新しい電力コンバータ設計により、以前よりも低いコストとメンテナンスではるかに高い効率が実現します。神戸大学が開発した直流昇圧コンバータは、発電、ヘルスケア、モビリティ、情報技術にわたる電気・電子部品のさらなる発展に大きく貢献することが期待されています。

太陽光、振動、または電力からエネルギーを収集するデバイス医療機器水素燃料自動車には、共通する重要なコンポーネントが 1 つあります。このいわゆる「昇圧コンバータ」は、低電圧直流入力を高電圧直流出力に変換します。これは遍在する重要なコンポーネントであるため、メンテナンスとコストを削減するために使用する部品をできる限り少なくし、同時に電磁ノイズや熱を発生させずに可能な限り最高の効率で動作することが望ましいです。

ブースト コンバータの主な動作原理は、回路内の 2 つの状態 (エネルギーを蓄積する状態とエネルギーを放出する状態) の間を迅速に切り替えることです。スイッチング速度が速いほど部品を小さくできるため、装置全体の小型化が可能になります。ただし、これにより電磁ノイズと発熱も増加し、電力コンバータの性能が低下します。

研究者の三島友一氏が率いる神戸大学パワーエレクトロニクスのチームは、新しい直流電力変換回路の開発で大きな進歩を遂げた。彼らはなんとか組み合わせることができた高周波電磁ノイズや電磁波による電力損失を低減する技術により、スイッチング速度（従来比約10倍）を実現熱放散これは「ソフト スイッチング」と呼ばれ、コンポーネントの数も削減されるため、コストと複雑さが低く抑えられます。

「回路が 2 つの状態の間で変化するとき、スイッチが完全に閉じていない短い期間があり、その時点でスイッチの両端に電圧と電流の両方が発生します。これは、この間、スイッチが抵抗のように機能することを意味します」スイッチの状態が変化する頻度が高くなるほど、この放散も多くなります。ソフト スイッチングは、スイッチの遷移がゼロ電圧で発生することを保証し、熱損失を最小限に抑える技術です」と三島博士は説明します。

従来、これは移行期間中に代替エネルギーシンクを提供する「スナバー」コンポーネントによって実現されてきましたが、これはその後エネルギー損失につながります。

神戸大学チーム提示された彼らの新しい回路設計とその評価が雑誌に掲載されましたパワーエレクトロニクスに関するIEEEトランザクション。それらの達成の鍵は、スイッチング期間中にエネルギーを蓄積できるため、損失がはるかに低い「共振タンク」回路の使用です。

さらに、「平面トランス」と呼ばれる平面部品を回路基板上にプリントした部品節約設計を採用しており、非常にコンパクトで効率と熱性能が優れています。

三島氏らはまた、回路のプロトタイプを構築し、その性能を測定した。「当社のスナバレス設計により、大幅なコスト削減が可能であることを確認しました。電磁ノイズまた、最大 91.3% という高いエネルギー効率を実現します。これは、高い電圧変換率を備えた MHz 駆動としては前例のないものです。この比率も既存の設計よりも 1.5​​ 倍以上高いです。」しかし、彼らは使用する磁気コンポーネントの電力損失を削減することで効率をさらに向上させたいと考えています。

電気機器が社会に普及していることを考えると、電圧倍率の高い直流電源の高効率・低ノイズ化は極めて重要です。

この神戸大学の開発は、電力、再生可能エネルギー、交通、情報通信、医療などの分野への応用に大きく関わるものと考えられます。三島氏は「現在開発しているのは100Wクラスの小容量の試作機だが、将来的には電子基板などの改良により、より大きなkWクラスへの電源容量の拡大を目指す」と今後の計画を説明する。

この研究は国立中興大学の研究者と共同で実施されました。

詳細情報:三島友和ほか、MHz 駆動スナバレス ソフトスイッチング電流供給型多重共振 DC-DC コンバータ、パワーエレクトロニクスに関するIEEEトランザクション（2024年）。DOI: 10.1109/TPEL.2024.3380069