パワーエレクトロニクス学入門 (改訂版) - 基礎から実用例まで -

パワーエレクトロニクス学入門 (改訂版)- 基礎から実用例まで -

  • 河村 篤男 横浜国大名誉教授・横浜国大寄付講座教授 工博 編著
  • 横山 智紀 東京電機大教授 博士(工学)
  • 船渡 寛人 宇都宮大教授 博士(工学)
  • 星 伸一 東京理科大教授 博士(工学)
  • 吉野 輝雄 東芝三菱電機産業システム(株) 博士(工学)
  • 吉本 貫太郎 東京電機大准教授 博士(工学)
  • 小原 秀嶺 横浜国立大准教授 博士(工学)

実用化が広まってきたマルチレベル電力変換技術や電気自動車の技術動向を加筆

ジャンル
発行年月日
2022/04/30
判型
A5
ページ数
264ページ
ISBN
978-4-339-00980-4
パワーエレクトロニクス学入門 (改訂版) - 基礎から実用例まで -
在庫あり

定価

3,410(本体3,100円+税)

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購入案内

  • 内容紹介
  • まえがき
  • 目次
  • 著者紹介

本書の特徴
電気・電子・情報系の学部学生が初めてパワーエレクトロにクスを学ぶ時の入門書(教科書)であり、基礎から始まり、学問体系の全体像が俯瞰できるように書かれている。さらに、後半7章では電気自動車を含めて実用例が詳しく解説してある。

本書の狙い
今後、CN(カーボンニュートラル)の分野がどのように発展しても、読者がこの教科書を使って、パワーエレクトロニクスの全体像を俯瞰しておけば、将来にわたり広い視野を持って活躍できるような人になってほしいとの意図をもって、この本はまとめてある。

改訂にあたり
1章「パワーエレクトロニクスの役割と基礎知識」:写真の追加。
2章「電力増幅と電力変換」:デバイスの追加説明。
3章「直流-直流変換」:電力変換の概念図の追加。
4章「直流-交流変換回路(インバータ)」:変調技術の追加説明。インバータの章を大幅に再構成し,実用化が広まってきたマルチレベル電力変換技術の基礎をわかりやすく書き起こした。
6章「交流-交流直接変換回路」:マトリックスコンバータの追加説明。
7章「システムとしてのパワーエレクトロニクス」:最新の電気自動車の技術動向,ディジタル制御機器や直流送電装置などを追加説明。
付録「PSIMソフトウェアの紹介(サンプル回路例)」:追加,修正

改訂版のまえがき
このまえがきを書いている時点で,東京2020オリンピックは1年遅れで開催され,日本は史上最大数のメダルを獲得した。かたやCOVID-19はまだ抑えきれておらず,地球温暖化の影響で熱い夏の祭典となった。ここ1年半は,空調の効いた空間で情報通信機器を利用したネット会議や,CO_2を削減する電気自動車を次世代移動手段としたいという世界的な要請の高まりなどのように,電気エネルギーを利用する省エネ技術などを核として,人流,物流,情報流が急速に変化してきた。そして,パワーエレクトロニクスはこのように急変する現代社会の社会インフラを構成する基盤技術として必要不可欠となっている。

2009年に初版を発行し,おかげさまで12年間で12刷を発行するに到った。過去12年の間に,電気自動車が発売され,LED照明は大幅に普及した。今後,新しいパワー半導体や再生可能エネルギー関連の新しい技術がますます発展していくと思われる。これからどのようにこの分野が発展しても,読者がこの教科書を使って,パワーエレクトロニクスの基礎を学習し,全体像を俯瞰することで将来にわたり広い視野を持って活躍できるようになってほしいとの意図をもって,新しい内容の追加・修正を行い改訂版を発行することになった。

今回の主たる改訂は,4章のインバータの章を大幅に再構成し,実用化が広まってきたマルチレベル電力変換技術の基礎をわかりやすく書き起こしたこと,および7章に最新の電気自動車の技術動向を加えたことである。これに伴い各分野の分野の専門家2名を著者に追加した。これ以外の修正は,1章での写真の追加,2章でのデバイスの追加説明,3章での電力変換の概念図の追加,4章での変調技術の追加説明,6章でのマトリックスコンバータの追加説明,7章でのディジタル制御機器や直流送電装置などの追加記述,付録でのPSIMの追加・修正記述などである。

この改訂の作業はすべてインターネットを使ったオンライン会議で行った。なお,この教科書に関して,忌憚のないご意見があれば,いつでも編集部までお知らせ下さいますようお願いします。

2021年8月末日
著者代表 河村篤男


まえがき
本書を書くことになったきっかけは,基礎パワーエレクトロニクス(ホフト先生原著,河村ほか訳,コロナ社,1988年)の本が10刷を越えたので,新しい内容を追加して今後20年は使える新しいタイプの教科書を書きたいと提案したことに始まる。パワーエレクトロニクスのパイオニアであるホフト先生の教科書は,基礎を中心に,何年経っても古くならない内容を丁寧にまとめてあったので,20年を越えるロングセラーとなった。著者もこの教科書で大学の講義を続けた一人である。1980年代に米国ミズーリ大学でホフト先生と一緒に仕事をした著者とその研究室の卒業生でこのような教科書を書くことになるとは,感慨深いものがある。折しも,2008年は,パワーエレクトロニクス生誕51年といわれている。1957年にSCR(silicon controlled rectifier)が出現した年を元年とするからである。

CO_2削減や地球温暖化などの地球環境問題は,世界的な規模での関心事となっており,これを救う技術の一つが,パワーエレクトロニクスであるといわれている。この学問は,電気エネルギーをいかに有効に利用するかを追求するもので,省エネルギー(省エネ)技術といってもよい。言葉としても広く浸透している“インバータ”は,パワーエレクトロニクスの産物である。現代生活を楽しみながら,エネルギーを節約した生活を送り,持続可能な社会を作るには,パワーエレクトロニクスの技術は必須である。1章の写真記事で紹介するように,蛍光灯照明,ハイブリッド車,新幹線,風力発電,インバータエアコン,あらゆる情報通信電気機器の電源装置などを含め,日常生活の中でパワーエレクトロニクスの恩恵を被っていないものはないといっても過言ではない。より一層の電化社会が到来すれば,パワーエレクトロニクス技術により,電気で物理的に動くものから,照明,通信,コンピュータ,IH調理まで電気で静かに動くものまで,省エネで効率よく日常生活を支えることの重要性は増してくる。

この教科書は,電気,電子,情報系の2年生から3年生が初めてパワーエレクトロニクスを学ぶときに,入門書として基礎をわかりやすく説明することを念頭に置いて書いてある。電力増幅の考え方から始まり,直流-直流変換,インバータ,整流器の順で説明してある。1学期で教える場合は,14回程度の講義で完結するように工夫してある。また,章末問題には,その章で学んだことのほかに,PSIMでの演習問題も含んでいる。一部のより詳しい解答などは(株)コロナ社のwebページ(https://www.coronasha.co.jp/)の本書関連ページで公開してある。さらに,この教科書の特徴として,最終章である7章に実用例紹介として,現場のエンジニアの視点から現実のパワーエレクトロニクス技術について書いていただいた。ここだけは内容が高度なものが多いが,現実の技術者の“わざ”を垣間見てほしい。特に,7.9節では,今,話題のパワーエレクトロニクス応用技術に関してまとめた。

著者の数が5名になったが,2回の合宿と4回の会合を実施し,意識あわせを行った。大学の教員(元エンジニア,国内外大学教員経験者)と現エンジニアの多彩な経歴の組合せで異なる観点から原稿をまとめてある。また,著者らの人脈を利用して,いろいろな方々から写真や資料を提供していただいた。特に,写真を提供していただいた,原修次氏(JR東海(株)),山下哲司氏(東芝キャリア(株)),坂本潔氏((株)日立製作所),松本康氏(富士電機アドバンストテクノロジー(株)),安田丈夫氏(東芝ライテック(株)),大森英樹氏(松下電器産業(株)),住吉眞一郎氏(松下電器産業(株)),および,写真と貴重な資料を提供していただいた寺谷達夫氏(トヨタ自動車(株))に厚く御礼申し上げる次第である。また,コロナ社の辛抱強い忍耐力のおかげでここまで仕上がった点も明記しておきたい。

この本の内容に関して,忌憚なきご意見を賜れば,講義に反映してよりよい教育を目指すことができますので,ご意見があれば是非お寄せください。

2008年11月
著者代表 河村篤男

1. パワーエレクトロニクスの役割と基礎知識【河村】
1.1 パワーエレクトロニクスの役割
 1.1.1 インバータ電車,ハイブリッド車,LED照明
 1.1.2 電力変換の四つの形
 1.1.3 パワーエレクトロニクスの効果
 1.1.4 パワーエレクトロニクスの要素分野
1.2 応用分野(動くもの,動かないもの)
1.3 基礎知識
 1.3.1 平均値と実効値
 1.3.2 電力
 1.3.3 三相交流,線間電圧,相電圧
 1.3.4 フーリエ級数と歪率
 1.3.5 力率
章末問題

2. 電力増幅と電力変換【船渡】
2.1 電力増幅と電力変換の相違点と共通点
2.2 可変抵抗を用いた電力変換の原理とその効率
2.3 スイッチを用いた電力変換の原理とその効率
 2.3.1 理想スイッチによる電力の変換
 2.3.2 実際のスイッチの動作と損失
 2.3.3 スイッチを用いた電力変換回路の効率
2.4 スイッチとして用いる半導体デバイス
 2.4.1 スイッチの機能と分類
 2.4.2 スイッチの移行条件と維持条件
 2.4.3 ダイオード
 2.4.4 トランジスタ,MOSFET,IGBT
 2.4.5 組み合わせて逆電圧に対応したスイッチ
 2.4.6 サイリスタ,GTO
 2.4.7 スイッチのオンオフ判定
章末問題

3. 直流-直流変換【船渡】
3.1 LCの働き
 3.1.1 LCの定常状態におけるふるまい
 3.1.2 平滑作用
 3.1.3 フィルタ作用
3.2 チョッパ回路
 3.2.1 降圧チョッパ
 3.2.2 昇圧チョッパ
 3.2.3 昇降圧チョッパ
 3.2.4 各種チョッパの比較
 3.2.5 実際のチョッパにおける注意点
 3.2.6 双方向チョッパ
 3.2.7 出力象限の拡大
3.3 DC-DCコンバータ
 3.3.1 フォワードコンバータ
 3.3.2 フライバックコンバータ
 3.3.3 ほかの絶縁型コンバータ
章末問題

4. 直流-交流変換回路(インバータ)【星,小原】
4.1 インバータの種類
4.2 電圧形インバータの基本回路と基本動作
4.3 単相電圧形インバータ
 4.3.1 ハーフブリッジインバータ
 4.3.2 フルブリッジインバータ
4.4 三相電圧形インバータ
 4.4.1 3レグインバータ
 4.4.2 V結線インバータ
4.5 マルチレベルインバータ
 4.5.1 ダイオードクランプ方式
 4.5.2 フライングキャパシタ方式
 4.5.3 カスケード接続方式
4.6 出力電圧の振幅制御方法
 4.6.1 低次高調波消去方式PWM制御
 4.6.2 正弦波PWM制御
 4.6.3 ヒステリシス制御
 4.6.4 空間ベクトル変調
4.7 インバータの応用
 4.7.1 CVCF
 4.7.2 VVVF
4.8 モータドライブ
 4.8.1 誘導電動機の制御
 4.8.2 永久磁石同期電動機の制御
章末問題

5. 交流-直流変換回路(整流回路)【星】
5.1 整流回路の分類
5.2 他励式整流回路
 5.2.1 単相ダイオードブリッジ整流回路
 5.2.2 三相ダイオードブリッジ整流回路
 5.2.3 単相サイリスタブリッジ整流回路
 5.2.4 混合ブリッジ整流回路
5.3 PWM整流回路
5.4 複合整流回路
章末問題

6. 交流-交流直接変換回路【吉野,河村,小原】
6.1 サイクロコンバータ
 6.1.1 目的・手段・用途1756.1.2実現方法
6.2 交流位相調整回路
 6.2.1 目的・手段・用途1796.2.2実現方法
6.3 マトリックスコンバータ
 6.3.1 目的・手段・用途
 6.3.2 実現方法
章末問題

7. システムとしてのパワーエレクトロニクス
【吉野,横山,河村,吉本】
7.1 組み合わせた変換回路
 7.1.1 間接交流-交流変換
 7.1.2 チョッパとインバータの組合せ
 7.1.3 多重化変換器
7.2 IGBT回路設計
 7.2.1 IGBTの選定
 7.2.2 IGBTの電圧・電流ストレス
 7.2.3 IGBT回路設計概要
7.3 ゲート駆動回路
 7.3.1 ゲート電圧・電流
 7.3.2 ゲート回路の要素
 7.3.3 ゲート回路によるオンオフ動作制御
7.4 熱設計
 7.4.1 IGBT装置の発熱要素
 7.4.2 IGBTモジュールの損失
 7.4.3 冷却方式
 7.4.4 温度上昇計算
7.5 保護回路
 7.5.1 故障検出と除去
 7.5.2 過大ストレスの抑制
7.6 センサ
 7.6.1 電流センサ
 7.6.2 電圧センサ
 7.6.3 温度センサ
7.7 制御回路(コントローラ)と開発環境
 7.7.1 パワーエレクトロニクス用コントローラ
 7.7.2 コントローラの構成
 7.7.3 ソフトウェア開発環境
7.8 制御理論および制御アルゴリズム(制御手法)
 7.8.1 制御の区分
 7.8.2 制御理論と制御手法
 7.8.3 制御ループの多重性
7.9 応用例
 7.9.1 UPS
 7.9.2 系統連系インバータ
 7.9.3 周波数変換
 7.9.4 MMC変換器を用いた直流送電
 7.9.5 プリウスやe-POWERなどの電動車両

付録:PSIMソフトウェアの紹介(サンプル回路例)
引用・参考文献
章末問題の略解

河村 篤男

河村 篤男(カワムラ アツオ)

私の専門は、一言でいえば、パワーエレクトロニクスをベースにしたモーション電子制御です。一般的には、"Mechatronics(メカトロニクス)"と呼ばれますが、 新しく"Motionelectronics"というコンセプトを提案して教育と研究を続けています。2足歩行ロボットや電気自動車などのいろいろなハードを学生さんと一緒に製作してきました。2019年3月に横浜国立大学を定年退官し、現在は、同大で寄附講座の教授を務めています。この本は、研究室の博士課程の修了生が中心となってまとめていますので、なにかしらの共通のコンセプトによって筋が通っているのではないかと感じています。

横山 智紀

横山 智紀(ヨコヤマ トモキ)

東芝で燃料電池用インバータの開発などを経験した後、大学でパワーエレクトロニクス、ディジタル制御などの研究をしています。

「パワーエレクトロニクス学入門 (改訂版) - 基礎から実用例まで -」は、パワーエレクトロニクスの基礎から応用まで、幅広く学べる構成となっています。応用部分に関しては、企業における製品開発の知見も含めて、くわしく述べられているので、読み物としても楽しくご覧いただけるものとなっていると思います

船渡 寛人

船渡 寛人(フナト ヒロヒト)

私の専門はパワーエレクトロニクスの中心である電力変換回路です。電気自動車,太陽光発電やエアコンなど,現代における電気エネルギーの多様な活用を支えている縁の下の力持ちです。

「パワーエレクトロニクス学入門 (改訂版) - 基礎から実用例まで -」では,第2章と第3章を担当しました。スイッチングに起因して回路の構造が変化してしまうのが電力変換回路の特徴です。電力変換回路の原理を学ぶのに,難しい数式はあまり出てきませんが,電流の流れ方,各部の電圧を複眼的に捉える力が必要です。簡単な変化でも初学者には理解が難しいものです。本書では,スイッチングによる回路の変化をできる限り省略せずに説明しております。学部学生のみならず,パワーエレクトロニクス技術の習得にチャレンジする方にもお勧めします。

星 伸一

星 伸一(ホシ ノブカズ)

私は,無機水素化物の加水分解による水素生成から電気エネルギーとしての利用までエネルギー変換の研究を幅広く行っています。その中心的な役割を果たしているのがパワーエレクトロニクス回路になります。例えば,水素を燃料として,エンジン発電機や燃料電池により発電することができますが,そこで得られた電力を家電製品に供給したり,モータを駆動したりするためにパワーエレクトロニクス回路が用いられています。今日では,パワーエレクトロニクス回路は至る所で使われており,今後も応用範囲は拡大していくものと考えています。本書がパワーエレクトロニクスを学ばれる方の一助になると嬉しく思います。

吉野 輝雄

吉野 輝雄(ヨシノ テルオ)

学生時代にオイルショックというエネルギー不足問題を経験し、エネルギー関連に貢献できる就職先を選択、以来、直流送電用変換装置など大きなものでは数百MWクラスの装置を開発設計しています。今も温暖化などエネルギー問題があり、対策としてカーボンニュートラルが提唱されています。将来、エネルギーの主役は化石燃料から再生可能エネルギーなどによる電力に移行するとされ、パワーエレクトロニクスは電力を扱うキー技術と期待されています。業務経験にもとづき実践的な設計技術や大容量変換装置の事例を紹介しましたが、2050年カーボンニュートラル実現を担う世代の勉学のお役に立ち、間接的にでも実現に貢献できればと考えています。

吉本 貫太郎

吉本 貫太郎(ヨシモト カンタロウ)

日産自動車での電動車の研究・先行開発・製品開発に携わり、この20年の間に自動車の大きな変化を見てきました。道路を走るクルマを見れば、バッテリ電気自動車、ハイブリッド電気自動車、「電動モータ」を搭載した自動車が必ず目に入ります。パワーエレクトロニクスは、モータを駆動・制御するだけでなく、バッテリの充電なども含め、電動車を支える重要な分野です。本書では、電動車を知るための入り口として、システムや技術を紹介しています。より興味を持った方は、自動車会社や自動車部品メーカの技報などをご覧いただくと、より理解・関心が深まると思います。

現在は、東京電機大学にて電動モビリティの研究を行うとともに、電磁気学・電気回路などの電気分野での講義を担当しています。将来の自動車・交通分野に貢献できる技術と人を提供し、喜びやワクワクを伴う技術で地球の様々な問題を解決することを目指しています。

小原 秀嶺

小原 秀嶺(オバラ ヒデミネ)

私は、パワーエレクトロニクスの中でも特に回路技術やその応用、ゲートドライブ等の周辺技術に関する研究を行っています。私が学生の頃から「パワーエレクトロニクス学入門」は教科書として有名でしたが、今般、改訂版より著者に加えて頂き、この著名な教科書のアップデートに微力ながら貢献できたことを大変嬉しく思います。本書では、主にマルチレベルインバータやマトリックスコンバータといった、ここ10年ほどで実用化が進んだ比較的新しい回路技術の加筆を担当しました。私が旧版とともに歩んで来たように、本書が次世代のパワエレ人材のバイブルとなり、本分野のさらなる発展に寄与することを願っています。