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，我们正在研究将栅极驱动电路完全数字化的技术，以利用碳化硅（SiC）功率MOSFET，该MOSFET有望成为下一代功率半导体。即使在电路实现后，也可以使用软件来改变驱动器，考虑到工作条件和器件特性的差异，无需根据要驱动的元件和工作条件进行驱动电路的硬件设计，从而更加灵活。这导致实现高效的功率转换电路操作。为了实现这一概念，我们提出了一种应用数模转换电路的电路结构的数字有源栅极驱动器（DAGD），并正在验证其有效性。作为今年工作的一部分，我们展示了一种使用遗传算法优化 DAGD 操作的方法，该方法是我们从去年开始研究的，作为一个具有数字孪生结构的系统，可以应用于模拟和实验。经证实，通过仿真预先预测的驱动参数最优解与实验得到的最优解吻合较好。此外，我们将相同的优化系统应用于多个设备和多个操作条件，并证实了其通用性。这些结果表明，可以使用软件来处理优化驱动电路的启发式问题，以发挥 SiC 功率器件的性能。通过从微调电路参数等模拟方法切换到更改软件等数字方法，可以在不依赖电路设计人员的专业知识的情况下提高电源转换电路的性能。这些结果将作为明年研究的基础，包括开发通过跟踪操作条件的变化和设备特性的恶化来执行最佳操作的软件。