集積化マルチレベルインバータの開発

平成27年度においては，回路内で電圧を保持するフライングキャパシタの小型化のため，スイッチングの高周波化について検討を行った。他方，マルチレベルインバータのさらなる高パワー密度化が可能になれば，同サイズでこれまで以上に出力レベル数を増やすことも可能になり，電磁ノイズや高調波，電流リプルをさらに低減することができる。これにより，モータ等の負荷の制御性能を向上できる可能性があり，その点についても検討を行った。得られた成果は以下の通りである。（１）原理的に高速なスイッチングが可能なGaN-HEMTをマルチレベルインバータの主スイッチ素子として適用し，高周波化の検討を行った。試作した3レベルインバータを用いて，600V耐圧のSi SJ-MOSFETと同等定格のGaN-HEMTを比較したところ，SJ-MOSFETを用いたマルチレベルインバータは，スイッチング周波数を高くするほど効率が顕著に低下してしまうのに対し，GaN-HEMTを用いたマルチレベルインバータは，高周波化に対する効率の低下率をSJ-MOSFETの場合の1/5程度に低減できることを確認した。すなわち，GaN-HEMTを用いた場合には，変換器効率をSJ-MOSFETの場合と同水準に保ちながらスイッチング周波数を5倍程度に高くすることができ、キャパシタのサイズを1/5程度に小型化できることを実験的に明らかにした。（２）マルチレベルインバータ適用による負荷の制御性能向上の検討として，ロボット制御等に用いられるモーションコントロールシステムに2レベルインバータおよびマルチレベルインバータを適用し，制御性能の比較を行った。実験の結果，力制御時において，マルチレベルインバータを用いた場合の方が，振動的になることなく制御ゲインを高く設定することができることを実験的に明らかにした。本成果について国際会議IECON2015で発表を行った。

平成27年度においては，回路内で電圧を保持するフライングキャパシタの小型化のため，スイッチングの高周波化について検討を行った。他方，マルチレベルインバータのさらなる高パワー密度化が可能になれば，同サイズでこれまで以上に出力レベル数を増やすことも可能になり，電磁ノイズや高調波，電流リプルをさらに低減することができる。これにより，モータ等の負荷の制御性能を向上できる可能性があり，その点についても検討を行った。得られた成果は以下の通りである。（１）原理的に高速なスイッチングが可能なGaN-HEMTをマルチレベルインバータの主スイッチ素子として適用し，高周波化の検討を行った。試作した3レベルインバータを用いて，600V耐圧のSi SJ-MOSFETと同等定格のGaN-HEMTを比較したところ，SJ-MOSFETを用いたマルチレベルインバータは，スイッチング周波数を高くするほど効率が顕著に低下してしまうのに対し，GaN-HEMTを用いたマルチレベルインバータは，高周波化に対する効率の低下率をSJ-MOSFETの場合の1/5程度に低減できることを確認した。すなわち，GaN-HEMTを用いた場合には，変換器効率をSJ-MOSFETの場合と同水準に保ちながらスイッチング周波数を5倍程度に高くすることができ、キャパシタのサイズを1/5程度に小型化できることを実験的に明らかにした。（２）マルチレベルインバータ適用による負荷の制御性能向上の検討として，ロボット制御等に用いられるモーションコントロールシステムに2レベルインバータおよびマルチレベルインバータを適用し，制御性能の比較を行った。実験の結果，力制御時において，マルチレベルインバータを用いた場合の方が，振動的になることなく制御ゲインを高く設定することができることを実験的に明らかにした。本成果について国際会議IECON2015で発表を行った。