パワーエレクトロニクスの基礎

パワー半導体デバイスを用いた電力変換技術を取り扱うパワーエレクトロニクスは、電力を必要とするあらゆる機器で用いられている汎用性の高い技術です。従来から幅広い分野で応用されてきた技術ですが、電気自動車に代表されるモノの電動化、再生エネルギーの導入、リチウムイオン二次電池の登場、に伴いパワーエレクトロニクスの需要は飛躍的な高まりを見せています。同時に、非電気系技術者にもパワーエレクトロニクスの基礎的な知識が求められようになりました。 　本講演の前半部では、コンバータ (直流電力変換) を題材としてパワーエレクトロニクスの基礎的な回路の原理について解説します。後半では、実用の観点で重要となる回路サイズと効率に焦点を当て、小型化・高効率化を達成するための方法について解説します。

1. パワーエレクトロニクスへの要求の高まり
   1. モノの電動化とリチウムイオン電池の登場
   2. 再生エネルギーの普及
2. 電力変換の基礎
   1. 抵抗による電圧変換
   2. スイッチングによる電力変換
   3. パワーエレクトロニクス回路の構成
   4. 電力変換の形態 (直流変換と交流変換)
3. 非絶縁型コンバータ (チョッパ回路)
   1. 降圧チョッパ
   2. 昇圧チョッパ
   3. 昇降圧チョッパ
   4. Hブリッジを用いた昇降圧チョッパ
   5. その他の非絶縁型コンバータ
   6. 電流不連続モード
   7. 同期整流と双方向電力変換
4. 絶縁型コンバータ (DC-DCコンバータ)
   1. トランス (変圧器)
   2. フライバックコンバータ
   3. フォワードコンバータ
   4. その他の絶縁型DC – DCコンバータ
5. コンバータの小型化
   1. 回路サイズを決定する要因
   2. スイッチングの高周波化
   3. 受動部品のエネルギー密度向上
   4. 損失低減による廃熱系の小型化
   5. 複数コンバータの統合
   6. GaNやSiCデバイスによる小型化
6. 損失と効率
   1. 各種損失と電流の関係
   2. 電流の2乗に比例する損失
   3. 電流に比例する損失
   4. 電流と無関係の損失
   5. 最高効率点
7. ハードスイッチングとソフトスイッチング
   1. スイッチング損失
   2. ゼロ電流スイッチングとゼロ電圧スイッチング
   3. Dual Active Bridgeコンバータ
   4. 共振形コンバータ
8. コンデンサの活用による小型化
   1. スイッチトキャパシタコンバータ
   2. フライングキャパシタコンバータ
9. まとめ