磁気結合を利用した電力変換器の高電力密度化に関する研究

利用磁耦合提高功率变换器功率密度的研究

• 批准号: 14J11003
• 负责人: 今岡 淳
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Kyushu University (2015)Shimane University (2014)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J11003/
• 关键词: 結合インダクタ; 統合磁気デバイス; 高電力密度; 高密度実装; インターリーブ; 磁気結合; コア構造; 巻線構造

本研究は車載用などの移動体に搭載される電力変換器を小型軽量化・高電力密度化することを目的としている。その方法としては, 多相インターリーブ方式に磁気結合技術を適用することで変換器内で主要な体積を占めるキャパシタやインダクタの双方の体格低減を図る。特に,磁性部品は高価なレアメタルやベースメタルを基本とした金属資源からなる受動素子であるが、今後新興国をはじめとする経済発展にともなってこれら電子機器などで使用される金属資源の価格も上昇している予測が立てられている。こうした背景に対して, 磁性材料の性能向上に期待するだけではなく, 回路の小型化に適した回路方式に対して磁気設計の視点から小型化を実現することが狙いである。本年度は, 電力変換器の小型軽量化に有効な結合インダクタの結合係数が飽和する問題に対して、電磁シールドを用いたアプローチを考案した。汎用のフェライトコア(EE型, EI型)で結合インダクタを構成した場合で従来の抱えていた問題としては, 結合インダクタの巻線が三脚コアの外側脚に配置されるような構造となるため漏れ磁束が外側脚に偏在し, 結合係数を高めることができないこと, 漏れ磁束が半導体駆動信号等に影響をあたることが懸念されており, 高密度化実装に対するハードルとなっていた。これに対して, 各相の巻線を覆いかぶさるように短絡巻線を用いて漏れ磁束を打ち消す方法を提案した。この内容に関しては, IEEJ Journal of Industry Applicationsに速報として研究開発レターを提出し, 採録に至っている。今後はこの手法等をSiCやGaNといった次世代パワー半導体デバイスを活用した高周波スイッチングへのノイズ問題に応用を進め, 電磁環境にやさしい電力変換技術にも発展させていきたいと考えている。また, この研究課題を通して確立した磁気設計技術のベースを取りまとめて博士論文を執筆した。

这项研究的目的是使安装在车辆和其他移动物体上的功率转换器变得更小、更轻、功率密度更高。该方法是通过将磁耦合技术应用于多相交错方法来减小占据变换器内主要体积的电容器和电感器的尺寸。特别是，磁性部件是由昂贵的稀有金属和贱金属等金属资源制成的无源元件，但随着新兴国家和其他国家的经济发展，预计这些电子设备中使用的金属资源的价格将会上涨。它正在上升。在此背景下，其目的不仅是提高磁性材料的性能，而且从适合电路小型化的电路系统的磁性设计的角度出发，实现小型化。今年，我们设计了一种利用电磁屏蔽的方法来解决耦合电感耦合系数饱和的问题，可有效减小功率转换器的尺寸和重量。传统上，当耦合电感器配置有通用铁氧体磁芯(EE型、EI型)时，由于耦合电感器的绕组放置在三脚磁芯的外脚上，因此存在漏电问题。磁通量在外脚中分布不均匀，无法提高耦合系数，漏磁通量会影响半导体驱动信号等，这些都是高密度封装的障碍。为了解决这个问题，我们提出了一种通过使用与每相绕组重叠的短路绕组来消除漏磁通的方法。关于这个主题，我们向 IEEJ Journal of Industry Applications 提交了一份研究和开发信作为初步报告，该信函已被接受出版。未来，我们希望将这种方法应用于使用SiC和GaN等下一代功率半导体器件的高频开关中的噪声问题，并开发对电磁环境友好的功率转换技术。此外，我还写了一篇博士论文，总结了通过该研究项目建立的磁性设计技术的基础。

项目成果

Feasible Evaluations of Coupled Multilayer Chip Inductor for POL Converter

POL转换器耦合多层片式电感器的可行性评估

• 发表时间: 2014
• 作者: Jun Imaoka; Shota Kimura; Yuki Itoh; Masayoshi Yamamoto; Michiaki Suzuki;Kenji Kawano
• 通讯作者: Kenji Kawano

Feasible Evaluations of Coupled Multilayer Chip Inductor for POL Converters

POL 转换器耦合多层片式电感器的可行性评估

• 发表时间: 2015
• 影响因子: 1.7
• 作者: Jun Imaoka; Shota Kimura; Yuki Itoh; Wilmar Martinez; Masayoshi Yamamoto; Michiaki Suzuki;Kenji Kawano
• 通讯作者: Kenji Kawano

Coupling Coefficient Improvement and Electromagnetic Induced Noise Reduction using Short-Circuited Winding for Loosely Coupled Inductor

利用松耦合电感的短路绕组提高耦合系数并降低电磁感应噪声

• DOI: 10.1541/ieejjia.5.174
• 发表时间: 2016
• 影响因子: 1.7
• 作者: Jun Imaoka; Wilmar Martinez; Masayoshi Yamamoto
• 通讯作者: Masayoshi Yamamoto