JP2007325467A - 電力変換装置の統合設計方法及びシステム並びに統合設計プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換器の統合設計において、電力変換装置を設計する上で指標となる、半導体素子損失と半導体素子過電圧とフィルタ損失と出力高調波電圧を、真性パラメータと外因性パラメータの影響に分離し、高パワー密度変換器を実現する上で最も影響を持つ外因性パラメータを媒介変数としてデータベースを構築し、目的仕様を満たすためのパラメータ選定を行うことで、電力変換器の機械的設計と熱設計の最適化を行う。この設計法により、半導体素子およびフィルタの挙動の最適化、開発初期からの仮想設計の導入により開発効率の向上と開発期間の短縮を可能にする。
【選択図】図1
Description
目的仕様を決定する処理1の工程で電力変換装置の容量定格および電圧・電流定格ならびに目標効率と目標パワー密度を決定する。
処理2の素子・主回路設計の工程で、電力変換装置の定格電圧および電流を満たす素子を選択し、導通損失を決定する半導体素子パラメータであるオン抵抗Ronを決定する。決定の方法は、(1)半導体素子のデータシートを使用、(2)測定のいずれかの方法が使われる。
処理5の工程で、前記の工程で得られた結果を用いて電力変換器の試作を行う。
処理6の工程において、処理5で試作された電力変換器の変換効率、パワー密度、半導体素子温度などの目的仕様を実験的に測定する。
判断7において、試作された電力変換器と目的仕様を比較する。目的仕様を満たしていれば工程を終了し、満たしていなければ、処理8の分析および調整パラメータの決定に移行する。
処理8の分析および調整パラメータの決定の工程において、目的仕様を満たすために調整すべきパラメータを決定する。このとき、半導体素子温度がデータシートから得られる動作許容温度を超えていれば、処理2の素子・主回路設計の工程または処理3のフィルタ設計の工程を再度実行する。また、変換器出力波形に含まれるスイッチング周波数成分の高調波が仕様を満たさなければ、処理4のフィルタ設計の工程を再度実行する。
A. Lidow, Proc. of IEEE, 89, 803(2001)
寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスによるフィルタの損失や要求される周波数特性も同様に無視できないものとなる。電力変換回路を高速・高周波化させる場合、従来はフィルタ周波数特性の設計対象とされなかった寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスによる共振周波数成分の影響が大きくなり、スイッチング周波数だけでなく共振周波数成分も除去するためのフィルタ配線構造およびフィルタ構造設計が必要となる。また、従来は設計対象とされていなかった受動フィルタの損失が変換器損失全体に占める割合が大きくなるので、半導体素子損失の設計と同様に受動フィルタ損失設計法が必要となる。
このため、寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスの影響が顕在化する高速・高周波動作条件化では、試作と再設計に膨大な時間を必要とする。また、試作と再設計を行うことで目的仕様を満たす設計方法では、変換器の最適設計を行うことはできない。
また、本発明では、電力変換器の構造設計に伴い外因性パラメータと半導体素子やフィルタが本来持っている特性を発現するための真性パラメータとの設計協調の最適化技術が提供される。さらに、この発明によれば仮想変換器設計が開発初期の段階で可能になるので開発期間の大幅短縮と開発効率の向上を実現できる。
以上のように本発明では従来の方法では実現が不可能だった多くの効果を得る事ができる。
図1の電力変換装置の設計フローチャートにおける電力変換回路構成要因の相互関係を定量化する工程2において、回路設計データベースを構築するための入力データを実験的またはシミュレーションにより取得する。処理1の変換回路決定の工程で決定された変換回路方式は、処理3の制御・ドライバ設計を行う工程と、処理4の素子・主回路設計を行う工程と、処理5のフィルタ設計を行う工程などの変換回路構成要因の設計を行う工程に分離され、各工程において設計パラメータの抽出を行う。処理6の相互関係定量化において、実験的または理論解析的に相互関係を算出し、電力変換装置設計データベース7に含まれる回路設計データベース8に入力する。
Claims (17)
- 電力変換装置構成要素を含む電力変換装置の統合設計方法において、
電力変換回路構成要因に分離する工程と、
分離された工程間の相互関係を定量化する工程と、
前記定量化されたそれぞれの相互関係に対して外因性パラメータを媒介変数とした回路設計データベースを構築する工程と、
電力変換装置設計仕様から電力変換回路構成要因の変換回路パラメータを選定する工程と、
選定された電力変換回路構成要因の変換回路パラメータを、前記回路設計データベース及び材料データベースを含むデータベースに入力する工程と、
前記回路設計データベースから電力変換装置仕様を満たす回路寄生パラメータを選定する工程と、
選定された回路寄生パラメータを満たす変換回路構造体を実現するための構造設計を行う工程と、
構造設計により得られた変換回路構造体を用いて半導体素子と受動素子を含む変換装置構成要素の温度を所定の値以下に保つための、冷却装置の体積を見積もる熱設計を行う工程と、
前記変換回路構造体と冷却装置と材料データベースから得られるその他変換装置構成要素から電力変換装置の体積を見積もる工程と、
得られた電力変換装置の体積と電力変換装置仕様で決定される電力変換装置出力電力を用いて電力変換装置の出力パワー密度を見積もる工程と、
を有することを特徴とする電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項1に記載の電力変換器の統合設計方法において、
前記電力変換回路構成要因に分離する工程は、制御設計を行う工程と、素子パラメータの設計を行う工程と、主回路設計を行う工程と、フィルタ設計を行う工程などの電力変換回路構成要因に分離する工程を有し、
分離された工程間の相互関係を定量化する工程は、分離された工程のうち2つまたは2つ以上の工程を選択し、2つ以上または2つ以上の工程間の相互関係を定量化し、
前記回路設計データベースを構築する工程は、前記定量化されたそれぞれの相互関係の様式を、主回路の回路寄生インダクタンスと回路寄生キャパシタンスなどの外因性パラメータを媒介変数として1つのデータベースに入力し、データベースに入力されたそれぞれの様式を、媒介変数である外因性パラメータを中心に整列し、回路設計データベースとして構築し、構築された設計データベースを用いて電力変換回路の設計を行う電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項2に記載の電力変換器の統合設計方法において、
前記回路設計データベースを用いて電力変換装置仕様を満たす回路寄生パラメータである寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスを選定し、構造設計において変換回路構造体を設計し、設計された変換回路構造体に対して電磁解析を行うことで、構造設計において設計された変換回路構造体の有する回路寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスを算出し、算出された寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスが指定された値を満たさず、目標が未達であれば構造設計を再度実施することを指示する工程を有する電力変換器の統合設計方法。 - 請求項3に記載の電力変換器の統合設計方法において、
指定した構造設計および変換回路電磁設計をクリアした場合に、指定した寄生パラメータを満たす変換回路構造体に対して変換回路熱設計を行い、半導体素子およびフィルタなどの変換装置構成要素の動作温度を算出し、算出された動作温度が所定の動作温度許容値になければ変換回路熱設計を再度実施することを指示する工程を有する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項4に記載の電力変換器の統合設計法において、
指定した所定の許容動作温度をクリアした場合に、この動作温度を実現する変換装置の冷却部およびフィルタ部の体積を算出し、目標値が未達であれば変換回路熱設計および体積算出を再度実施することを指示する工程を有する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項5に記載の電力変換器の統合設計法において、
冷却部とフィルタ部の指定した体積条件をクリアした場合に、得られた冷却部とフィルタ部の体積に当該変換回路を構成するその他の部品の体積を加えて、当該電力変換装置の出力電力密度を算出し、目標値が未達であれば出力電力密度の算出を再度実施することを指示する工程を有する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項2に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記回路設計データベース構築のための、素子及び主回路設計において、半導体素子の有する真性パラメータと、電気回路を実現する上で配線構造上寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスとして現れる外因性パラメータを分離して抽出し、任意の外因性パラメータに対して、目的仕様となる半導体素子損失と半導体素子過電圧をデータベース化する工程を有する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項7に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記素子及び主回路設計において、半導体素子損失算出のための真性エネルギー計算は、実験的に半導体素子の静電容量・電圧特性を測定し、その結果を使い、回路動作時に静電容量に蓄積されるエネルギーを算出し、その蓄積エネルギーの充放電により生じる真性エネルギーを実験的に算出する電力変換装置の統合設計方方法。 - 請求項7に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記素子及び主回路設計において、半導体素子損失算出のための外因性エネルギー計算は、実験的に半導体素子損失を決定する外因性パラメータと半導体素子損失の関係を測定し、得られた実験的関係を近似式で記述し、その実験近似式を用いて外因性エネルギーを計算する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項7に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記素子及び主回路設計において、半導体素子損失算出のための真性エネルギー計算は、半導体素子シミュレータを用いて半導体素子損失を決定する真性パラメータと半導体素子損失の関係を測定し、半導体素子シミュレータから得られたパラメータを実験近似式に適用し、その実験近似式を用いて真性エネルギーを計算する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項7に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記素子及び主回路設計において、半導体素子損失算出のための外因性エネルギー計算は、半導体素子シミュレータを用いて半導体素子損失を決定する外因性パラメータと半導体素子損失の関係を測定し、半導体素子シミュレータから得られたパラメータを実験近似式に適用し、その実験近似式を用いて外因性エネルギーを計算する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項7に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記素子及び主回路設計において、半導体素子損失算出のための真性エネルギー計算と外因性エネルギー計算は、理論計算により求めた真性損失算出式と外因性損失算出式を使い、真性エネルギーと外因性エネルギーを計算する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項2に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記回路設計データベースの構築は、前記素子及び主回路設計パラメータと制御及びドライバ設計パラメータの相互関係定量化を行う工程が、制御及びドライバ設計におけるスイッチング周波数を決定する工程と、スイッチング速度を決定する工程と、スイッチングパターンを決定する工程を有し、
前記素子及び主回路設計は、半導体素子を記述する真性パラメータと、配線構造に寄生する外因性パラメータを分離および決定する工程を有し、実験的あるいは理論的に半導体素子損失および半導体素子過電圧を算出し、設計データベースに入力する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項2に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記素子及び主回路設計パラメータとフィルタ設計パラメータの相互関係定量化を行う工程が、半導体素子を記述する真性パラメータと、配線構造に寄生する外因性パラメータを分離および決定する工程を有し、
フィルタ設計において磁性体特性を記述する真性パラメータと、配線構造に起因する寄生パラメータを分離および決定する工程を有し、実験的あるいは理論的に半導体素子過電圧およびフィルタ周波数特性を算出し、変換器出力高調波を算出し、設計データベースに入力する電力変換装置の統合設計方法。 - 請求項2に記載の電力変換装置の統合設計方法において、
前記の制御及びドライブ設計パラメータとフィルタ設計パラメータの相互関係定量化を行う工程が、制御及びドライバ設計におけるスイッチング周波数を決定する工程と、スイッチング速度を決定する工程と、スイッチングパターンを決定する工程を有し、
フィルタ設計において磁性体の材料特性を記述する真性パラメータと、配線構造に起因する外因性パラメータを分離および決定する工程を有して、フィルタ損失を実験的あるいは理論的に算出し、設計データベースに入力する電力変換装置の統合設計方法。 - 電力変換装置構成要素を含む電力変換装置の統合設計システムにおいて、
電力変換回路構成要因に分離する手段と、
分離された工程間の相互関係を定量化する手段と、
前記定量化されたそれぞれの相互関係に対して外因性パラメータを媒介変数とした回路設計データベースを構築する手段と、
電力変換装置設計仕様から電力変換回路構成要因の変換回路パラメータを選定する手段と、
選定された電力変換回路構成要因の変換回路パラメータを、前記回路設計データベース及び材料データベースを含むデータベースに入力する手段と、
前記回路設計データベースから電力変換装置仕様を満たす回路寄生パラメータを選定する手段と、
選定された回路寄生パラメータを満たす変換回路構造体を実現するための構造設計を行う手段と、
構造設計により得られた変換回路構造体を用いて半導体素子と受動素子を含む変換装置構成要素の温度を所定の値以下に保つための、冷却装置の体積を見積もる熱設計を行う手段と、
前記変換回路構造体と冷却装置と材料データベースから得られるその他変換装置構成要素から電力変換装置の体積を見積もる手段と、
得られた電力変換装置の体積と電力変換装置仕様で決定される電力変換装置出力電力を用いて電力変換装置の出力パワー密度を見積もる手段と、
を有することを特徴とする電力変換装置の統合設計システム。 - 電力変換装置構成要素を含む電力変換装置の統合設計プログラムにおいて、
電力変換回路構成要因に分離する手順と、
分離された工程間の相互関係を定量化する手順と、
前記定量化されたそれぞれの相互関係に対して外因性パラメータを媒介変数とした回路設計データベースを構築する手順と、
電力変換装置設計仕様から電力変換回路構成要因の変換回路パラメータを選定する手順と、
選定された電力変換回路構成要因の変換回路パラメータを、前記回路設計データベース及び材料データベースを含むデータベースに入力する手順と、
前記回路設計データベースから電力変換装置仕様を満たす回路寄生パラメータを選定する手順と、
選定された回路寄生パラメータを満たす変換回路構造体を実現するための構造設計を行う手順と、
構造設計により得られた変換回路構造体を用いて半導体素子と受動素子を含む変換装置構成要素の温度を所定の値以下に保つための、冷却装置の体積を見積もる熱設計を行う手順と、
前記変換回路構造体と冷却装置と材料データベースから得られるその他変換装置構成要素から電力変換装置の体積を見積もる手順と、
得られた電力変換装置の体積と電力変換装置仕様で決定される電力変換装置出力電力を用いて電力変換装置の出力パワー密度を見積もる手順と、
から成る各手順を実行する電力変換装置の統合設計プログラム。
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