p1.3 電力システムとパワーエレクトロニクス技術
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「パワーエレクトロニクス回
路工学」
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http://www.morikita.co.jp/books/mid/074341
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まえがき� �
パワーエレクトロニクスの応用分野は，電力インフラや大型設備などのいわゆる重電中心であったのが，エアコンや洗濯機の省エネ化により，数 kW以下の軽電とよばれる一般家電まで広がり，いまは生活者に身近な存在になっている．太陽光発電や風力発電などの，再生可能エネルギー (renewable energy)による発電
システムや，電気自動車が本格普及する時代を迎えて，従来は電気鉄道や中型設備などがおもな用途であった中電ともいうべき数 kW～数MWの範囲の市場と技術分野が，これから広がろうとしている．パワーエレクトロニクス技術に対する期待は，これまで以上に大きくなると予想さ
れ，この分野のエンジニアを増やすことが急務になっている．しかし，初心者にとって，半導体回路工学や電気機械工学，電磁気学などが中核にあるパワーエレクトロニクス技術は，マスターするのが難しいとよくいわれている．パワーエレクトロニクスに関する優れた教科書はたくさんあるが，設計実務の視点
から見ると，理論解説が中心で，具体的な設計のやり方がよくわからないことが多い．一方で，実務書の多くは，設計事例や製品の特性表，ノウハウなどが羅列されてい
ることが多く，これから実務を始めようとする人にとって，設計全体の流れを把握しにくい．また，取り上げた設計事例を基礎理論とのつながりまでさかのぼって説明しているものが少ないために，より高度な設計を目指すときの手がかりが見えない．このような背景から，本書では，グリーンパワー応用分野を中心としたパワーエレ
クトロニクスの回路設計技術を，わかりやすく解説する．第 1章では，パワーエレクトロニクスの全体像を把握するため，技術動向と，再生
可能エネルギーで重要になる電力の貯蔵・伝送について概観する．第 2章では，パワー半導体デバイス，第 3章ではパワーエレクトロニクスに共通す
る回路設計の基盤技術について述べる．第 4章では，スイッチング回路と各種の電力変換回路の設計を解説する．第 5章では，電気自動車などのモータ駆動技術，第 6章では代表的な電源装置につ
いて，回路設計の要点を設計手順に従って体系的に説明する．第 7章では，より高度な設計をするため，あるいは開発で遭遇するトラブルに対処
するための，半導体工学や信頼性工学の基礎知識について解説する．
ii まえがき
昔から回路技術は，“practice makes perfect”つまり，習うより慣れろ，だといわれる．講義で習うことよりも，部品を買ってはんだ付けして回路を組み立て，動作を確認することで習得できることが多いのは事実である．そこで本書では，基本回路各部の電流・電圧・電力波形や周波数特性を確認できる
ように，各説明の要所に，最近利用者が増えているフリーソフト LTspice†の回路モデルを用意したので，活用してほしい．これらは，下記の URL
http://www.morikita.co.jp/books/mid/074341
から入手できるので，定数や回路構成を変更して試行錯誤することによって，従来ブレッドボードの試作実験で体得したことをバーチャルに体験できる．編者の力不足により，本書が意図したようなレベルに到達していない，あるいは思
わぬ誤りなどがあれば，それを読者の賢により補っていただくとともに，ご批判ご叱正を賜れば幸いである．最後に，本書の査読をしていただいた横浜国立大学河村篤男教授，構想段階から論
議していただいた森北出版（株），日産自動車（株）およびカルソニックカンセイ（株）の関係各位に厚く感謝申し上げる．
編者 廣田 幸嗣
† LTspiceはリニアテクノロジー（株）の登録商標である．同社のウェブサイト(http://www.linear-tech.co.jp/designtools/software/#LTspice)からダウンロードできる．
iii
目 次� �
第 1章 パワーエレクトロニクス技術とその展望 1
1.1 パワーエレクトロニクスとは . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 パワー半導体デバイス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 電力システムとパワーエレクトロニクス技術 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 電力貯蔵 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 電力伝送 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
第 2章 パワー半導体デバイス 19
2.1 ダイオード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 パワートランジスタ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
第 3章 回路設計のポイント 33
3.1 回路設計の一般的な流れ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 パワーエレクトロニクス用受動部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 EMC設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 熱設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
第 4章 電力変換 65
4.1 電力変換回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 スイッチング回路の設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 電力変換回路設計の基本原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4 降圧チョッパ回路の設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5 EV用インバータの回路設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
iv 目 次
第 5章 電気自動車のモータ駆動システムの設計 126
5.1 EVの駆動システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2 EV駆動モータの制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.3 EVのモータコントローラの構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.4 パワーケーブルの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
第 6章 各種電源装置の設計 174
6.1 スイッチングレギュレータの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.2 無停電電源装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.3 パワーコンディショナの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.4 太陽光発電システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.5 風力発電システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.6 燃料電池発電システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
第 7章 電子部品の劣化と故障 209
7.1 パワー半導体デバイスの故障 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.2 一般電子部品の劣化故障 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3 高分子有機材料の劣化故障 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.4 はんだの劣化故障 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
付 録 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
索 引 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
1
第 1 章� �
パワーエレクトロニクス技術とその展望
パワーエレクトロニクスは，風力や太陽光などの再生可能エネルギーによる発電や，電気自動車のモータを制御するコア技術として注目され，日常生活の場でも身近な存在になってきた．また，従来はサイリスタなどを使った特殊な回路が使われていたものが，半導体デバイスの進歩により大容量のパワーMOSFETや IGBTが実用化され，一般的なトランジスタ回路に置き換えられて，回路エンジニアにとってもなじみやすい技術になってきた．本章では，このようなパワーエレクトロニクス技術の概要と今後の展望を述べる．
�1.1 パワーエレクトロニクスとは
パワーエレクトロニクス (power electronics)は，半導体デバイスを用いて，電力変換や電力機器の制御，電気エネルギーの貯蔵や伝送に関する技術を扱う工学である．古くは発電機や工業用のモータなど，おもに産業分野で利用されていたため，一般人の目にはあまり触れなかった．しかし近年，省エネ家電や電気自動車，スマートグリッドなどに応用分野が広がり，民需分野でも不可欠な存在になってきている．
1957年，General Electric社によって開発されたサイリスタが登場して以降，それまでの回転機や磁気回路に代わって，半導体デバイスによる電力変換技術が発展した．1973年に，Westinghouse社のWilliam Newell博士は，電力機器と，半導体エレクトロニクス回路，制御を融合した学際的分野として，パワーエレクトロニクスを定義した．マイクロエレクトロニクスが「ビット」を操作する技術であるのに対して，パワーエレクトロニクスは「ワット」を制御する技術といえよう (図 1.1)．応用分野としては，発電や送電などの電力分野，ポンプやブロアなど回転機を利用
する産業分野，通信システムや工場などの電源装置，交流モータによる電気鉄道，ハイブリッド車や電気自動車，家庭用電化製品など，非常に幅広い．このため，たとえば同じ交流直流変換器でも，定格電力や作動電圧，環境条件などが多岐にわたるので，絶縁方式や過酷なストレスに対する保護回路など，分野ごとに異なる応用設計が要求となる．
2 第 1章 パワーエレクトロニクス技術とその展望
図 1.1 パワーエレクトロニクスとは
�1.2 パワー半導体デバイス
パワー半導体デバイスは，電力機器向けの半導体素子である．電力制御用に最適化されており，家庭用電化製品やコンピュータなどに使われている，信号増幅や情報演算用の半導体デバイスに比べて，高電圧・大電流を取り扱える．おもなパワー半導体デバイスとしては，図 1.2に示すように，各種のダイオードやパ
ワートランジスタ (パワーMOSFET，絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT))，サイリスタ，ゲートターンオフサイリスタ (GTO)などがある．半導体技術の進歩によって，応答速度が年々向上すると同時にオン抵抗も低減しており，電力制御機器の省エネルギー化や小型化に貢献している．また，複数の素子を一つのパッケージに納めたパワーモジュールや，耐電磁ノイズを強化し絶縁性を高めるために，光で駆動できるパワー半導体デバイスもある．
図 1.2 おもなパワー半導体デバイス
1.3 電力システムとパワーエレクトロニクス技術 3
表 1.1 代表的なパワーデバイスの比較
半導体スイッチングデバイス
スイッチの開閉 オン抵抗の低減
シリコンサイリスタ
GTO
少数キャリアの出し入れ（バイポーラ動作）
少数キャリアの高水準注入による伝導度変調（バイポーラ動作）
シリコンIGBT
多数キャリアのチャンネルの制御（ユニポーラ動作）
少数キャリアの高水準注入による伝導度変調（バイポーラ動作）
SiC MOSFET
GaN HEMT
多数キャリアのチャンネルの制御（ユニポーラ動作）
高不純物濃度のアクティブ領域（ユニポーラ動作）
いま，パワー半導体デバイスが，質的に大きく変化しつつある (表 1.1)．初期のパワー半導体であるサイリスタや GTOは，電子と正孔をプラズマ状態にして作用させるバイポーラデバイスである．少数キャリアの出し入れによりバルブを開閉し，オン状態ではキャリアを大量に注入して高耐圧（高抵抗）の半導体領域の抵抗を大幅に下げている．これらのデバイスでは，正負のキャリアの複雑な挙動を極限にまで利用して電力損
失を減らしているため，スイッチング作用はデバイス周辺の回路でなくデバイス本体の特性により大きく左右される．このために，パワーエレクトロニクス回路を解析するのに，マイクロエレクトロニクス分野で普及している，SPICE などの回路シミュレータが使いにくかった．いま主流の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ IGBT (insulated gate bipolar tran-
sistor)は，少数キャリアの注入ではなく，入力電圧でゲートの開閉を制御するデバイスであり，普通の小信号回路と同じような考え方で設計できるようになっている．次世代の炭化ケイ素 SiCのパワーMOSFETや，窒化ガリウム GaNの FETは，多数キャリアデバイスであり，市販の回路シミュレータで，高精度の回路設計ができるようになる．パワーエレクトロニクス回路技術が，ますます身近になるものと期待される．
�1.3 電力システムとパワーエレクトロニクス技術
■1.3.1 電気はフレキシブルな自由エネルギー電気エネルギーは，①石油や石炭，天然ガス，核燃料，太陽エネルギーなどの多様
な 1次エネルギー源から生成される 2次エネルギーであり，資源選択の自由度が高いので，エネルギー安全保障の観点から好ましいとされる．また，② 自由エネルギー
4 第 1章 パワーエレクトロニクス技術とその展望
(Gibbs free energy)であり，電力変換だけでなく，機械エネルギーや熱エネルギーなどとの相互変換が，比較的容易にかつ高効率にできる．このため，広域ネットワークを構築しやすいほか，モータやヒータなどにより，需要先で電気エネルギーを容易にほかのエネルギーに転換して利用できる良さがある．このように，電力網 (electrical
grid)はエネルギーインフラとしてほかを寄せ付けない強みがあり，これを支えるコア技術が，パワーエレクトロニクスである．
■1.3.2 再生可能エネルギー時代の電力システム図 1.3に，生活を支える電気エネルギーの流れを示す．地球規模の環境問題を解決
するために，化石燃料を燃やす火力発電から，再生可能エネルギーによる発電へと転換が進められている．
図 1.3 再生可能エネルギー時代の電気エネルギーの流れ
いまの電力網では，揚水発電やバッテリなどで貯蔵できる電力が，系統全体の電力と比べるときわめて小さい．つまり，電力を貯めておいて必要なときに使うことが十分にできないので，供給と消費をつねにバランスさせる必要がある．このため発送電網では，電力潮流制御 (power flow control)により電力の流れを調
和させている．小変動に対しては，交流の位相で潮流を制御できるが，需給バランスが大きくずれた場合は発電所の運転を停止・再開して調整している．再生可能エネルギーを利用した発電システムが普及してくると，天候や日照などによって発電量が大
1.4 電力貯蔵 5
きく変動するので，電力潮流制御が難しくなり，電力貯蔵の必要性が増す．電力貯蔵では，電気エネルギーそのままの形で蓄える方法がある．一つはキャパシ
タに静電エネルギーとして，もう一つは，超電導エネルギー貯蔵装置 (SMES; super-
conducting magnetic energy storage) に電磁エネルギーとして蓄蔵する方法である．どちらも高速に電力を制御できるが，蓄積できるエネルギー量は小さい．従来から使われてきた揚水発電やフライホイール蓄勢装置は，位置エネルギーや運
動エネルギーの形で電気エネルギーを蓄えるものである．蓄積できるエネルギー量は大きいが，エネルギー変換効率が低い．いま開発が進められているのが，電気化学エネルギーで貯蔵する方法である．地域
ごとの電力系統にバッテリ（組電池）を置くことで，電力はよりフレキシブルに出し入れ可能となる．電気自動車に搭載されているバッテリに電気エネルギーを蓄蔵し，必要なときにオ
フィスや家庭，あるいは送電系統に放電するV2X (Vehicle to X，Xはオフィス (office)，家庭 (home)，送電線 (grid)を指す)が期待されている．電力伝送では，太陽光発電や風力発電などの不安定な電力を，電力系統に安定して
送る技術が重要になっている．また，バッテリ容量が小さく航続距離が短い電気自動車では，頻繁な充電が必要になる．面倒な電力ケーブルの接続を不要にしたり，走行中に充電したりする非接触給電の技術が注目されている．
�1.4 電力貯蔵
再生可能エネルギーの利用やスマートグリッドの普及には，電力貯蔵施設の併設が不可欠である．電力貯蔵の役割と代表的な貯蔵方式について説明する．
■1.4.1 電力貯蔵の役割電力の需給バランスは，昼間と夜間にわたるような長周期での変動と，落雷や事故
による停電のような短時間の急激な負荷変動がある．電力貯蔵にはこれらを安定化させる役割があり，貯蔵手段も目的に応じて各種組み合わせて使用される．
(1) 電力需給の平準化図 1.4のように，需要の少ない時間帯に余った電力を，さまざまなエネルギーに変
換して貯蔵し，需要が増加したら電気に変換して放出することで，電力の需給バランスが平準化される．昼夜や季節によって異なる電力需要変動を，電力貯蔵装置で平準化することで，大型発電設備の高効率の運用が可能となる．消費側では，夜間電力を
6 第 1章 パワーエレクトロニクス技術とその展望
図 1.4 電力の需給と電力貯蔵
利用することにより，電気コストの縮小にも貢献できる．貯蔵の形態は多岐にわたる．代表的なものを，表 1.2に示す．電気以外にも，磁気
エネルギーや位置エネルギー，運動エネルギー，電気化学エネルギーなどがある．目的や規模に応じて適した貯蔵方法が選択される．
表 1.2 電力貯蔵方式の比較
貯蔵方式 エネルギー形態 電力量 応答性 効 率 寿 命 課 題
揚水発電 位置エネルギー ◎ △ △ ◎立地条件，投資規模
フライホイール
運動エネルギー △ ○ △ ○軸受けの回転損失，バックアップ時間
SMES 磁気エネルギー △ ◎ ◎ ◎超電導コイルや冷却機のコスト
電気二重層キャパシタ
電気エネルギー △ ◎ ◎ △エネルギー密度，寿命
二次電池 化学エネルギー ○ ◎ ○ △動作温度範囲，寿命
◎～○～△の目安は，電力量：大～中～小，応答性：瞬時～1秒～1分，効率：90%～80%～70%，寿命：30年～20年～10年
(2) 電力品質の安定化二次電池やキャパシタは，応答性の良い電力貯蔵装置で，風力発電や太陽発電など
の不安定な電源と組み合わせて，負荷変動を平滑化し，出力を安定化できる．また，系統に連係させると，擾乱が拡大することを防ぎ，系統電力の品質を維持できる．さらに，有効電力と無効電力を制御して電圧安定度を向上でき，大きなパルス負荷が存在する場合でも，その影響を抑える．事故や災害などの不測の事態に際したときの予備力や，瞬時電圧低下対応の役割を果たすこともできる．
65
第 4 章� �
電力変換
パソコンの電源ボタンを押すとハードディスクが起動し，ディスプレイに起動画面が現れる．私たちが毎日のように行う光景には，コンセントから交流の電力を受けて，CPUやハードディスクなどに直流の 5 Vや 12 Vでの電力へと変換する電力変換が行われている．また，ハイブリット自動車や電気自動車は，バッテリの直流電力をインバータで交流電力に変換して，モータを駆動する電力変換を行っている．本章では，電力変換の基礎から回路設計の実務までを学ぶ．
�4.1 電力変換回路
■4.1.1 電力変換とは電力変換の定義を並べる前に，開発中のモータの実験を行う場合を想定して，次の
ような数値が並んでいるとしよう (図 4.1)．
図 4.1 インバータ出力電流と入力の直流電流
モータの交流電流は，実効値 200 Arms で各相に流れている．直流電源は電圧を300 Vに設定している．このとき，直流電源の電流値はいくつだろうか．パワーエレクトロニクスの分野になじみのない人は，モータの電流値が 200 Armsで
あることから，直流電流は同じように 200 Aか，あるいはその振幅に近い 280 A程度になると答えるかもしれない．電力変換では，変換損失を無視できれば，電圧と電流の状態が変換されても，変換
の前後で電力の大きさは保存される．上の例でいうと，入力の直流電圧 EDC，直流電流 IDC，モータ相電流実効値 IAC，モータ相電圧実効値 VACとして，交流モータの力
66 第 4章 電力変換
率が 1であるとすれば，次のようになる．
入力直流電力：Pin = EDC · IDC (4.1)
出力の三相交流電力：Pout = 3VAC · IAC (4.2)
変換損失がないとすれば，入力電力 Pin と出力電力 Pout は保存されるので，
Pin = Pout (4.3)
となる．したがって，上の例で入力の直流電流を求めると，次のようになる．
IDC =3VAC · IAC
EDC(4.4)
このように，モータの電流値を見ただけでは直流電流の大きさはわからない．このときの線間電圧実効値 Vline が 10
√3 Vrmsとすれば，次のようになる．
IDC =3VAC · IAC
EDC=
√3Vline · IAC
EDC=
√3 × 10
√3 × 200
300= 20 A (4.5)
直流には 200 Aという大電流は流れず，20 Aだけが流れている (図 4.2)．
図 4.2 インバータ出力電流と入力の直流電流の正しい関係
電力変換は電圧・電流を変換するもので，その周波数・大きさの状態を変えることで，さまざまなアプリケーションの要求に応えるものである．たとえば，直流と交流の変換では，周波数 0の直流から周波数 f の交流への周波数変換であるし，直流の 12 V
から 5 Vを作るのは，電圧の大きさの変換を行っている．ここまでは，簡単のために電力変換の前後で電力が保存されるとしたが，実際には
変換の過程は電力損失が生じるため，電力変換前と電力変換後と電力損失の間で電力が保存される．図 4.2のように出力電力が Pout のときに，変換装置でWcnv が生じているので，入力電力 Pin は次のように表せる．
Pin = Pout +Wcnv (4.6)
パワーエレクトロニクスでいう効率は，この出力の入力に対するパーセンテージのこ
4.1 電力変換回路 67
とであり，
μcnv =Pout
Pin× 100% (4.7)
となる．パワーエレクトロニクスの回路での変換効率は，ほかのエネルギー変換と比べても非常に高く，80～90%の数値であることが多い．
■4.1.2 スイッチングによる電力の制御電力変換回路では，パワー半導体デバイスをスイッチ (switching device)として使
い，電力を制御する．パワーデバイスは，オフ時にはほとんど電流が流れず，オン時は数 V以下の電圧降下しか発生しないために，高電圧大電流を制御しても損失を小さくできる．半導体をオンでもオフでもない（抵抗としてはたらく）アクティブ領域で電力を制御すると，抵抗に生じるオーム損失によって，効率が実用にならないレベルに落ち，発熱も過大になる．一般に，電力制御では，パワーデバイスのオンオフにより，電力流量だけでなく，電
力流路も制御する．図 4.3のヒータ温度制御回路では，スイッチをヒータの熱時定数より速くオンオフ
させて，発熱量を円滑に調整する．すなわち，1周期のうちのオン時間を長くすれば発熱量が増え，反対にオン時間を短くすれば発熱量が減る．このような電力流量制御法を，パルス幅変調 (PWM; pulse width modulation)といい，パワーエレクトロニクスでは広く使われる．図 4.4の直流モータ駆動回路では，H形状に配置された各スイッチのオンオフを切
り替えることにより電力の流れの向きを反転し，モータの正回転と逆回転を切り替える．Hブリッジ (H-bridge)回路は，応用範囲が広い．直流モータの正逆転だけでなく，スイッチのオン時間をパルス幅変調すれば，トルクも制御できる．直流から単相の矩
図 4.3 スイッチングによる電力流量の制御
68 第 4章 電力変換
図 4.4 スイッチングによる電力流路の制御
形波や，正弦波への変換器 (inverter)として動作させることもできる．
■4.1.3 電力変換回路電力変換回路には，直流⇒直流変換 (DC-DC converter)，直流⇒交流変換 (DC-AC
converterまたは inverter)，交流⇒直流変換 (AC-DC converterまたは rectifier)，交流 ⇒ 交流変換 (AC-AC converter)がある．本項では，いくつかの代表的な電力変換について，回路構成と動作原理を説明する．
(1) DC-DC変換回路直流から直流への変換回路には，非絶縁型と絶縁型がある．非絶縁型は回路が簡易
である．電気自動車のように高電圧の直流から 12 Vの低電圧への変換回路では，感電の危険を減らすため二つの直流回路をトランスで絶縁する．図 4.5に，スイッチングデバイスとダイオードとインダクタを組み合わせた降圧チョッ
パ回路と昇圧チョッパ回路を示す．Qはスイッチで，PWMでオンオフを繰り返している．Qがオンのときとオフのときの電流の通路を矢印で示してある．図 (a)の降圧チョッパ回路では，スイッチがオンしたときに電源からインダクタ L
を通って負荷に電流が流れ，負荷電圧が上昇する．スイッチがオフすると，Lに流れていた電流は，今度はダイオード Dを経由して流れる．このとき，負荷側の回路は電源に接続されないため，負荷電圧が下がっていく．オンオフ 1周期に占めるオン時間の比率 (デューティ比；duty ratio)を高くすると負荷電圧が上がり，低くすると負荷電圧が下がる．オンを連続すれば，負荷電圧は電源電圧に等しくなる．図 (b)の昇圧チョッパ回路では，スイッチをオフすると Lに流れていた電流の向き
は変化せずに，ダイオードDを通過する．このとき，負荷電圧は Lのエネルギーが C
と負荷へ移行するので上昇する．図 4.6の双方向（可逆）チョッパは，降圧チョッパと昇圧チョッパの回路を組み合
4.1 電力変換回路 69
図 4.5 降圧チョッパと昇圧チョッパ
図 4.6 双方向（可逆）チョッパ
わせた構成になっている．高電圧側から低電圧側への右への電力転送時には，スイッチ Q1 とダイオード D2，インダクタ Lの回路が降圧チョッパとして動作する．低電圧側から高電圧側への左への電力転送時には，スイッチQ2と，ダイオードD1，
インダクタ Lの回路が昇圧チョッパとして動作する．単相（または三相）の DC-AC変換器（インバータ）は，双方向チョッパを 2個 (三
相では 3個)並べた回路構成になっている．低電圧側に交流モータを負荷としてつないだときに，PWM駆動により高圧の直流電源の電圧を下げて，モータ端子には低い交流電圧を供給できる．モータの制動時には，インバータを AC-DC変換器（整流器）として動作させることが可能であり，モータの起電力を昇圧させて，直流電源側に回生した電気エネルギーを供給する．図 4.7は，絶縁トランスを使った DC-DC変換回路である．スイッチングデバイス
がオンしたときに，電源から出力側に電気エネルギーを転送するのが，フォワード方
70 第 4章 電力変換
図 4.7 絶縁型 DC-DCコンバータ
式である．図 (a)のシングルフォワード方式は，降圧チョッパ回路に絶縁トランスを入れたもので，動作原理は同じなので説明は省略する．ただし，絶縁トランスの励磁磁束が飽和しないようにするには，スイッチがオフの期間に，オン時に蓄積された磁気エネルギーを，何らかの方法でリセットする必要がある．これにはさまざまなタイプがある．反対に，スイッチがオンのときにインダクタに蓄積された磁気エネルギーを，オフ
時に出力側に転送して変換するのが図 (b)のフライバック方式で，小容量のコンバータに利用される．図 (c)のプッシュプルフォワード方式は，図 (a)の回路をプラスとマイナスで交互に動作 (push-pull operation)させたもので，電源効率が高くなる．
(2) DC-AC変換回路直流から交流への変換回路は，バッテリなどの直流電源で交流モータを駆動すると
きに必須となる．単相交流変換には，図 4.8 (a)のHブリッジ回路が使われる．直流から方形波電圧を作る原理を図 (b)に，平均としての正弦波を作る原理を図 (c)に示す．
Hブリッジ回路でスイッチQ1とQ4をオンすると，図 (b)に示したようにプラスの電圧が出力される．反対にトランジスタQ2とQ3をオンすると，マイナスの電圧が出力される．これを交互に繰り返すことにより，方形状の交流電圧を作ることができる．図 (c)のように，パルス幅を細かくしてかつ徐々に変化させると，平均値として見たときに正弦波の交流を出力できる．
126
第5 章� �
電気自動車のモータ駆動システムの設計
21世紀初頭のパワーエレクトロニクスの応用分野といえば，鉄道や鉄鋼などの産業機器，省エネ家電などが主であった．しかしいまでは，自動車の販売登録ランキングの上位にハイブリッド車 (HV)が名を連ね，電気自動車 (EV)の量産も始まって，パワーエレクトロニクス応用の中で，自動車は，市場規模や技術開発ともに大きな存在となった．本章では，電気自動車のモータ駆動システムについて，車両としてのパワーエレク
トロニクスシステム設計，および構成部品としてのモータコントローラ，バッテリ，ハーネスそれぞれの設計について解説する．
�5.1 EVの駆動システム
本節では，EVの駆動システムへの要求と特徴，使用されるモータの駆動特性について解説する．
■5.1.1 EVのシステム構成EVの高電圧回路の構成例を，図 5.1に示す．高電圧バッテリには，車両の駆動モー
タ用のインバータのほか，エアコンを駆動するインバータ，オーディオやナビなどの低電圧補機へ電力供給を行う DC-DCコンバータ，商用の交流電源から高電圧バッテリを充電するための充電器などが接続される．低電圧補機には DC-DCコンバータを用いて電力変換はできるものの，車両の起動時は低電圧補機から車両コントローラに12 V電源を供給し，制御を実行してから DC-DCコンバータが起動するため，従来のエンジン車と同じように補機用に鉛バッテリも搭載している．HVも基本的には同様なシステム構成をとる．また，図には示していないが，これらの機器を保護するためのヒューズやリレー，漏
電検知回路，リレーをオンしたときにバッテリからコンデンサに流入する電流を抑制するための回路なども必要となる．日産リーフでの高電圧機器を図 5.2に示す．リチウムイオンバッテリは床下に搭載
され，充電器・DC-DCコンバータ・インバータ・モータ・電動エアコンは，一体と
5.1 EVの駆動システム 127
図 5.1 EVのシステム構成例
図 5.2 日産リーフの高電圧機器のレイアウト
なったユニットとして車両前方のいわゆるエンジンコンパートメントの中に搭載されている．
■5.1.2 EVの駆動モータに求められる特性EVのインバータ・モータ制御システムを設計するうえでも，EVに求められる駆動
力の特性を把握しておく必要がある．図 5.3は，従来の変速機つきのエンジン車両の駆動力特性を示した例である．横軸は車両速度であり，縦軸が車両駆動力を示している．また，走行抵抗は速度の 2乗に比例する空気抵抗，転がり抵抗のほか，上り坂も車両加速を妨げる勾配抵抗としてはたらくため，坂道の勾配 (%)別に走行抵抗を示した．「車両の加速力 =車両駆動力−走行抵抗」であるため，発進時の加速，急な上り坂や段差を乗り越すためには，低い速度で大きな車両駆動力が必要となる．中速・高速では，高速道路での合流や追い越しを考えると，走行抵抗よりも余裕のある車両駆
128 第 5章 電気自動車のモータ駆動システムの設計
図 5.3 エンジン車 (MT)の駆動力特性
動力を必要とされるが，低速ほどの大きな加速性能は，通常の車両では要求されない．このため，エンジンの回転数・トルクの基本特性をもとに，何段かの変速比を用いて，低速での大駆動力と高速での駆動を両立させている．車両として要求される駆動力特性をまとめると，図 5.4のようになり，低速での大き
な駆動力と，中速・高速では駆動力×車両速度の出力が一定となる特性として描かれる．一方で，モータの速度（回転数）・トルクの特性は，図 5.5のように速度 0から最大トルクを発揮し，中速・高速で一定出力となる．モータには直流や交流，誘導モータ・同期モータなど，さまざまな種類があるが，一般的にはこのようなトルク特性を
図 5.4 車両として要求される駆動力特性
図 5.5 EVのモータトルク特性と駆動性能
5.1 EVの駆動システム 129
もっている．このため，エンジン車のような何段もの変速機がなくとも，減速ギアだけをもたせれば，要求される駆動力特性を実現することができる．図 5.6は，以上のエンジンとモータのトルク特性の差異と，車両としての駆動性能
の違いをまとめたものである．エンジン車では，要求される駆動性能を実現するために多段変速機が必要となるが，EVは，モータがもつトルク性能が車両駆動に適した特性をもっているために，単段の減速ギアだけでパワートレインを構成することができる．
図 5.6 エンジン車と EVのトルク特性・駆動性能の違い
実際，変速機の大出力化が困難である場合，たとえば，巨大なトラックや大型のディーゼル機関車などでは，近年のハイブリッド化の流れよりも前の時代から，エンジン出力をいったん発電機で電力に変換してからモータを駆動するシステムが実用化されている．
■5.1.3 モータの駆動トルクを制限する要因前述のモータの駆動トルクは，低速・0速度でも大きなトルクを発揮できる特性を
もつが，最大トルクには上限があり，また，中速・高速ではトルクが制限されたカーブを示す．図 5.7はモータの駆動トルクを制限する要因を示したものであり，低速と中・高速でトルクを制限する要因はそれぞれ異なる．低速度域で最大トルクを制約する要因は，モータに通電できる最大電流値の大きさ
で決まり，インバータのパワーデバイスの電流の上限や，モータの巻線電流の上限などの熱的な制約が支配的である．このほか，電流が大きくなればインバータの平滑コ
130 第 5章 電気自動車のモータ駆動システムの設計
図 5.7 モータのトルクを制限する要素
ンデンサの容量も大きくなるなど，電流の大きさはさまざまな部品の選定に影響を及ぼす．さらに，電流が小さいときには電流と出力トルクは比例するが，電流が大きくなるとモータの磁束が飽和するため，流す電流に対してトルクが出にくくなる．中速・高速でのトルクが双曲線状に低下する要因は，供給できる電圧には上限があ
り，モータの誘起電圧によってトルクぶんの電流を流しにくくなるためである．図 5.8
では，模式的にインダクタンス・抵抗と誘起電圧の関係を示しており，インバータ駆動で線間電圧に印加できる最大電圧はバッテリの直流電圧となり，誘起電圧が増加すると，通電できる電流は小さくなる．さらに，交流のモータでは電流の時間微分 Ldi/dt
の項は，電流の周波数が高くなる（回転数が速い）と大きくなることも影響する．
図 5.8 インダクタンス・抵抗と誘起電圧の関係
低速と中・高速でトルクを制限する最大出力ラインは，おもに電圧や電流の電気的制限で定まるラインである．大きなトルク・出力を発揮すれば，その損失によってモータ・インバータが発熱することになり，その温度上限によって出力できる時間に制限が加わる．とくに，速度が 0のときにモータの電流が直流のように一定値になると，インバータのある特定の相だけが発熱してしまうために，その相のデバイスが温度の上限に達しやすくなる．EVでは，登坂発進時や段差乗り越し時などが，とくに設計上注意すべき点である．
5.1 EVの駆動システム 131
モータ・インバータをどれだけ冷却できるかによって，時間の制約を受けずに連続出力できる運転範囲は制限される．温度を監視して運転範囲を制限するほか，前もって出力できる時間で制限することが必要になる．実際の EVの使われ方では，最大出力・トルクを発揮するシーンは多くはなく，比較
的小さいトルクの範囲での動作が多い．図 5.9は，米国市街地走行を想定した燃費測定モード EPA Urbanでのモータ動作点の一例を示しており，モータでの力行（加速）と回生（減速）いずれの領域でも，トルクの小さい領域に動作点が集中している．破線で囲んだ領域がモータ効率の高いエリアを示しているが，市街地走行などではモータ効率の高い範囲の使用率が高くならない．
図 5.9 EVのモータ動作点の例 (出典：公益社団法人自動車技術会「電動車における EV走行によるCO2 削減効果に関する検討」学術講演会前刷集，2008年 10月，No. 92-08)
■5.1.4 EVの駆動モータ制御構成図 5.10に，EVの駆動制御構成のブロック図を示す．ドライバーのアクセル・ブレー
キの指令を車両コントローラが受けて，モータコントローラにトルク指令を与える．図 5.11のように，モータ駆動の車両の場合には，モータは加速だけでなく，負のトルク指令を与えることでブレーキをかけつつ，運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリを充電する回生ブレーキ (regenerative brake)を用いている．ブレーキの踏み込みと速度に応じて，回生ブレーキの量と機械式のブレーキの制動
力の配分を行って，モータコントローラには負のモータトルク指令が送られる．また，通常のエンジン車では後進するときには後進のギアに切り替えているが，モータ駆動の車両では，トルク指令を負にすれば後進する駆動力となり，後進時にトルク指令が正となれば，前方向に進もうとするブレーキ力を発揮する．車両内の通信では，CAN (controller area network)を用いてデータ伝送を行ってお
り，通信周期 10 ms程度で伝送されることが多い．バッテリやインバータ，モータの
編 著 者 略 歴廣田 幸嗣（ひろた・ゆきつぐ）
1971年 東京大学工学系研究科電子工学修士課程修了1971年 日産自動車（株）中央研究所電子機器研究部1979年 商品開発本部ニューヨーク事務所所員1984年 日産自動車（株）総合研究所電子情報研究所主任研究員1992年 日産自動車（株）総合研究所電子情報研究所所長1999年 日産自動車（株）総合研究所研究推進部長2000年 カルソニックカンセイ（株）に入社，理事2006年 カルソニックカンセイ（株）テクノロジオフィサ2010年 日産自動車（株）EV技術開発本部技術顧問兼任
現在に至る
著 者 略 歴三原 輝儀（みはら・てるよし）
1974年 国立都城工業高等専門学校工業化学科卒業1974年 日産自動車（株）総合研究所1984年～1985年 東京大学電気電子工学科研究生1991年 日産自動車（株）総合研究所電子情報研究所主任研究員1995年～1998年 （株）ユニシアジェックス出向1998年 日産自動車（株）総合研究所電子情報研究所主管研究員2000年 日産自動車（株）総合研究所電子情報研究所所長2005年 日産自動車（株）総合研究所研究実験試作部部長2010年 カルソニックカンセイ（株）テクノロジオフィサ
現在に至る
吉本 貫太郎（よしもと・かんたろう）1999年 横浜国立大学大学院工学研究科電子情報工学専攻博士課程前期修了1999年 東日本旅客鉃道（株）入社2001年 日産自動車（株）総合研究所2010年 横浜国立大学大学院工学府博士課程後期修了 博士（工学）2009年 日産自動車（株）EVシステム開発部
現在に至る
菅野 雄一郎（かんの・ゆういちろう）1992年 国立仙台電波工業高等専門学校電子制御工学科卒業1992年 半導体・電源機器メーカ入社2002年 日産自動車（株）入社2008年 日産自動車（株）EV技術開発本部 EVパワートレイン開発部
現在に至る
丸山 渉（まるやま・しょう）1996年 三重大学工学部電気電子工学科卒業1996年 半導体メーカ入社2006年 日産自動車（株）入社2008年 日産自動車（株）EVパワートレイン開発部
現在に至る
編集担当 富井 晃（森北出版）編集責任 石田昇司（森北出版）組 版 プレイン印 刷 ワコープラネット製 本 ブックアート
技術者のためのパワーエレクトロニクス回路工学実力が身につく基礎理論から設計実務までの体系的知識
c© 廣田幸嗣・三原輝儀・吉本貫太郎・菅野雄一郎・丸山渉 2013
2013年 4月 12日 第 1版第 1刷発行 【本書の無断転載を禁ず】
著 者 廣田幸嗣・三原輝儀・吉本貫太郎・菅野雄一郎・丸山渉
発 行 者 森北博巳発 行 所 森北出版株式会社
東京都千代田区富士見 1-4-11 (〒102-0071)
電話 03-3265-8341/FAX 03-3264-8709
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Printed in Japan/ISBN 978-4-627-74341-0