C ESL
5.5 実機検証
提案方式の効果を実証するため，3種類の条件((a)高dv/dt(b)低dv/dt(c)提案方式)で スイッチング試験と損失比較を実施する。試作した回路は図5.1のプッシュプル回路で，
回路定数は表5.3に示す。平滑リアクトルは薄帯ナノ結晶軟磁性材(ファインメット：日 立金属)を用い，提案方式においてはインダクタ電流の下限値を励磁電流以下にするため，
他方式より小さい80µHとしている。また，提案方式は磁束密度変化が増加するため，フ リンジング磁束に起因する損失の低減を目的に，ギャップ部のコアを指数関数形状に面取
30 V 1.3 µs
1 A vsig1
[V]
1 0
vsig2
[V]
1 0
vsig3
[V]
1 0
vsig4
[V]
1 0
iL
iLm
[A]
iLm iL
129 6 30
isurplus
6[A]
3 -30 -6 isw1
6[A]
3 -30 -6 isw3
6[A]
3 -30 -6 vsw1
1200[V]
800400 0 -400 vsw3
1200[V]
800400 0
-400 1µs
-図5.12 Calculated waveforms when the primary-side switch turns on(proposed method)
りし，外周薄帯の磁束集中緩和と巻線鎖交磁束低減を図っている(89)。dv/dtの調整はゲー ト抵抗を用いて行い，高速時は2Ω，低速時は100Ωとした。一次側及び二次側のスイッ チ素子(同期整流のため)にはSiC-MOS(CPM2-1200-0025B：Cree)を用いた。
図5.13にターンオン時の電圧電流波形(3 kW出力時)を示す。高dv/dtの場合，電圧 電流波形の重なりは少ないためターンオン損失は低減できるが，サージ電圧は500 Vにも 達している。低dv/dtはサージ電圧が50 Vに減っているが，スイッチ損失が500µJ発生 し，スイッチング周波数が20 kHzの場合，スイッチ2個で合計20 Wのターンオン損失 が発生する。これに対し，提案方式はサージ電圧30 Vであり，ZVS動作によりターンオ ン損失が発生しない。
図5.14 に損失比較(入力電圧400 V, 出力電圧300 V, 出力3 kW) を示す。(a) 高dv/dt の場合が最も損失が小さいが，図5.13(a)に示した様に，サージ電圧は500 Vに達してお り，スナバもしくは耐圧強化などの対策が必要となる。例えば，サージ電圧を200 V程度 になるように，二次側スイッチ素子と並列にRCスナバ（R=130Ω,C=1100 pF）を挿入し た場合は大幅な損失増加を招く((a)’高dv/dt+スナバ)。(b)低dv/dtの場合，スナバを用 いなくてもサージ電圧を抑制できているが，背反としてターンオン損失が増加している。
これらに対し，(c)提案方式はインダクタ電流リプルが増加することで，導通損及び鉄損 は増加するが，ターンオン損失が発生しないため，3条件の中で最も低損失でサージ電圧 を抑制できている。
本方式を適応した出力電力に対するプッシュプル型DC-DCコンバータの効率測定結果 を図5.15に示す。スナバレス及びZVSで駆動する本サージ電圧抑制法を用いることによ
り，SiC-MOSFETや薄帯ナノ結晶軟磁性材の低損失材料の恩恵を享受でき，3 kW出力時
に98.5 %(損失の内訳は図5.14)の高効率を実現した。
5.6 まとめ
プッシュプル方式の絶縁型DC-DCコンバータにおいて，一次側スイッチがオフ状態の 期間に二次側を還流しているインダクタ電流を変圧器の励磁電流以下にする領域を設け，
(a)highdv/dt vsw1 vsw1
isw1
isw1
vsw1
vsw1
(b)lowdv/dt vsw1 vsw1
isw1
isw1
vsw1
vsw1
(c)proposed method vsw1 vsw1
isw1
isw1
vsw1
vsw1
図5.13 Experimental waveforms when the primary-side switch turns on
(a) (a)’ (b) (c)
図5.14 Loss breakdown(vin=400 V,vout=300 V,Pout=3 kW)
3.0 2.5
2.0 1.5
1.0 0.5
[%]
95 [kW]
96 97 98 99 100
図 5.15 Experimental result of the converter efficiency on the proposed method(vin=400 V,vout=300 V)
二次側を還流できなくなった励磁電流により一次側素子の端子間静電容量の充放電と二次 側素子の端子間静電容量の充電を行うことで，プッシュプル方式のDC-DCコンバータの 課題である二次側サージ電圧を効果的に抑制する手法を提案した。本方式を適応した試作 器を製作して実機評価した結果，効率は98.5 %であり，提案方式の有用性を示した。
第 6 章
総括と今後の課題
本論では，スイッチング動作による生じるコモンモードノイズ電圧を相殺するノイズ キャンセル技術とサージ電圧の発生を抑制するソフトスイッチング技術について研究内容 を記した。本研究の成果と今後の課題をまとめると以下の通りである。
(1)インバータ(DC-AC)のコモンモードノイズ低減法
インバータのコモンモード電流低減手法として，インピーダンスマッチ型のアクティブ コモンモードノイズキャンセラ方式を提案した。
• 従来型ACCはモータコモン経路が容量性でない領域でコモンモードトランスの励 磁電流の振動成分がコモンモード電流として流れることにより、抑制効果が低下す ることを明らかにした
• モータコモン経路の等価回路と同構成の回路(インピーダンスマッチマッチ回路) をコモンモードトランスの第4巻線とグランド間に接続することで、コモンモード トランスの励磁電流を振動要素なく低減するインピーダンスマッチ型ACCを提案 した
• コモンモード電圧が印加される容量成分を小さくすることで，コモンモードトラン スのET積を抑制し，コモンモードトランスの断面積や巻き数を大幅に低減するこ とを示した
• 従来の電圧キャンセル方式に対し1 MHzにおいて25 dBの抑制効果を得ることを 実験により確認した
今後の課題としては下記が挙げられる。
• コモンモード経路の高精度等価回路化とZマッチ回路の実現による有効抑制効果
の広帯域化
• コモンモード電圧キャンセル対象の拡張
(2)車載充電器(AC-DC)のコモンモードノイズ低減法
低損失低ノイズとして期待されるバランス型ブリッジレスPFC回路の素子性能のばら つきに対するロバスト化対策として，入出力間にパイパス経路を有するバランス型ブリッ ジレスPFC回路を提案した。
• バランス型ブリッジレスPFC回路の整流部の対となるダイオード間のリカバリ電 荷差に起因する負荷端の対地電圧の電位変動がノイズの支配要因となることを明ら かにした
• バランス型ブリッジレスPFCの入出力部にコンデンサを設置し，リカバリ電流の 差分を回収するバイパス経路を設けることで，交流電源側に流出するコモンモード 電流を抑制する方法を提案した
• フィルタの定数の決定に関わる 175 kHzの低周波領域のノイズ成分を20 dB低減 できることを確認し，CISPR規格を1段のフィルタで満足した
今後の課題としては下記が挙げられる。
• 必要バランス部位のアンバランスに対するロバスト化
• ノイズ共振特性とフィルタ特性の合致による低ノイズ化
(3)DC-DCコンバータ(DC-DC)のサージ電圧低減によるノイズの低減法
プッシュプル方式のDC-DCコンバータのサージ電圧抑制と低損失を両立する駆動方法 について提案した。
• ダイオードオフ時の定常電圧到達時の端子間容量充電電流の値を小さくすることが サージ電圧の抑制に効果的であることを明らかにした
• 一次側スイッチがオフ状態の期間に二次側を還流できなくなった変圧器の励磁電流
を用いて一次側素子の端子間容量の充放電と二次側素子の端子間容量の充電を行う ZVSサージ抑制方式を提案した
• コモンモード電流のリンギング周波数成分悪化の原因となるサージ電圧を1/16に 抑制した
今後の課題としては下記が挙げられる。
• リンギング共振特性とフィルタ特性合致による低ノイズ化
• ZVS駆動条件下における各種パラメータの最適化
本論では，フィルタの体格を決定するAM帯以下のノイズを対象に抑制技術を研究し た。しかし，FM帯域以上のノイズについても抑制が求められているため，高周波領域に おけるノイズ低減も今後の課題となる。これらの領域は2章でも述べたように，寄生成 分の影響が顕著に表れるため，素子特性の反映や構造・配置を考慮した寄生成分抽出等を 取り入れることが必要となる。ノイズの詳細解析技術については先行研究が行われている が，高精度と簡易化の両立が課題である(90)−(101)。
上述の今後の課題に対し，対策技術を研究し，より低ノイズで小型高効率な電力変換器 の実現，普及につなげ，地球温暖化防止にこれからも貢献していく所存である。
参考文献
(1) 環境省：「日本の約束草案（2020年以降の新たな温室効果ガス排出削減目標）」(2015) (2) 国立環境研究所：「日本の1990-2017年度の温室効果ガス排出量データ」(2019) (3) 国土交通省：「運輸部門における地球温暖化対策」(2013)
(4) 日本自動車工業会：「世界生産・販売・保有・輸出」(2017)
(5) 三戸 信二：「自動車用補機モータの技術動向」，テクノフロンティア技術シンポジ ウム(2014)
(6) 水谷 良治：「自動車の低燃費化の動向と技術課題」，平成27年電気学会産業応用 部門大会，4-S11-1，pp.79-82(2015)
(7) 立花 武：「自動車用電源の動向と課題〜変貌する補機電源〜」，平成27年電気学 会産業応用部門大会，4-S12-1，pp.83-88(2015)
(8) 国土交通省・経済産業省：「EV/PHV普及の現状について」(2018) (9) IEA：「Global EV Outlook 2018」，(2018)
(10) 株式会社富士経済：「HEV,EV関連市場徹底分析調査」，2015年版(2015) (11) トヨタ自動車株式会社：「新規事業活動」, TOYOTA ANNUAL REPORT(2011) (12) 福島 正夫：「スマートコミュニティとITS–横浜での取り組み–」, ITSシンポジウ
ム(2012)
(13) 本田技研工業株式会社：「Honda・スマート・ホーム・システム(HSHS)実証実験」
(14) トヨタ自動車株式会社：「環境報告書2017-トヨタ環境チャレンジ2050に向けて-」 (2017)
(15) 野島 照彦：「WPTと自動車EMCの基準、規格動向について」，ギガビット研究会 第18回特別シンポジウム(2015)
(16) FMC1278：「Electrimagnetic Compatibility Specification For Electrical/Electronic
Components and Subsystems」(2016)
(17) 横山 利夫・武田 政宣・藤田 進太郎・安井 裕司：「Hondaの運転支援および自動運 転の現状と今後」，計測と制御，54巻11号，pp.828-831(2015)
(18) 内藤 貴志：「トヨタにおける自動運転技術への取組み」，石油学会秋季大会，
2016f(0)，214(2016)
(19) 日産自動車株式会社：「安全自動運転に向けた取り組み」
(20) 松ケ谷 和沖：「自動運転を支えるセンシング技術」，デンソーテクニカルレビュー，
Vol.21,pp.13-21(2016)
(21) BOSCH：「ボッシュの技術で自動運転がより安全に」，BOSCH Press Release(2018) (22) 国土交通省：「運転支援技術・自動運転技術の進化と普及」(2017)
(23) SAE：「Automated Driving Levels of Driving Automation are Defined in New SAE International Standard J3016」
(24) J. Biela, M. Schweizer, S. Waffler, and J. W. Kolar, “SiC versus Si-Evaluation of Potentials for Performance Improvement of Inverter and DC-DC Converter Systems by SiC Power Semiconductors”,IEEE Trans. Industrial Elect., vol. 58, No.7, July 2011, pp. 2872-2882
(25) 山口 浩：「次世代パワーエレクトロニクスの研究動向」，電学論B，132巻3号，
pp.209-212(2012)
(26) 葛巻 淳彦・小谷 和也・野木 雅之・餅川 宏・青山 育也：「SiC適用による変換器 の高パワー密度化」，平成28年電気学会産業応用部門大会，3-S8-4，pp.45-48(2016) (27) 松原 壱樹，和田 圭二：「SiC-MOSFETモジュールの並列接続時における電流バ ランスに関する実験検証」，平成29年電気学会産業応用部門大会，1-88， pp.403-403(2017)
(28) 安藤 正登，小暮 浩史，小川 和俊，河野 恭彦，石川 勝美：「パワーモジュー ルの多並列駆動に向けた主回路構造の検討」，平成29年電気学会産業応用部門大 会，1-84，pp.387-390(2017)
(29) 上田 哲三，高橋 理，海本 博之，神澤 好彦，澤田 和幸，山崎 晃：「車 載応用に向けての次世代パワーデバイス-Gan,SiC」，Panasonic Technical Jpurnal， Vol.61,No.1，pp.67-71(2015)
(30) 猪ノ口 誠一郎：「自動車用三菱パワーモジュールの開発動向」，三菱電機技報，
Vol.92,No.3，pp.1-4(2018)
(31) 鶴田 和弘：「車載用 SiC パワーデバイスの開発動向」，デンソーテクニカルレ ビュー，Vol.22,pp.51-56(2017)
(32) 都築 敏彦，近藤 武彦：「プラグインハイブリッド車用車載充電器の開発」，豊田 自動織機技報，No.63，pp.11-14(2012)
(33) 白川 和博，清水 敏久，石井 謙市郎：「ACフィルタ用インダクタの巻線構造 とその周波数特性に関する考察」，平成17 年電気学会産業応用部門大会，1-17， pp.111-112(2005)
(34) S.W.Pasko, M.K.Kazimierczuk, and B.Grzesik, “Self-capacitance of coupled toroidal inductors for EMI filters ”, IEEE Trans. Electromagn. Compact., vol. 57, No.2, pp.
216-223（2015）
(35) 高橋 翔太郎，小笠原 悟司，竹本 真紹，折川 幸司，玉手 道雄：「高周波三相 コモンモードインダクタの巻線間に生じる浮遊容量の簡易推定法」，電学論D，139 巻3号，pp.339-347(2019)
(36) S. Wang, F.C. Lee, D. Chen, and W.G. Odendaal, “Effects of Parasitic Parameters on EMI Filter Performance”,IEEE Trans. Power Elect., vol. 19, No.3, 2004, pp. 869-877 (37) S. Wang, F.C. Lee, and W.G. Odendaal, “Using a Network Method to Reduce the
Parasitic Parameters of Capacitors”,IEEE PESC, 2004, pp. 304-308
(38) 関本 安泰，宮崎 千春，岡 尚人：「ノイズフィルタ実装におけるアースリードの 影響」，2007年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会，B-4-19，pp.312(2007) (39) E. Hoene, A. Lissner, S. Webber, S. Guttowski, W. John, and H. Reichl, “Simulation
Electromagnetic Interactions in High Power Density Converters”,IEEE PESC, 2005,
pp. 1665-1670
(40) T. De Oliveira, J. Guichon, J. Schanen, and L. Gerbaud, “PEEC Models for EMC Filter Layout Optimization”,Integrated Power Electronics Systems, 2010, paper 13.3
(41) I. Kovacevic, A. Muesing, T. Friedli, and J. W. Kolar, “Electromagnetic Modeling of EMI Input Filters”,Integrated Power Electronics Systems, 2012, paper 02.1
(42) T. Masuzawa, and E. Hoene, “Modeling Method of Stray Magnetic Coupling in an EMC Filter for a SiC Solar Inverter”,IPEC Hiroshima, 2014, pp.2366-2371
(43) 小笠原 悟司，綾野 秀樹，赤木 泰文：「電圧形 PWMインバータが発生する コモンモード電圧のアクティブキャンセレーション」，電学論 D，117 巻 5 号，
pp.565-571(1997)
(44) A. Ogata, and I. Takahashi, “Active Compensation Circuit of Leak Current in Inverter Drived Load”, National Convention Record I.E.E. JAPAN, No.852, 1996
(45) 大庭 将之，庄山 正仁，二宮 保：「平衡化昇降圧形スイッチング電源回路による コモンモードノイズ低減について」，信学技報，EE2001-51，pp.41-46(2002) (46) M. Shoyama, G. Li, and T. Ninomiya, “Balanced switching converter to reduce
common-mode conducted noise”, IEEE Trans. Industrial Elect., vol. 50, No.6, Dec.
2003, pp. 1095-1099
(47) 森田 浩一：「超低ノイズソフトスイッチング電源」，電子情報通信学会論文誌B， J82-B(8)，pp.1515-1522(1999)
(48) H. Chung, S.Y.R. Hui, and K.K. Tse, “Reduction of Power Converter EMI Emission using Soft-Switching Technique”,IEEE Trans. EMC., vol. 40, Aug. 1998, pp. 282-287 (49) H. Toda, and M. Yamamoto, “1/3 Weight Core of a Capacitor-less ARCP Method Three-phase Voltage Source Soft-switching Inverter Suitable for EV”, Energy Conversion Congress and Exposition, 2011, pp. 4101-4106
(50) 太田 大博・今岡 淳・庄山 正仁・大西 浩之・長岡 真吾・森下 貞治：「高周波ZCSソ フトスイッチングコンバータにおけるスイッチング素子のCossに起因する不要振
動の抑制およびその損失低減効果について」，信学技報, vol.115, no.429, EE2015-21, pp.73-78(2016)
(51) 本郷 真一・柿ヶ野 浩明：「Dual Actibe Bridge DC-DCコンバータのソフトスイッ チング範囲の拡大を目指した制御方式の検証」，平成28年電気学会全国大会，4− 095，pp.161-162(2016)
(52) F. Lin, and D. Chen, “Reduction of Power Supply EMI Emission by Switching Fre-quency Modulation”,IEEE Trans. Power Elect., vol. 3, No.1, 1994, pp. 132-137 (53) 定村 宏，行方 真実，光野 正志，小林 春夫，石川 信宣：「スイッチング電
源のEMI低減化回路と測定による検証」，電子情報通信学会論文誌C，J86-C(11)， pp.1169-1176(2003)
(54) T. Daimon, “Simulation Electromagnetic Interactions in High Power Density Convert-ers”,IEEE Trans. Fundamentals, E86-A(2), 2003, pp. 381-386
(55) W-R. Liou, H M. Villaruza, M-L Yeh, and P. Roblin, “A Digitally Controlled Low-EMI SPWM Generation Method for Inverter Applications”,IEEE Trans. Ind., vol. 10, No.1, 2013, pp. 73-83
(56) 蛭間 淳之，進藤 裕輔：「ハイブリッド車用電動コンプレッサのEMC事例」，デ ンソーテクニカルレビュー，Vol.16,pp.62-67(2011)
(57) H. Zhu, J. S. Lai, A. R. Hefner,Jr., Y. Tang, and C. Chen, “Modeling-Based Examination of Conducted EMI Emissions From Hard and Soft Switching PWM Inverters”,IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 37, No, 5, Sep./Oct. 2001, pp. 1383-1393
(58) Y. C. Son, and S. K. Sul, “Conducted EMI in PWM Inverter for Household Electric Appliance”,IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 38, No, 5, Sep./Oct. 2002, pp. 1370-1379 (59) B. Revol, J. Roudet, J. L. Schanen, and P. Loizelet, “EMI Study of a Three Phase
Inverter-Fed Motor Drives”,IEEE-IAS, 2004, CD-ROM
(60) C. Chen, “Predicting Vehicle-Level Radiated EMI Emissions Using Module-Level Conducted EMIs and Herness Radiation Efficiencies”, IEEE Inter. Symp. on, vol. 2,