內容簡介
內容簡介 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おり我々の生活には欠かせない技術である。従来から幅広い分野で応用されてきた技術ではあるが、近年における再生エネルギーの導入、リチウムイオン二次電池の登場、モノの電動化、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る。それを反映するかのように、パワーエレクトロニクスを志す大学生ならびに企業技術者が増加している。 パワーエレクトロニクスで用いられる電力変換回路(コンバータ)はパワー半導体デバイスのスイッチング状態に応じて回路中の素子に流れる電流ならびに印加電圧が大きく変化し、その動作の詳細について理解するのは難しいと言われる。大学の学士向けの教科書などでは動作原理が比較的シンプルな電力変換回路を対象に絞って解説する場合が多いが、実際には非常に多くの応用回路方式が用途や要求によって使い分けられている。特に直流電力変換回路については幾多の回路方式が存在しており、初学者がその全貌について把握するのは容易ではない。昨今では、モバイル機器や電気自動車をはじめ、電力変換回路の応用先がますます多様化すると同時に、高効率化と小型化が強く求められている。用途や要求に応じて適切な電力変換回路方式を選定することになるが、そのためには各種方式の動作概要ならびに長短について把握しておく必要がある。 本書はパワーエレクトロニクスを志す大学院生および企業で製品開発に従事する若手技術者を対象とする。2章と3章では直流電力変換回路の基礎として、非絶縁形DC-DCコンバータと絶縁形DC-DCコンバータをそれぞれ俯瞰する。電力変換回路の高効率化と小型化に向けて必要となる基礎知識として、4章では各種の損失、5章では小型化に向けたアプローチについて解説する。6章から9章では、共振動作を取り入れた共振形コンバータやコンデンサを利用することで回路の小型化を達成するスイッチトキャパシタコンバータなど、各種の応用回路方式についての解説を行う。 1.緒言1.1. パワーエレクトロニクスを取り巻く環境1.2. 直流電力変換器の小型化へのアプローチ1.3. 本書の構成2.非絶縁形DC-DCコンバータ(チョッパ回路)2.1. チョッパ回路2.1.1. 回路構成2.1.2. 各回路の関係性2.1.3. 降圧チョッパの簡易動作解析2.1.3.1. 動作モード2.1.3.2. 入出力電圧変換特性2.1.3.3. リプル電流と平滑コンデンサ2.1.4. 電流連続モードと電流不連続モード2.1.5. 同期整流モード2.2. インダクタを2つ用いたチョッパ回路2.2.1. 回路構成2.2.2. 特徴2.2.3. SEPICの簡易動作解析2.2.4. Superbuckコンバータの簡易動作解析2.3. Hブリッジを用いた昇降圧チョッパ回路2.3.1. 回路構成と特徴2.3.2. 動作解析(同期駆動とインタリーブ駆動)2.3.3. インダクタのリプル電流3.絶縁形DC-DCコンバータ3.1. フライバックコンバータ3.1.1. 回路構成3.1.2. 動作解析3.1.3. スナバ回路を含めた動作解析3.2. フォワードコンバータ3.2.1. 回路構成3.2.2. 動作解析3.3. チョッパ回路を基礎とした他の絶縁形DC-DCコンバータ3.4. ブリッジ回路を用いた絶縁形DC-DCコンバータ3.5. ハーフブリッジセンタータップコンバータ3.5.1. 回路構成3.5.2. 動作解析3.6. 非対称ハーフブリッジコンバータ3.6.1. 回路構成3.6.2. 動作解析3.6.3. トランスの直流偏磁3.7. Dual Active Bridge(DAB)コンバータ3.7.1. 回路構成3.7.2. 動作解析3.7.3. 零電圧スイッチング(ZVS)領域4.コンバーターにおける各種の損失4.1. 電流の2乗に比例する損失(ジュール損失)4.1.1. MOSFETのオン抵抗4.1.2. コンデンサの等価値列抵抗4.1.3. トランスやインダクタにおける銅損4.2. 電流に比例する損失4.2.1. IGBTにおける導通損失4.2.2. ダイオードの順方向降下電圧による導通損失4.2.3. スイッチング損失4.2.4. ZVSによるスイッチング損失低減4.3. 電流に無依存の損失(固定損失)4.3.1. MOSFETの入力容量と出力容量4.3.2. ダイオードの逆回復損失4.3.3. トランスの鉄損4.4. 電力変換回路の最高効率点5.コンバーターの小型化へのアプローチ
