科学技術と共に歩む

ノートパソコンやスマートフォンを家庭の壁コンセント（実効値100Vの交流）に直接接続すると，これらの機器は発火・発煙して壊れる。電子機器の正常な動作には，それぞれの機器に合ったACアダプタのようなコンバータが必要である。英語のconvertを語源としたコンバータは，直流（DC）や交流（AC）を直流に変換する電源回路であり，変換元の電源形態に応じてDC-DCコンバータ，AC-DCコンバータと呼ばれている。電子機器の多機能化・ディジタル化の進展に伴って，半導体素子のオン・オフ機能に基づくコンバータが複数搭載されている機器も増加傾向にある。

コンバータは，外乱による出力電圧や電流の急変があっても，パワー半導体素子のオン・オフのタイミングを調整して所定の出力電圧を維持する制御機構が重要である。この制御機構に関する理論は，スイッチング電源に限らず，ロボットや車などを自在に動かすために必要な学問である。最近は，シミュレータを使って試行錯誤を繰り返せば，一応，コンバータ設計ができるので，制御理論の学習を疎かにしがちであるが，「制御理論」を理解してシステム設計をすると，無駄な試行錯誤を大幅に削減できる。また，所望の動作をしないコンバータの多くは制御系に問題を抱えていることが多いので，電源回路の設計者は制御理論を熟知しておくことが大切である。

制御理論発展の歴史を振り返ると，「古典制御」の全盛期であった1930～1950年，システム動作を記述する微分方程式をラプラス変換した伝達関数を基に，システムの動作安定性，時間応答や周波数応答などが詳細に研究されてきた。そのなかでも，「ナイキストの安定判別法」（フィードバック制御系の安定性を判別する方法の一つ）はスイッチング電源回路設計の基盤になっている。

マイクロプロセッサが登場してきた1960年代以降は，システムの状態変数の時間推移を逐次計算する「現代制御」も研究されてきたが，コンバータの制御には今日なお「古典制御」が多用されていることから，本書では制御の範囲を「古典制御」に限定して説明する。

1～5章では，基礎的なレベルから「古典制御」を詳しく解説する。

2章では「古典制御」で重要な伝達関数を説明し，3章では負帰還によるシステム制御，その過渡応答やシステムの安定性を説明する。続いて，4章では最適な制御系の選択に使用する根軌跡法，5章では伝達関数が不明確なシステムに適用するPID制御について簡単に説明する。

なお，2章には，制御工学で頻繁に使われるボード線図に関する練習問題を設けて，3章以降の帰還システムの安定動作の説明が理解しやすくなるよう配慮した。

専門外の技術者にとって数学的な記述の多い制御工学は難しい学問と思われがちであるが，本書で例題や練習問題を解きながら制御の考え方を学び取り，地道に復習を繰り返しながら制御工学の本質を理解してほしい。

6章では代表的なDC-DCコンバータの基本回路を取り上げ，その動作概要を説明し，7章ではコンバータのパワー段の小信号等価回路モデルを導出し，それを使って8章では絶縁型，非絶縁型などの各種コンバータの伝達関数を導く。9章と10章ではループ補償回路と負帰還を実用的なコンバータ回路に適用して，その動作の安定性を検証する。11章のリップルベース制御は，極低電力（スタンバイ）状態からフル稼働モードにまで瞬時に移行するプロセッサ用電源に使用されている制御法であり，バッテリーを使うスマートフォンやノートパソコンなどでは必須の技術になっている。

なお，本巻では，寄生容量や配線インダクタンスなどの影響がない理想的なスイッチング電源回路を例にして制御の理解を目指す。寄生効果を含めたコンバータの動作解析については，本シリーズ第4巻を参照されたい。

2024年7月
谷口研二