electronics and Applications
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電圧制御型アクティブゲートドライブ波形のスイッチング特性の分布を利用した調整手法に関する検討2023

    • Author(s)
      金本 公平, 高山 創, 引原 隆士
    • Organizer
      電気学会 産業応用部門大会

URL: 

Published: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi