はじめに | H-Bridgesチームのご紹介
セルビアのベオグラード大学電気工学部の学生チーム「H-Bridges」は、共通の情熱と目標を持つ学生たちが集まったチームです。 デジタル駆動制御研究室のアレクサンダル・ミリッチ助教授の指導の下、私たちは毎年、IEEEが主催する革新的かつエネルギー効率の高いソリューション分野における世界最大の大学対抗コンテスト「International Future Energy Challenge（IFEC）」に参加しています。このコンテストには、世界有数の名門大学からチームが集結し、学生たちは1年間にわたるプロジェクトを通じて革新的な技術ソリューションを開発・実装しています。
H-Bridgesは、ベオグラード大学電気工学部の全専攻の学生で構成されており、ハードウェアおよびPCB設計、ファームウェアおよび制御、ならびに資金調達および広報といういくつかのサブチームに分かれています。この体制により、継続的な知識の共有、仲間同士での学び合い、そして経験の浅い学生と経験豊富な学生との間の強固な連携が促進されています。 H-Bridgesの重要な価値観の一つは、学問的背景だけでなく、視点、経験、問題解決へのアプローチにおいても多様性を重んじることです。異なる分野や学年からの学生を集めることで、チームはイノベーション、創造性、そして相互の成長を支える環境を築いています。
課題 | IFEC 2026 技術要件
IFECは、実践的なエンジニアリング設計を通じて、イノベーションの推進、省エネ、および電気エネルギーの有効活用に焦点を当てた国際学生コンテストです。今年の課題は、安全で量産可能かつ高性能な、手頃な価格の双方向絶縁型車載充電器のプロトタイプを設計・製作し、その実証を行うことです。
主な焦点は、システムの技術的性能、特に効率、電力密度、信頼性、および双方向動作に置かれ、コストの最適化は追加の評価基準として考慮された。
このシステムは、120 Vac（60 Hz）および230 Vac（50 Hz）という2種類の単相交流入力電圧で動作することが求められており、これにより、さまざまな電力規格や動作環境に対応することが可能となった。公称出力電圧は400 Vdcと規定され、動作範囲は約300～450 Vdcと設定されており、さまざまな条件下でも安定した動作が確保されている。
要求された定格出力は1 kWであり、標準動作と軽負荷試験の両シナリオに対応するため、双方向電力供給機能が含まれていました。 高効率の実現が重視され、目標値は定格負荷（1 kW）時で92%以上、100 W時で80%以上と設定された。同時に、冷却システムやEMIフィルタを含めて2 kW/lの電力密度を達成することが求められており、コンパクトかつ高度に最適化された設計の必要性が強調された。
この試験手順は、追加のインターフェースやユーザーの操作を必要とせず、完全にプラグアンドプレイで動作するように設計されており、検証と運用を簡素化しています。開発および試験の過程では、動作条件を安全に再現するために、双方向電源および抵抗負荷が採用されました。
解決策 | 2段階トポロジー
広範な文献調査、解析モデリング、およびシミュレーション解析の結果、単段型および二段型のコンバータトポロジーのいずれも、効率、電力密度、およびコストパフォーマンスの面で有望な結果を示した。しかし、制御の実装がより簡便であり、コンテストの要件を満たす上でより高い柔軟性を備えていたことから、最終的には二段型のアプローチが採用された。
要求される全高調波歪み（THD）、力率、効率、および双方向動作を実現するため、AC/DC変換段にはブースト型力率補正（PFC）段が採用された。絶縁型DC/DC段については、双方向動作機能、電気的絶縁、高効率、および高い電力密度を維持しつつさまざまな動作モードでバッテリー充電に対応できる点から、デュアルアクティブブリッジ（DAB）トポロジーが採用された。
本システムは、周辺回路への確実な電力供給を確保するため、4つの補助電源レベルを採用しています。さらに、5つのセンサーと絶縁型ゲートドライバを内蔵し、低ノイズ動作と安定した制御性能を実現しています。
PFC段の最適なスイッチング周波数を決定するため、フィルタ部品、スイッチング素子、およびDCリンクコンデンサについて詳細な損失解析を実施した。また、DABのスイッチング周波数に影響を与える主要な設計パラメータについても、効率と電力密度の要件のバランスを考慮しながら評価を行った。磁気部品の設計においては、目標条件下での信頼性の高い動作を確保するため、設計前提の検証、磁束分布解析、インダクタンスの計算、および熱評価を行った。
あらかじめ定義された基準に従ってフィルタ構造と対応するパラメータを選択した後、THD性能に重点を置いて変調方式の分析を行った。シミュレーションに基づく比較の結果、検討対象となったすべての変調方式が要求基準を満たしていることが確認されたが、リターン・トゥ・ゼロ特性と実装の簡便さを理由に、単極変調が採用された。
開発プロセスの一環として、Typhoon HIL 社のHIL404リアルタイムシミュレータを使用し、現実的な動作条件下で2段式車載充電器（OBC）のトポロジーを検証しました。 このセットアップにより、電圧低下や周波数変動などの系統外乱に対するPFCフロントエンドの反応を徹底的に評価することができました。DC-DC段については、UltraCore技術を用いてスイッチング挙動や過渡応答を精密にシミュレーションしました。さらに、このセットアップにより、2つの段間の相互作用について正確な知見が得られ、テストおよび検証プロセスを大幅に加速させることができました。
大会の準決勝段階までに、チームは両コンバータ段において出力1000 Wでの双方向動作を実現し、両段の目標出力電圧範囲の検証に成功するとともに、ハードウェア試験中に動作温度を75°C以下に維持することに成功した。 並行して、ファームウェアの開発により、両ステージの閉ループ動作が可能となり、完全なステートマシンアーキテクチャの統合にも成功した。これらの成果は、3月にテキサス州サンアントニオで開催されたAPEC 2026会議で実演された。会議終了後、システムはさらなる最適化と次の開発段階に向けた準備に焦点を当てた再設計段階に入った。
HILのメリット| HIL 404 リアルタイム・シミュレータ
HILシミュレータを使用することで、開発および試験中の機器損傷のリスクを大幅に低減できるだけでなく、開発コスト全体も削減できます。制御ソフトウェアやシステムの挙動を事前に検証することで、開発プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定し、試験をより効率的に計画することが可能になります。このシミュレータは、最終的なハードウェアへの実装前に、システムの挙動を観察し、制御アルゴリズムの正しい動作を検証するための、安全で信頼性の高い環境を提供します。
長年にわたり、当チームは開発のシミュレーションおよび検証段階において、一貫して優れた成果を上げてきました。Typhoon HIL との協力Typhoon HIL HIL404デバイスの活用が、より信頼性が高く効率的な開発プロセスを実現する上で重要な役割を果たし、大会における当チームの成功に貢献してきたと確信しています。
