エンジニアの悩みを解決 パワーエレクトロニクス - パワーデバイスを使いこなす設計・計測・自動車への展開 -

エンジニアの悩みを解決 パワーエレクトロニクス - パワーデバイスを使いこなす設計・計測・自動車への展開 -

電気全般の測定を行う方必携!自動車・電源(スィッチング,サーバー)半導体デバイス関係

ジャンル
発行年月日
2020/07/15
判型
A5
ページ数
304ページ
ISBN
978-4-339-00933-0
エンジニアの悩みを解決 パワーエレクトロニクス - パワーデバイスを使いこなす設計・計測・自動車への展開 -
在庫あり

定価

4,730(本体4,300円+税)

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  • 内容紹介
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【本書の目的】
 パワーエレクトロニクスに関わっている研究者・技術者の方から,パワーデバイス,電気自動車,計測技術について学びたいという声をよく聞きます。本書は,この3項目を取り上げ,研究者や技術者の疑問を解決するのが目的です。

【読者対象】
2章~6章のパワーデバイスは,パワーエレクトロニクスの初学者はもちろん,パワーエレクトロニクスに携わっている技術者,研究者も幅広く活用できるよう構成しました。7,8章の電気自動車と9,10章の計測技術は,すでにパワーエレクトロにするに携わっている技術者,研究者を対象としています。

【本書の特徴】
 パワーデバイス,電気自動車,計測技術の理解を深めるため,次の特徴を持って書いています。
◎パワーデバイスを使いこなすための半導体物性と適用のノウハウを記載
パワーデバイスを使いこなすためには,半導体物性という物理現象と安定的に動作させるノウハウが必要です。2章で,デバイス理解に必要とされる項目と数式を抽出し,半導体物性について分かりやすく説明しました。3~5章で,こうした物理現象とデバイス特性との関係を説明,6章でゲート回路,デバイス選択など使いこなしノウハウを紹介しました。
◎実際のハイブリッドカーに搭載されたパワーコントロールユニットの解体調査
 電気自動車の心臓部となるパワーユニットについて,2代目プリウムを解体し,そのパワーコントロールユニットの構造,動作特性について,写真と図を交えながら詳しく説明しています。
◎電気自動車に使われる受動素子の設計方法
 電気自動車で使用するコンデンサ,インダクタ,抵抗について,その原理,種類と特徴,設計方法,設計ノウハウについて,数式と具体例を挙げて解説しています。
◎パワエレで必要とされる具体的な測定例を紹介
 個人的なスキルに依存しているパワーエレクトロニクスの測定技術について,計測メーカの現役エンジニアが,測定の基礎とノウハウについて,体系的に解説しています。また,具体的な測定事例として,モータ駆動用インバータ,ワイドバンド半導体GaN,磁性材材料の特性,実際の車のPCU特性,を取り上げています。

【著者からのメッセージ】
 物事を理解するためは,現物や実際の現象を経験するのが一番です。そこで,本書では,必要に応じて,「実際の〇〇を測ってみると・・・」「実際の〇〇を調べてみると・・・」の項目を設けています。ダイオード,GaNデバイス,MOSFET,IGBTの動作波形を掲載しています。また,市販されているハイブリッドカーのインバータと双方向チョッパの測定方法,測定波形と紹介しています。このテキストを読んで,エンジニア・研究者の皆さんが,これまでの悩みや疑問を解決できる一助となることを期待しています。

2010年代に起きた二つの出来事は,エネルギーに対する人々の考え方を大きく変えるきっかけとなりました。その一つが2011年3月11日の東日本大震災で,もう一つが2019年10月12日に伊豆半島に上陸した台風19号による甚大な災害の発生です。

東日本大震災の後には,電力不足による計画停電が実施され,福島第一原子力発電所の事故により,われわれは電力・エネルギーの大切さを改めて認識しました。電気の使えない時間が定期的に訪れるというのは,想像を超えた不自由な生活でした。そして,台風19号の襲来は,かつてない巨大台風がいつ上陸してもおかしくない現実をわれわれに突き付けました。台風の巨大化は地球温暖化が原因といわれています。地球温暖化を抑制する脱炭素化社会の実現は,もはや待ったなしなのです。

こうした,環境に配慮したエネルギー問題を解決するため,多くの方法が提案されています。電気電子工学では,発電工学やグリーンエネルギーといった分野がありますが,根幹となるのがパワーエレクトロニクス(以下,パワエレ)であることは間違いありません。

パワエレは,電子回路とパワーデバイス(エレクトロニクス)を使って,電力(パワー)を制御する技術で,発電,送電,電力利用のあらゆる局面で使われています。例えば,太陽光発電は直流出力であり,この電力で家電製品を動かしたり,電力系統に戻したりして使用するには,周波数50あるいは60Hzの交流100Vに変換する必要があります。

また,パワエレ技術は,電力分野だけでなくエレクトロニクスの分野でも,きわめて重要です。スマホの充電がワイヤレスでできるようになったのもパワエレ技術の展開です。PC内部には多数の直流電圧変換器が入っており,バッテリの電圧を,液晶ディスプレイ,USB,SSDなどそれぞれのデバイスに必要な電圧に変換しています。

こうした見地から,もっと多くの学生,研究者,技術者がパワエレの基礎や応用を習得し,新しい技術を創出すべきと考えています。そこで,2017年には,パワエレ回路とそれを使ったモータ駆動,パワエレ計測の基礎について解説した『これでなっとく パワーエレクトロニクス』を出版しました。出版後,パワーデバイスについて基礎から実用までを知りたい,電気自動車に使われているパワエレ技術を知りたい,より一層突っ込んだ計測技術について知りたいという意見をいただきました。

そこで,前回計測部分を執筆した長浜氏に加え,パワエレ業界に精通する元株式会社パワエレアカデミーの服部氏を迎えて内容を検討し,髙木がパワーデバイス,服部氏が電気自動車,長浜氏が計測技術を執筆担当することを決めました。執筆にあたり,中古のハイブリッドカーを入手してパワーユニットの調査を行い,その調査結果・測定手法を本書に加えました。また,電気自動車の主要なパワエレ要素の解説は各々専門とする今岡氏,佐藤氏,平沢氏,向山氏に依頼しました。

こうした経緯を経て完成したのが本書です。前回のテキストは,その対象をおもに初学者としましたが,本書の電気自動車(7,8章)と計測(9,10章)はすでにパワエレに携わっている技術者,研究者を対象としています。また,パワーデバイス(2~6章)は,初学者はもちろん,パワエレに携わっている技術者,研究者も幅広く活用できるよう心掛けました。

それぞれの項目で,具体的なイメージを持てるよう「実際の波形を測ってみると…」「実際の○○を調べてみると…」の項目を加えました。ここでパワーデバイスの動作波形や実際の部品の写真,構成を紹介しています。

最初に述べましたようにパワエレは,地球に優しいエネルギー開発の基礎となる重要分野です。1人でも多くの学生,研究者,技術者がこの本を活用して新しい技術を開発し,この分野を一層発展させてくれることを切に望みます。

なお,3.4節,4.1.3項,4.4.4項に掲載した測定回路と実際のデバイス写真・波形は,横浜国立大学にて開講された「NEDO先端パワーエレクトロニクス技術体系教育講座ベーシック・コース2018夏学期」でのテキストと実習結果を参考にさせていただきました。教育プログラムへの参加,データ掲載への許可につきまして,横浜国立大学の関係各位に心より感謝いたします。

2020年5月     執筆者を代表して 髙木茂行

1.サステイナブル社会を実現するパワーエレクトロニクス
1.1 大きな社会問題:地球温暖化
1.2 サステイナブル社会に向けて~再生可能エネルギーと電気自動車~
 1.2.1 温暖化対策とサステイナブル社会に向けた政策
 1.2.2 再生可能エネルギーの導入
 1.2.3 電気自動車の普及
1.3 サステイナブル社会に向けたノルウェーの挑戦
1.4 再生可能エネルギーと電気自動車を支えるパワーエレクトロニクス

2.半導体物性が決めるパワーデバイスの特性
2.1 パワーエレクトロニクスとパワーデバイス
 2.1.1 パワーデバイスの分類と開発の流れ
 2.1.2 パワーデバイスの特徴と用途
2.2 パワーデバイスの理解に必要な基礎物性
 2.2.1 バンドギャップの正体とバンド図
 2.2.2 金属,半導体,絶縁物とフェルミレベル
 2.2.3 純粋なSiの真正半導体と混ぜ物が主役を果たすn型,p型
 2.2.4 電子密度の定量的扱い(半導体工学の鬼門)
 2.2.5 デバイスの動作速度も支配する移動度

3.パワーダイオードの耐圧とスイッチング速度
3.1 パワーダイオード
3.2 pn接合型ダイオード
 3.2.1 pn接合
 3.2.2 高耐圧を実現するpin構造
 3.2.3 リカバリー動作と高速リカバリーダイオード
3.3 もう一つのダイオード:ショットキーダイオード
3.4 実際の波形を測ってみると~pn接合型ダイオードとショットキーダイオード~

4.パワーデバイスで最も重要なMOSFET,IGBT
4.1 パワーMOSFET
 4.1.1 低出力用途の横型(プレーナ型)MOSFET
 4.1.2 高出力用途の縦型MOSFET
 4.1.3 実際の波形を測ってみると~縦型MOSFETの静特性・動特性~
4.2 IGBT
 4.2.1 構造と動作原理
 4.2.2 トランジスタ部分の特性
 4.2.3 IGBTの動作特性
 4.2.4 実際の波形を測ってみると~IGBTのスイッチング波形~

5.Siデバイスを超えるワイドバンドギャップ半導体
5.1 ワイドバンドギャップ半導体の特徴と用途
 5.1.1 特徴
 5.1.2 広がる応用用途
5.2 ワイドギャップ半導体の温度特性
5.3 ワイドギャップ半導体の耐圧・抵抗
 5.3.1 耐圧とON抵抗のトレードオフ関係
 5.3.2 バンドギャップは耐圧の要
 5.3.3 絶縁破壊電圧とON抵抗の定式化
5.4 実際の波形を測ってみると~GaNデバイスとSiデバイスの比較~

6.パワーデバイスと回路をつなぐエンジニアリング
6.1 パワーデバイスの動作点
 6.1.1 デバイス静特性と負荷線から求まるデバイスの動作点
 6.1.2 負荷線と動作点
6.2 パワーデバイスの損失
 6.2.1 電流で定義されるターンON,ターンOFF
 6.2.2 パワーデバイスの損失
6.3 パワーデバイスのゲート回路
 6.3.1 ゲート回路の絶縁
 6.3.2 ゲート駆動回路の電流と電力
 6.3.3 MOSFETとIGBTのゲート回路
6.4 パワーデバイスの選定・確認
 6.4.1 安全動作領域とディレーティング
 6.4.2 ディレーティングと信頼性を考慮した電圧・電流
6.5 パワーデバイスの発熱
 6.5.1 とにかく重要な接合部温度
 6.5.2 熱抵抗による接合部温度の見積り
 6.5.3 熱抵抗の求め方
6.6 ハイブリッドカーのパワーデバイスユニット

7.パワーエレクトロニクス技術のかたまり・電気自動車
7.1 電気自動車とは
 7.1.1 電気自動車の歴史と普及の背景
 7.1.2 電気自動車のメリットとデメリット
 7.1.3 エコカー(対応環境車)の種類
 7.1.4 電気自動車の実力は
7.2 ハイブリッド・電気自動車に使われているパワーエレクトロニクス技術
 7.2.1 PCUとは
 7.2.2 PCUの構成と回路
7.3 電気自動車におけるモータ制御
 7.3.1 力行と回生
 7.3.2 電気自動車用インバータの基本
 7.3.3 インバータの動作原理
 7.3.4 インバータで任意の電圧を出力する方法
 7.3.5 PWMのスィッチングパターン生成方法
 7.3.6 過変調動作と1パルス動作の利用
 7.3.7 デッドタイムの必要性
7.4 DC―DCコンバータ

8.電気自動車に使われる受動素子
8.1 コンデンサ
 8.1.1 コンデンサの基本原理(電気容量と誘電体特性)
 8.1.2 コンデンサのインピーダンス特性
 8.1.3 コンデンサの種類とその用途
 8.1.4 電気自動車用コンデンサを設計する
 8.1.5 電気自動車用インバータのフィルムコンデンサ
 8.1.6 実際の電気自動車用インバータのフィルムコンデンサを調べてみると
8.2 インダクタ
 8.2.1 インダクタの基本原理
 8.2.2 パワーエレクトロニクス回路に使用される磁性体コア
 8.2.3 電力変換回路上でのインダクタと高周波動作・サイズの関係
 8.2.4 磁気回路法を使って電気自動車用インダクタを設計する
8.3 抵抗
 8.3.1 抵抗の基本原理
 8.3.2 抵抗の用途と選定・使用上の注意点

9.パワーエレクトロニクス測定に利用する電圧・電流プローブ
9.1 パワーエレクトロニクスに必要とされる回路機能とプローブ
 9.1.1 パワーエレクトロニクスの機能
 9.1.2 パワーエレクトロニクスの測定に使われるプローブ
9.2 電圧プローブ
9.3 電流測定用センサ
 9.3.1 間接測定方式プローブの原理および特性
 9.3.2 間接検出の電流プローブ
 9.3.3 直接検出の電流プローブ

10.パワーエレクトロニクスの測定項目と測定事例
10.1 パワーエレクトロニクスに必要とされる回路機能と測定器
10.2 電圧・電流波形を測定する
 10.2.1 ディジタルオシロスコープ
 10.2.2 アイソレーションディジタイザ
10.3 電力(瞬時電力および平均電力)を測定する
 10.3.1 瞬時電力測定
 10.3.2 パワーアナライザ(平均電力測定)
10.4 デバイスのスイッチング特性を測定する
10.5 受動部品の特性を測定する
 10.5.1 周波数特性
 10.5.2 磁性体材料試験
10.6 実際の波形を測ってみると~高速パワーデバイスGaNのスイッチング~
10.7 実際の波形を測ってみると~ハイブリッド車のインバータと双方向チョッパ~

引用・参考文献
索引

高木 茂行

高木 茂行(タカギ シゲユキ)

 31年間、(株)東芝に勤務し、2015年に東京工科大学に工学部が設立される時に、電気電子工学科の教員として採用されました。企業経験が長かったこともあり、研究室では、実践的・実用的な研究に重点を置いています。「使ってもらってこそ工学の研究」というのが、基本的な考えです。
 入社後の15 年間は、NEDOプロジェクトで高電圧・大電流を扱うガスレーザの研究開発に取り組みました。プロジェクト終了後は、シミュレーションを使った液晶・半導体のプロセス開発・改善に取り組み、国内のクリーンルームを転々としました。レーザから半導体へと専門分野を変わる時は、慣れない分野で苦しみもありましたが、変わることにより多くの成果を上げることができました。「研究者・技術者のも社会の要請に対して変化しなければならない」とうのがもう一つの考えです。
 東京工科大学ではパワーエレクトロニクスを担当しています。パワー半導体で電力を制御するという複合技術による応用研究です。企業で経験したレーザ開発は電力を制御する技術、半導体シミュレーションはパワー半導体を効率よく活用する技術に結びついています。パワーエレクトロニクスが応用研究という点は、「使ってもらってこそ工学」という考えに直結しており、とても気に入っているテーマです。
 最後に少しだけ趣味の話を。大学時代に研究室のメンバーと槍ヶ岳に登って以来、山の魅力にとり付かれました。会社の同期2名と南アルプスを縦走した時、光岳の山頂に「日本百名山達成」というプレートがかけられていました。同行していた2人から深田久弥さんの日本百名山について教えてもらい、「いつか自分も日本百名山」と思い始めました。その後、日本百名山で最北の利尻岳から、最南の宮之浦岳(屋久島)までをコツコツと登り、94座まできました。残りは、北アルプスの五竜岳など6座です。達成できる日を楽しみにしています。

長浜 竜

長浜 竜(ナガハマ リュウ)

 パワーエレクトロニクス計測に深く関わるまでに、測定に関わる4つの転機がありました。
 一つ目は、岩崎通信機(略称:IWATSU)において測定技術サポートを始めた当初、ゲーム機、PC、サーバーなどの高速デジタル回路のタイミング計測における経験です。機器の小型化が進むにつれて、高速高密度実装された基板上のプロービングに苦労しました。その上、スイッチング電源から発生するリップルによるタイミング変動が大きく現れる事がわかり、電源変動を抑えるための対策を施すこともありました。
 二つ目は、パワエレ研究室でのTDR(Time Domain Reflectometry)測定です。高速シリアル通信の基板設計、ケーブル解析で頻繁に使われるTDRですが、パワーデバイスの高周波化によって、インバータ・モータに利用されるケーブルのインピーダンス特性などを把握する必要がありました。
 三つ目の出来事は、同じパワエレ研究室における高精度パワーアナライザによるインダクタのコアロス測定です。当時から、磁性体材料の損失の多角的評価には、B-Hアナライザが国内の標準機として使われていましたが、低コストで簡易的に測定する手法として数多くのエンジニアに提案することができました。
 その後、高速・高電圧パワーデバイスSiC/GaNが入手できるようなり、高周波に対応した低歪みプロービング、配線間クロストークなど、高速デジタル回路の測定経験がパワーエレクトロニクスに生かされています。
 これまでの経験を生かし、正確に測定するために知っておくべき電圧・電流・電力測定、プロービングの基本について、「これでなっとくパワーエレクトロニクス」で紹介する機会を頂きました。
 そして、「エンジニアの悩みを解決パワーエレクトロニクス - パワーデバイスを使いこなす設計・計測・自動車への展開 - 」では、様々なパワーエレクトロニクス回路、システムを評価するための2つの課題と測定事例を紹介させて頂きました。
 一つ目は、省エネ化に対応した電流・電圧の高精度測定です。わずかな測定方法の違いによって、波形の歪みが現れる事もあり、電力測定に影響を与えてしまうことがあります。
 二つ目は、電圧・大電流を安心して測定する方法です。測定方法を誤ってしまうと、パワーデバイスの焼損、短絡事故などの大きな事故につながることがあります。高電圧・大電流を安心して測定するための方法を提案します。
 最後に、プリウスのインバータなどの実測における測定のポイントなどを紹介致します。

服部 文哉(ハットリ フミヤ)

今岡 淳

今岡 淳(イマオカ ジュン)

名古屋大学の今岡と申します。研究分野はパワーエレクトロニクスで、受動素子(特に磁気部品)から回路技術、化合物半導体(GaN, SiCなど)応用やノイズ抑制技術など様々なことに興味をもって研究しています。また、最近ではモデリングやシミュレーション技術などにも力を入れて研究しています。本書は、いろいろな立ち位置での専門家が作成されていますので、パワーエレクトロニクス全体を俯瞰して考えてみたい方、パワーエレクトロニクスをより詳細に勉強されたい方、などどちら方にも必要な要素が入っておりますので、もし良ければ手に取ってみてください。

佐藤 大介(サトウ ダイスケ)

平沢 浩一

平沢 浩一(ヒラサワ コウイチ)

著者略歴:1982年より気象庁にて第一級無線技術士として気象衛星の運用に従事。東京理科大学にて修士(工学)を取得したのを機に電気・電子の知識を機器設計に活かしたくなり家電メーカに転職。2000年に故郷の抵抗器を主力製品とするKOA株式会社に転職。家電メーカでのテレビやディスプレイなどの設計経験を活かし、抵抗器ユーザの目線で抵抗器の開発や要素技術の研究に携わる。使用状況に応じた抵抗器の選定や最適な基板パターン設計などユーザサポートの経験も豊富。近年、表面実装部品の熱問題に取り組んでおり、2017年に電子機器のサーマルマネジメント関連の研究で熊本大学にて博士(学術)を取得。2020年現在、JEITA(一般社団法人 電子情報技術産業協会)でサーマルマネジメント標準化グループの主査も務める。
著者より一言:本書では、抵抗器の用途に応じて「選定の際にはここだけは押さえてほしい」という特性をピックアップしました。設計の一助となれば幸いです、最近、抵抗器の熱問題が、特に車載電装機器分野で深刻化しており、規格見直しを含む活動にも広がっています。KOAホームページで紹介されている「端子部温度規定」も小職が推進している活動ですので是非ご覧ください。

向山 大索

向山 大索(ムカイヤマ ダイサク)

東京理科大学理工学研究科にて修士(理学)を取得、磁性体の分野で著名な守谷亨先生の研究室にて金属磁性体の理論研究に携わりました。その後、東京で2年ほど歪ゲージの会社(東京測器研究所)に勤め、Uターンしルビコン株式会社に転職し現在に至るのですが、2018年4月より名古屋大学大学院電気工学専攻(社会人博士後期課程)に進学し、山本真義先生の研究室(パワーエレクトロニクス研究室)に在籍しております。現在の研究分野はコンデンサの設計に関わる部分で、アルミ電解コンデンサの電気的等価回路の理論研究、新しい誘電体セラミックスを用いたコンデンサの研究などで学位取得を目指しております。そのような中で山本研究室の同期である服部先生より、今回の執筆依頼(受動素子・コンデンサの章)をいただいた次第です。受動素子であるコンデンサですが、実際に電界エネルギーを貯める誘電体の性質が損失にどのように関わるのか?また、その損失の周波数依存を加味しコンデンサの発熱を推定するにはどうしたらよいか?などの実際に部品選定で必要になる事項が書かれた回路設計者向けの書籍はあまり見かけません。今回、この部分について説明してみましたので、参考にして頂ければ幸いです。

掲載日:2020/10/01

「電子情報通信学会誌」2020年10月号広告

掲載日:2020/08/03

「電子情報通信学会誌」2020年8月号広告

掲載日:2020/07/31

日刊工業新聞広告掲載(2020年7月31日)

掲載日:2020/06/24

「電気学会誌」2020年7月号広告

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