スイッチトキャパシタコンバータの研究Switched Capacitor Converter

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 コンバータでは回路中に電気エネルギー蓄積素子が必要であり、一般的にはインダクタがエネルギー蓄積素子として主に用いられます。しかし、インダクタは大型部品でありコンバータの小型化を妨げる要因となります。

 研究室では、インダクタに替わりコンデンサを主なエネルギー蓄積素子として利用する「スイッチトキャパシタコンバータ(SCC: Switched Capacitor Converter)」の研究を行っています。コンデンサのエネルギー密度はインダクタと比較して100~1000倍ほどあるため、コンデンサを用いる方が同体積でたくさんのエネルギーを蓄積できるため回路の小型化につながります。更に、SCCはインダクタを必要としない、もしくは必要であってもインダクタのサイズを大幅に低減できます。一般的に、従来のインダクタを用いたコンバータと比べてSCCは制御性が乏しく応用範囲が限られるのですが、制御性を向上させた各種新方式の提案も行っています。更にSCCは部分影補償器やセルバランス回路へも転用可能であり、汎用コンバータと統合させる際にも非常に親和性の高い回路構成を有するので、今後の幅広い応用が期待されます。

  Switching power converters require energy storage components for power conversion. An inductor, a magnetic energy storage device, is generally used in traditional switching converters. Howerver, bulky inductors are a major stumbling block to circuit miniaturization.

  We are working on switched capacitor converters (SCCs) that chiefly utilize capacitors as energy storage devises instead of bulky inductors. The energy density of capacitors is hundreds to thousands times that inductors, allowing miniaturized circuit design. Furthermore, SCCs and equalizers are very compatible, driving expectations of broad applications of SCCs in not only simple power conversion but also renewable energy systems.

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エネルギー蓄積素子のエネルギー密度
Energy densities of capacitors and inductors

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Al電解コンデンサを用いたスイッチトキャパシタコンバータ
Switched capacitor converter using Al electrolytic capacitors

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セラミックコンデンサを用いたスイッチトキャパシタコンバータ
Switched capacitor converter using ceramic capacitors

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セルバランス回路に応用したスイッチトキャパシタコンバータ
Switched capacitor converter as cell equalizer