Development of Digital Active Gate Drive System for SiC MOSFETs toward Integration of Power Conversion Circuits

面向功率转换电路集成化的 SiC MOSFET 数字有源栅极驱动系统的开发

基本信息

批准号：
22KJ1702
负责人：
高山創
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，次世代パワー半導体として期待されている炭化ケイ素 (SiC) パワーMOSFETの活用のため，ゲートドライブ回路をフルデジタル化する技術を検討している．回路実装後においても，動作条件やデバイス特性の差異を考慮してその駆動をソフトウェアにより変更することができるため，駆動する素子や動作条件に応じた駆動回路のハードウェア設計が不要となり，より柔軟な電力変換回路動作の実現につながる．そのようなコンセプトの実現に向け，デジタル・アナログ変換回路の回路構造を応用したデジタルアクティブゲートドライバ（DAGD）を提案し，その有効性を検証している．今年度の取り組みとして，前年度から検討を進めていた遺伝的アルゴリズムによるDAGDの動作の最適化手法を，シミュレーションと実験の双方で適用可能なデジタルツイン構造を持つシステムとして実証した．シミュレーションによってあらかじめ予測された駆動パラメータの最適解と，実験において得られた最適解が良く一致することを確認した．さらに，複数の素子および複数の動作条件下で同最適化システムを適用し，その汎用性を確認した．これらの成果によって，SiCパワー素子の性能を引き出すための駆動回路の最適化というヒューリスティクスな課題に対して，ソフトウェアによる対応が可能であることを実証した．回路パラメータの微調整のようなアナログ的手法からソフトウェアの変更というデジタルな手法への転換により，回路設計者のノウハウに頼らない電力変換回路の性能向上が可能となる．この結果は，動作条件の変更や素子の特性の劣化等に追従して最適動作を行うようなソフトウェアの開発など，次年度の検討の土台となるものである．

在这项研究中，我们正在考虑一项完全数字化栅极驱动电路的技术，以利用碳化硅（SIC）功率MOSFET，这预计将是下一代功率半导体。即使在电路安装后，也可以通过软件考虑操作条件和设备特性的差异来更改驱动器，这使得根据要驱动或操作条件的元素设计驱动电路硬件，从而实现了更灵活的电源转换电路操作。为了实现这一概念，我们提出了一个数字活动栅极驱动器（DAGD），该驱动器（DAGD）应用了数字到安纳哥转换器电路的电路结构，并验证其有效性。作为今年倡议的一部分，我们已经证明了使用遗传算法运行DAGD的优化方法，这是自上一年以来一直在考虑的，作为具有数字双胞胎结构的系统，可以在模拟和实验中应用。据证实，通过模拟预测的驱动参数的最佳解和实验中获得的最佳解决方案是很好的一致性。此外，在多个元素和多个工作条件下应用了优化系统，并确认了其多功能性。这些结果表明，软件可用于应对优化驱动电路的启发式挑战，以提出SIC功率元素的性能。通过从模拟方法（例如微调电路参数）转移到更改软件之类的数字方法，可以提高不依赖电路设计师的专业知识的功率转换电路的性能。该结果将作为明年考虑的基础，包括开发根据操作条件的变化和设备特性恶化执行最佳操作的软件。