研究 | Ravindu Bandara

私の現在の研究は、最新のワイドバンドギャップ（WBG）パワーデバイスを用いた高周波電力変換システムに対して、柔軟かつ高精度な変調・制御を実現するFPGAベースのプラットフォーム開発に重点を置いています。

GaN HEMTやSiC MOSFETは高速スイッチングに適していますが、その性能を十分に活用するためには、ゲート信号、デッドタイム、デバイス間のタイミング、および変調方式を高い時間精度で制御する必要があります。

FPGA変調・制御プラットフォーム

Xilinx Artix-7 FPGAを搭載したDigilent Basys 3を用いて、パワーエレクトロニクス実験向けの再構成可能なデジタル制御プラットフォームを開発しています。

現在のシステムは、4チャネルの同期ゲート信号、PWM周期、スイッチングタイミング、およびデッドタイムをデジタルで設定できます。AXI4-Liteレジスタ構成とUARTベースのホストインターフェースにより、FPGAロジックを再コンパイルせずに実験パラメータを変更できます。

この構成により、異なるパワーデバイス、スイッチング周波数、変調方式、およびタイミング条件を効率的に比較・評価できる研究プラットフォームを目指しています。

研究対象として、GaN HEMTおよびSiC MOSFETなどのWBGパワーデバイスを用いた高周波電力変換システムを扱っています。

WBGデバイスは高速スイッチングによる高周波化、小型化、高効率化の可能性を持つ一方、スイッチング損失、寄生要素、ゲート駆動、デッドタイム、磁気部品の高周波損失などを慎重に評価する必要があります。

本研究では、既存のGaN-SiC実験用パワーハードウェアを評価環境として活用し、FPGAによる変調・タイミング制御と実際のコンバータ動作との関係を実験的に検討しています。完全なハイブリッドスイッチングハードウェアを私が独自に開発したものではありません。

FPGAプラットフォームの動作検証として、降圧コンバータを用いた実験を行っています。これまで100 kHzから500 kHzの範囲でスイッチング動作を評価し、FPGAのゲート信号、スイッチノード電圧、インダクタ電流などの波形を測定しました。

また、スイッチング周波数の増加に伴ってコンバータ効率が低下する傾向を確認し、デッドタイム、ゲート信号の伝搬遅延、および実際のデバイススイッチングタイミングの関係についても検討しています。個々の損失要因を特定するには、さらなる測定が必要です。

現在は、FPGAプラットフォームを固定デューティのPWM制御から、より汎用的な変調・コンバータ制御へ拡張しています。

主な開発項目は以下のとおりです。

実験済みの固定PWMから、現在取り組んでいるSPWMとインバータ制御、そして今後の研究課題である閉ループ制御を明確に区別しています。