|
|
Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers >
Theses >
博士 （工学） >
次世代パワー半導体デバイスを用いた超高速モータ駆動用高周波PWMインバータの開発
|
Files in This Item:
|
|
|
Related Items in HUSCAP:
|
| Title: | 次世代パワー半導体デバイスを用いた超高速モータ駆動用高周波PWMインバータの開発 |
| Other Titles: | Development of a High-Frequency PWM Inverter Using Next-Generation Power Semiconductor Devices for Ultra-High-Speed Motors |
| Authors: | 石川, 光亮 Browse this author |
| Keywords: | 次世代パワー半導体デバイス | | 寄生成分 | | 配線インダクタンス | | 浮遊容量 | | 高周波スイッチング | | 主回路設計 | | 厚銅基板 | | 多層基板 | | 超高速モータ | | システム効率 | | Next-generation power semiconductor devices | | stray components | | stray inductance | | stray capacitance | | high-frequency switching | | main circuit design | | thick copper boards | | multilayer boards | | ultra-high-speed motor | | system efficiency |
| Issue Date: | 25-Mar-2020 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | 近年，モータの高出力密度化の観点から，高速回転化・多極化が進められている。これらの方策により，モータの基本波電流周波数が高くなるため，モータ駆動に要するインバータのスイッチング周波数を高周波化する必要がある。このとき，高速モータの低インダクタンス特性から，スイッチング周波数の向上により，モータ鉄損の抑制が期待できる。これにより，高周波スイッチング下において，モータ駆動システムのシステム効率の改善が期待できる。しかし，従来のモータ駆動システムでは，モータの鉄損抑制に対して，インバータのスイッチング損失が多く，システム効率の低下を招く。
モータを駆動するインバータでは，従来，Si（ケイ素）のデバイスが使用されていたが，Siとしての材料の性能限界を迎えようとしている。そこで，近年では半導体製造技術の向上に伴って，SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）などの次世代パワー半導体デバイスが注目されている。これらのデバイスは，Siデバイスと比較して高速動作，低損失，高温動作可能であることが知られており，高周波・高効率・小型な電力変換器を実現することが可能である。しかし，電力変換器に存在する寄生成分によって，パワーデバイスのスイッチング特性が悪化し，動作速度の低下や高いサージ電圧が発生する。そのため，高周波駆動時にはスイッチング損失が支配的であるため，高効率化においてはその対策が必須である。これまで，部品レイアウトや主回路構造の工夫により対策がなされてきた。しかし，SiCやGaNなどの高速動作デバイスにおいては対策が十分でなく，その性能を十分に引き出すことが出来ていない。
本論文では，まず高周波スイッチング時のインバータ損失を低減するために，インバータの寄生成分の低減を図る。そこで，スイッチング特性に特に影響を与える配線インダクタンスを低減する主回路構造について検討し，主回路の配線インダクタンスをパワーデバイス内部のインダクタンス以下にまで低減した。しかし，配線インダクタンス低減のために適用した多層積層構造によって，主回路に浮遊容量が形成され，スイッチング特性の改善効果が少ないことが問題となった。次に配線インダクタンスを低減しつつ，浮遊容量を低減する主回路構造を新たに提案し，実機検証にて本構造が浮遊容量低減に有効で，広い動作範囲にわたってスイッチング損失を低減可能であることを示す。最後に，寄生成分を低減した主回路を採用することで，高周波スイッチング下でのインバータ損失を低減し，モータ鉄損抑制効果と併せて，モータ駆動システムのシステム効率が向上することを示す。 | | In recently, motors applying high-speed operation and multi pole structures are attracted for high-power density. High-frequency switching operation of an inverter is required to drive these motors because of high-frequency fundamental current of motors. Then, higher switching frequency contribute to suppress iron loss of high-speed motors because of that’s low inductance characteristic. Therefore, improving the system efficiency of motor drive system is expected under the high-frequency switching of the inverter. However, in conventional motor drive system, higher switching frequency causes decreasing the system efficiency due to increasing the inverter switching loss. In the inverters which drive the motors, Silicon (Si) power devices have been used widely. Next-generation power semiconductor devices, such as those based on silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), have been actively researched and developed, recently. These power devices are expected to contribute to the miniaturization and high performance of power converters, because they have excellent features that enable high-speed switching, low on-resistance, and high-temperature operation. However, stray components in power converters makes switching characteristics of power devices worse. These stray components cause high surge voltage and decreasing the switching speed of power devices. In a high frequency Pulse width modulation (PWM) inverter, the switching loss is dominant. Thus, reduction of the stray components is required to improve the inverter efficiency. PCB layouts and main circuit structures have been considered to reduce stray components. Nevertheless, in the next-generation power devices, the main circuit has to be design more carefully than before because of high-speed operation of these power devices. In this thesis, first, reducing stray components in the inverter are performed to reduce the switching loss. Some of main circuit for high-frequency inverter are considered to reduce stray inductances which affect switching characteristics strongly, and the proposed structure can reduce the stray inductance in main circuit less than an inductance in a power device. However, the effect of reducing the switching loss is not enough due to stray capacitances which is formed in the main circuit. Second, we propose main circuit structure which achieves both reduction of stray capacitances and reduction of stray inductances. From experiment, proposed structure is effective to reduce stray capacitances, and a designed inverter can reduce the switching loss at wide operation area. Finally, the inverter which achieves reduction of both stray components by using proposed main circuit structure can reduce the switching loss under high-frequency switching operation. Furthermore, the inverter achieves improving the system efficiency by suppressing motor iron loss on 100,000 rpm motor drive system at the switching frequency above 40 kHz. |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第14138号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 工学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 小笠原 悟司, 教授 北 裕幸, 准教授 竹本 真紹 |
| Degree Affiliation: | 情報科学研究科（システム情報科学専攻） |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/78296 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 情報科学院(Graduate School of Information Science and Technology)
学位論文 (Theses) > 博士 （工学）
|
|
