工学部通信工学科高周波通信デバイス研究室平面電磁界解析シミュレータを用いた３次元構造インバータの解析尾形拓也（指導教員：田中愼一）小型で高出力な非接触給電に適したMHz帯インバータを実現する上でリンギング現象の抑制が重要課題の一つで、その対策としては垂直なボードを有するインバータ構造も提案されている。本研究では、このような３次元構造のインバータの解析にあたり、シミュレーションの時間・コストの節減のためにマイクロ波回路設計用の平面電磁界シミュレータで解析する手法を検討した。解析結果背景インバータでリンギングが発生すると瞬時最大電圧がFETを破壊する可能性がある。リンギングの主要因はインバータ内の電流ループに沿う寄生インダクタンス(Ltotal )が無視できずループの直列共振周波数(=リンギング周波数)が下がることである。そこで対策として、FET近傍に垂直ボードを設ける方法が提案されている[1]。このような構造は３次元であるが、波長が十分に長ければ2次元平面回路電磁界シミュレータでも対応可能だが、例えば垂直ボードの効果を扱うためには特別な工夫が必要となる。バイパスボード付 Half Bridge型インバータ垂直バイパスボードとFETモジュールを上下異なるレイヤーのメタルで模擬したため、上下レイヤーをつなぐビアにインダクタンス成分(𝐿𝑣𝑖𝑎 )が含まれてしまう。𝐿𝑣𝑖𝑎 の効果を差し引くため、モジュールの向きを意図的に90°回転した場合と回転前との差分をとり、𝐿𝑣𝑖𝑎 の影響を除去した。電流相殺によるインダクタンス低減効果(ΔL)の見積もり方法下図はこの方法でインダクタンスを解析した例である。この解析から見積もられた寄生インダクタンスの値は実験結果とも概ねよく一致している。解析方法電磁界シミュレータとしてはSonnet emを用いた。２次元解析を行うために、垂直バイパスボードとFETモジュールを水平なメタルで模擬し、両者の距離間隔を上下メタル層間の空気層d(=4mm)の厚みで表現した。電流ループに沿う寄生インダクタンス(𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 )は次式を用いて評価した。 𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐿𝑏𝑦𝑝 ∙ 𝐿𝑝𝑐𝑏 = + 𝐿𝑚𝑜𝑑 − Δ𝐿 𝐿𝑏𝑦𝑝 + 𝐿𝑝𝑐𝑏 ΔＬはモジュールとバイパスボードの逆向き電流が相殺することによるインダクタンス低減効果である。上式の各インダクタンス成分の抽出のためには、電流ループの切断個所にポートを設け、電磁界解析から求めた２ポートYパラメータを用いて次式から見積った。解析結果 1 Y11 + Y22 + 2Y21 L 𝜔 = Im 2 𝜔 Y11 Y22 − Y21 垂直バイパスボード無有まとめ寄生インダクタンスLtotal (nH) 本解析実験 7.6 6.1 6.3 5.0 抽出した寄生インダクタンス値垂直バイパスボードを用いる３次元構造インバータの解析に平面回路電磁界解析を適用する検討を行った。解析結果は実験とよく一致し、同バイパスボードによる電流相殺効果が解析上も有効であることが確認できた。参考文献電磁界シミュレーションの解析モデル[1] [1] Nguyen Kien Trung, 赤津観,"非接触電力伝送システム用1.5kW13.56MHz ClassD 共振インバータの設計", 平成26年度電気学会産業応用部門大会 [2] K.Okada et al., “Modeling of Spiral Inductors,” intechopen.com, p.293-295