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成果報告書詳細
管理番号20170000000555
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト 次世代パワーエレクトロニクス応用システム開発の先導研究 多様な電力融通システムを実現するSiC・GaNパワーデバイスを用いたY字電力ルータ基本セルの研究開発
公開日2017/7/25
報告書年度2015 - 2016
委託先名国立大学法人京都工芸繊維大学 公立大学法人首都大学東京
プロジェクト番号P10022
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト/次世代パワーエレクトロニクス応用システム開発の先導研究/多様な電力融通システムを実現するSiC・GaNパワーデバイスを用いたY字電力ルータ基本セルの研究開発

 半導体パワー素子の高性能化、蓄電池の高エネルギー密度化と低コスト化、及び電力網と情報通信網を緊密に融合したサイバーフィジカルシステム(Cyber Physical System: CPS)化が進展している。こうした背景を踏まえて、SiCやGaN等の材料で構成される高性能パワー素子を用いて、電力のフローパターンを自在に制御できる3ポート電力ルータの構成法と制御法に関する研究開発を進めた。
 3ポート電力ルータは3ユニットで構成されており、コアユニットの3ポート絶縁型DC/DC変換器、そのポートに接続するAC/DC変換器ユニット、及びそれらを制御す制御ユニットより構成される。3ポート絶縁型DC/DC変換器は3巻線の変圧器を介してパワー素子よりなるDual Active Bridge (DAB)セルが相互接続されている。コアユニットの3ポート絶縁型DC/DC変換器はDABを構成するパワー素子のゲート駆動信号の位相を制御することにより、3ポート間のDC電力フローの向きと大きさを制御する。そのポートにAC/DC変換器ユニットを接続すると、そのポートはAC電力を扱うことが出来る。従って、3ポート電力ルータは以下の3つの機能を有する。
1.3ポートには直流、交流を問わず、電源、負荷、及び蓄電要素を接続可能、2.3ポート間で任意の方向と大きさで電力フロー制御が可能、3.交流電力を扱う場合は力率制御(位相制御)、及び周波数制御(変換)が可能となる。
 3ポート絶縁型DC/DC変換器は3巻線変圧器、3つの外付けインダクタ(Le1 Le2 Le3)及び、3つのDABセルより構成される。ポート1のDABセルを構成するパワー素子のゲート駆動信号に対するポート2のゲート駆動信号の位相差をδ2、ポート3のゲート駆動信号の位相差δ3とする。これらのポート間の位相差を制御することにより、各ポート間の電力フローの向きと大きさを制御する。SiCパワー素子を用いた3ポート絶縁型DC/DC変換器を試作した。 主な仕様はDC 400 V、電力容量 10 kW、及びSiCパワー素子のスイッチング周波数は20 kHzである。
 将来の電力ネットワークへの実装の観点からは、外付けインダクタ値(Le)のバラツキや、電力ルータ内での電力損失、その他外乱の影響を受けず、正確に伝送電力を制御するためには3ポート電力ルータのフィードバック制御系が必要になる。そこで、積分制御方式のプログラムを開発して、プロトタイプの3ポート絶縁型DC/DC変換器に実装して電力フロー制御実験を行った。積分時定数(Ti)を15 msに設定して、制御指令値をI2* = 2.5 A、I3* = 2.5 AからI2* = 12.5 A、 I3* = 12.5 Aにステップ変化させた時、及び 電流の応答を示している。制御指令値をI2* = 2.5 A、 I3* = 2.5 AからI2* = 12.5 A、 I3* = 2.5 Aにステップ変化させた時の電流の応答を観測した。その結果、実験では概ね設定時定数で安定に制御指令値に変化することを確認した。
 GaNパワー素子を用いて試作したY字電力ルータを試作した。実験に用いたGaNパワー素子はPanasonic社の素子(PGA26E08BA:600V,15A)を使用しており, 電圧定格が600 V, ドレイン電流定格が15 Aである。 Y字電力ルータのゲート信号は,FPGAから各素子に送る。実験装置の定格は, 入力直流電圧200 V, スイッチング周波数100 kHz,一次側からの伝送電力500 Wとした。位相差を15度と30度と設定した場合の各部の電圧電流波形を観測し、GaNパワーデバイスを用いたY字電力ルータの正常動作を確認した。
英文要約Title : Research and Development on Y-configuration Power Router as A Unit Cell Consisting of SiC and GaN Power Devices to Construct Various Power Delivery Systems

The configuration of a three-port power router is shown in Figure 1.
It is composed of three units: (1) a three-port insulated DC/DC-converter (core unit), (2) an AC/DC converter connected to each port, and (3) a control unit to control units (1) and (2). The three-port insulated DC/DC-converter is interconnected with a dual-active-bridge (DAB) cell through a three-winding transformer. By controlling the phase of the gate-drive signal of the power device composing the DAB, the core unit controls the magnitude and direction of the DC power flow between the three ports.
The converter is composed of three DAB cells with three externally attached inductors.
The phase difference between the gate drive signal of port 2 and the gate drive signal of the power device composing the DAB cell of port 1 is given as δ 2 , and the phase difference between the gate-drive signal of port 3 is given as δ 3. Controlling the phase differences between the ports makes it possible to control the direction and size of the power flow between each port. We made the external appearance of a prototype three-port insulated DC/DC converter using a SiC power device. The upper part of the converter unit houses a control board using a microprocessor. Its main specification is as follows: rated voltage:DC 400 V; rated power capacity: 10 kW; switching frequency of SiC power semiconductor: 20 kHz.
It is necessary to configure a “non-interactive control scheme” that can independently control transmitted power of each port. A block diagram of the experimentally investigated non-interactive control scheme by current feedback. A program for a distributed control system was developed and installed in a prototype three-port insulated DC/DC converter, and an experiment on controlling power flow with this converter and program was performed.
Integration time constant (Ti) was set to 15 ms. The current response when control command values I2* = 2.5 A and I3* = 2.5 A were increased in steps to I2* = 12.5 A and I3* = 12.5 A was observed. This result confirmes that the current steadily changes to the control command value within the approximate set time constant. The current response when control command value I2* = 2.5 A was increased in steps to I2* = 12.5 A but I3* = 2.5 A was kept constant was also observed. In that case, only the current flowing from port 2 changes; in other words, non-interacting control (namely, current from port 3 does no change) was successfully demonstrated.
The prototype of TAB converter based on triple active cells using three-winding transformer, external inductor and 100 kHz GaN power device is constructed. This circuit is expected to be utilized for regenerative of a low-voltage DC distribution system and applications such as storage battery and renewable energy system. This converter is applying 200 V DC voltage for conditions of 500W in this laboratory prototype. The TAB converter using GaN power device is suitable for low-voltage power flow control.
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