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成果報告書詳細
管理番号20170000000564
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 SiC/GaNパワーデバイスMHz帯スイッチングDCーDCコンバータの先導研究
公開日2018/3/8
報告書年度2015 - 2016
委託先名国立大学法人信州大学 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P10022
部署名IoT推進部
和文要約平成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,SiC/GaNパワーデバイスMHz帯スイッチングDC‐DCコンバータの先導研究
 
本事業では,微細カルボニル鉄粉(CIP)および鉄系アモルファス(Fe-AMO)合金粉と耐熱エポキシ樹脂からなる鉄系メタルコンポジット鉄心の開発と,小型軽量(主回路電力密度10W/cm3)と高効率(主回路効率95%)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ための基盤技術開発を行った.
(1) 金属磁性粉末/エポキシ前駆体混合スラリを鋳型に流し込んで硬化させるキャスティング法鉄心作製技術を開発した.
(2) コンポジット鉄心の体積抵抗率の増大を目的にTEOS加水分解による金属磁性粉末表面へのシリカ形成と金属磁性粉末表面の熱酸化皮膜形成法を確立した.300℃の大気中熱酸化によってFe-AMO粉末表面をFe-Si-Oガラス層に改質することでコンポジット鉄心の体積抵抗率を1 MΩ・m近くまで高くできることを示した.
(3) 磁性粉の球形状がそのまま維持されるキャスティング法コンポジット鉄心は密度が低く,2.56μmのFe-AMO粉を用いた場合の比透磁率は10程度であるが,MHz帯鉄心材料のベンチマークであるNi-Znフェライトに比べてMHz帯鉄損を1/6以下に低減できることが示された.また,常温から200℃の広い温度範囲で鉄心特性が一定であることを明らかにした.
(4) リアクトル/トランスを試作しコンバータに適用評価した.例えば,Fe-AMO粉末/エポキシコンポジット鉄心トランスを採用した48V入力ー24V出力GaNパワーデバイスMHzスイッチングLLC共振コンバータでは,24Wー定格120Wの出力範囲で90%を超える主回路効率と6.4W/cm3の主回路電力密度を達成した.試作コンバータはベンチマークであるNi-Znフェライトトランスを用いた場合よりも4ー5%高い効率が得られ,2次側をGaN-FET同期整流方式に変更することで主回路効率95%を達成できる見通しが得られた.
 追加実施項目として,鉄系メタルコンポジット鉄心リアクトル/トランスのコンバータ実装状態での磁化特性の評価,電力変換器に適用し磁性部品としての特性の検討を行った.
LLC共振コンバータ動作時におけるトランスの磁化特性評価として3巻線法を開発した.すなわち,一次巻線で鉄心を磁化し,二次巻線から磁化エネルギーを取り出すような一次巻線と二次巻線の両方に電流が流れるコンバータ動作では,通常の1巻線および2巻線の磁化特性評価は適用できないことから,3次巻線を新たに設置し,一次巻線と二次巻線を分割して電流計測を行うことでトランス動作での磁化特性の評価を可能にした.
CIP粉末/エポキシコンポジット鉄心は透磁率が低く,フェライト,センダスト,リカロイと同じ数百kHzでリアクトルに適用した場合,巻線数が多くなり銅損が大きくなるが,高周波でも鉄損の増加が少なく,100kHz動作コンバータとほぼ同じ損失を5MHz動作で実現した.LLC共振型コンバータのトランスに鉄系メタルコンポジット鉄心を適用して損失を分解評価した結果,数百kHz動作では必要なインダクタンスを得るための巻線数が多くなり銅損が大きくなるため,MHz帯低鉄損の特徴を活かした数MHz以上の高周波数動作が有効であることを示した.Fe-AMO粉末/エポキシコンポジット鉄心を用い,5MHzでコンバータを動作させた場合は,リカロイに比べて顕著に効率が改善され,さらに平角銅箔線を巻線に用いることで銅損を低減し効率を1%以上向上させた.
英文要約Title;Research and development of SiC/GaN power device MHz switching DC-DC converter

This project aimed to realize a SiC/GaN power device MHz switching DC-DC converter with an efficiency of 95% and power density of 10W/cm3 by means of iron-based metal composite magnetic core reactor/transformer with a litz magnetoplated winding. The iron-based metal composite magnetic core was consisted of fine carbonyl-iron powder (CIP) and/or fine Fe-based amorphous powder (Fe-AMO) and heat-resistant epoxy resin. The obtained results are shown as follows.
(1) The casting method using composite slurry consisting of the CIP and/or Fe-AMO powder and epoxy precursor solution was newly developed for composite magnetic core fabrication.
(2) To increase a volume resistivity of the composite magnetic core, a silica thin film deposition (TEOS hydrolysis) on the powder-surface and surface-oxidization of the powder by annealing in air were realized. The surface-oxidized Fe-AMO powder annealed in air at 300℃ had a thin Fe-Si-O glass film surface layer, and the Fe-AMO based composite magnetic core exhibited an extremely high volume resistivity near 1MΩ・m.
(3) Although the composite magnetic core with 2.56μm size surface-oxidized Fe-AMO powder exhibited a low relative permeability of 10 because of its low density (weight/volume) due to the casting method.
However, its MHz band core loss was one sixth smaller than that of the benchmark Ni-Zn ferrite core, and the temperature independent magnetic property was confirmed from room temperature to 200℃.
(4) The iron-based composite magnetic core reactor and transformer were developed and applied to MHz switching DC-DC converters. For example, a 48V/24V GaN power device MHz switching LLC resonant converter with a Fe-AMO powder/epoxy composite magnetic core transformer had high efficiency over 90% in the output power of 24 to 120 W and a power density of 6.4 W/cm3 at 120 W output condition. The converter exhibited 4 to 5% higher efficiency than that of same converter using the benchmark Ni- Zn ferrite core transformer, and it was considered that the 95% efficiency would be achieved by introducing the GaN-FET synchronous rectifying scheme.
Additional important investigations were as follows.
A novel core loss estimation method for transformer operating in the LLC resonant DC-DC converter was developed, where third winding for measuring the magnetic flux density was introduced, and the both primary winding current and secondary winding current were measured for getting magnetizing current. When the low permeability CIP/epoxy composite magnetic core reactor was applied to DC-DC converter, the copper loss was larger than those of ferrite, sendust and requalloy-dust core reactor owing to the large number of winding turn, but the MHz band core loss was much smaller than those of three competitive cores, consequently the power loss of the 5 MHz switching DC-DC converter using CIP composite core reactor was nearly same as 100 kHz switching converter.
It was considered that the low permeability composite core transformer would be suitable for LLC resonant converter, for example, 5 MHz switching DC-DC converter using a Fe-AMO composite core leakage transformer exhibited remarkably higher conversion efficiency than that of converter using requalloy dust core transformer. By introduction of the rectangular cross-section conductor to the winding of the composite core transformer, the conversion efficiency was increased by 1%.
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