結 論

電 気 自 動 車 や IoT、 お よ び 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー な ど の 広 い 分 野 で 利 用 さ れ る 商 用 電 源 を 入 力 と す る ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 高 効 率 化 を 目 的 と し 、ソ フ ト ス イ ッ チ ン 化 す る の に 適 し た 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC 回 路 と LLC 回 路 を 採 用 し た 場 合 に 課 題 と な る 、寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス の 影 響 と 高 効 率 化 に 関 す る 本 研 究 の 成 果 は 、 以 下 の よ う に 要 約 で き る 。

（1） ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ が 可 能 な 電 流 臨 界 モ ー ド 昇 圧 型 PFC に お い て 、 整 流 ス イ ッ チ ン グ 素 子 の 導 通 損 失 を 低 減 す る た め 低 オ ン 抵 抗 の 素 子 を 使 用 し た 場 合 、こ の 素 子 の 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス の 影 響 に よ り 入 力 電 流 の ゼ ロ ク ロ ス 付 近 で 波 形 が 歪 み 、力 率 が 低 下 す る 問 題 に 対 し 、現 在 量 産 さ れ て い る ス イ ッ チ ン グ 素 子 の 中 で オ ン 抵 抗 が 低 く 、か つ 低 コ ス ト で 汎 用 的 で は あ る が 、出 力 キ ャ パ シ タ ン ス が 大 き い Si-MOSFET の 使 用 を 前 提 と し た 力 率 改 善 方 法 と し て 、以 下 の 検 討 を 行 い そ の 効 果 を 明 ら か に し た 。

(ア) 整 流 ス イ ッ チ 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス の 電 圧 依 存 性 を 改 善 す る 方 法 で は 、素 子 の 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス の 電 圧 依 存 特 性 が 変 っ て も 、整 流 ス イ ッ チ の 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス を 充 電 す る 総 電 荷 量 が 同 じ で あ れ ば 、 逆 流 電 流 は 同 じ で あ る た め 力 率 改 善 の 効 果 が 得 ら れ な い こ と が 確 認 出 来 た 。

(イ) 昇 圧 回 路 の 多 相 化 に つ い て は 、昇 圧 回 路 1 回 路 当 た り の 電 力 が 分 割 さ れ る 分 、整 流 ス イ ッ チ に 電 流 定 格 が 小 さ く 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス が 小 さ い 素 子 を 使 用 出 来 て も 、整 流 ス イ ッ チ の 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス を 充 電 す る 電 流（ 負 電 流 ）と 、負 荷 側 に 供 給 さ れ る 電 流 そ れ ぞ れ が 小 さ く な る た め 、平 均 電 流 は 増 加 せ ず 力 率 が 改 善 さ れ な い こ と が 確 認 出 来 た 。

(ウ) 高 効 率 化 の た め 低 オ ン 抵 抗 の ス イ ッ チ を 選 定 し た 場 合 、出 力 キ ャ パ シ タ ン ス は オ ン 抵 抗 に 反 比 例 し 大 き く な る 傾 向 を 示 す 点 に 着 目 し 、 低 入 力 電 流 領 域 で 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス が 小 さ い ス イ ッ チ を 使 用 し た 昇 圧 回 路 に 切 り 替 え る こ と で 力 率 低 下 を 改 善 出 来 る こ と を 確 認

110 し た 。

（2） ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ が 可 能 な DC-DC コ ン バ ー タ と し て 広 く 利 用 さ れ て い る LLC 回 路 と 位 相 シ フ ト 回 路 に つ い て 、 情 報 通 信 機 器 用 に 製 造 さ れ た 電 源 を 使 用 し て 同 じ サ イ ズ の 条 件 下 で 損 失 を 比 較 し 、LLC 回 路 の 発 生 損 失 の 特 徴 と 位 相 シ フ ト 回 路 に 対 す る 優 位 性 、さ ら な る 損 失 改 善 方 法 に つ い て 以 下 の 内 容 を 明 ら か に し た 。

(ア) LLC 回 路 は ２ 次 側 整 流 ス イ ッ チ に 低 オ ン 抵 抗 素 子 を 使 用 で き る 利 点 が あ る 一 方 で 、全 損 失 に 対 す る ト ラ ン ス の 損 失 の 割 合 が 、位 相 シ フ ト 回 路 の そ れ よ り も は る か に 高 く 、両 方 式 の 効 率 の 差 が 小 さ い こ と を 示 し た 。

(イ) LLC 回 路 の 全 損 失 に 対 す る ト ラ ン ス の 損 失 の 割 合 が 高 い 要 因 が 、 ト ラ ン ス の 巻 数 の 違 い に よ る こ と を 明 ら か に し 、こ の 巻 数 の 違 い が 最 小 入 力 電 圧 時 に 出 力 電 圧 を 確 保 す る 条 件 か ら 決 ま る こ と を 示 し た 。

(ウ) 上 記 の 結 果 か ら 、 位 相 シ フ ト 回 路 と LLC 回 路 の ど ち ら が 低 損 失 の 点 で 優 位 に な る か は 、２ 次 側 整 流 素 子 の オ ン 抵 抗 と 、ト ラ ン ス の １ 次 巻 数 の 差 に よ っ て 決 定 づ け ら れ る こ と を 明 ら か に し た 。

(エ) ト ラ ン ス の １ 次 巻 線 と ２ 次 巻 線 と の 間 の 結 合 を 改 善 す る こ と に よ っ て 巻 線 抵 抗 を 減 少 さ せ ト ラ ン ス 損 失 を 効 果 的 に 改 善 さ せ ら れ れ ば 、 位 相 シ フ ト 回 路 の 効 率 95.8%に 対 し LLC 回 路 の 効 率 が 96.2%

と な り 、LLC 回 路 が 損 失 的 に 優 位 と す る こ と が 出 来 る こ と を 確 認 し た 。

（3） LLC 回 路 に お い て 損 失 の 割 合 が 高 い ト ラ ン ス に 対 し 、 銅 損 の 低 減 が 期 待 で き る プ レ ー ナ ト ラ ン ス を 適 用 し た 場 合 の 、寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス の 影 響 と 、 そ の 改 善 方 法 を 以 下 の 通 り 明 ら か に し た 。

(ア) 巻 線 間 キ ャ パ シ タ ン ス に 起 因 す る 損 失 （CPS ロ ス ） が 発 生 す る こ と を 示 し た 。

(イ) 巻 線 間 キ ャ パ シ タ ン ス に 起 因 す る 損 失 が 増 減 す る 特 徴 を 実 験 結 果 か ら 示 し た 。

(ウ) CPS ロ ス を 減 少 さ せ る た め に 、 ト ラ ン ス 巻 線 間 の 動 作 電 圧 を 考 慮 し 、各 層 の 結 合 度 合 い を 変 え る 新 し い 手 法 を 示 し た 。こ の 改 善 の 結

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果 、12V200W 試 作 機 に お い て 、 効 率 98.1%を 実 現 し た 。

(エ) 損 失 の 大 き さ に 関 係 す る 巻 線 間 の キ ャ パ シ タ ン ス 値 を 測 定 す る 方 法 と し て 、 順 巻 き キ ャ パ シ タ ン ス と い う 方 法 を 新 た に 提 案 し た 。

（4） LLC 回 路 の 高 効 率 化 に 必 要 不 可 欠 な ト ラ ン ス 銅 損 低 減 と し て 、 巻 線 間 の 結 合 が 高 く 交 流 抵 抗 が 低 い プ レ ー ナ ト ラ ン ス な ど を 使 用 し た 場 合 に お い て 、ト ラ ン ス 巻 線 の 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス が 入 出 力 フ ィ ル タ に 与 え る 影 響 と 、 そ の 改 善 方 法 を 以 下 の 通 り 明 ら か に し た 。

(ア) 巻 線 間 キ ャ パ シ タ ン ス が 増 加 し こ の 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス と 入 出 力 フ ィ ル タ の Y キ ャ パ シ タ を 介 し て 循 環 電 流 が 生 じ 、 フ ィ ル タ の コ モ ン モ ー ド チ ョ ー ク の 損 失 が 増 加 す る 影 響 が あ る こ と を 示 し た 。 (イ) ト ラ ン ス １ 次 、２ 次 間 に 橋 絡 キ ャ パ シ タ を 追 加 し て 、こ の コ モ ン モ

ー ド チ ョ ー ク の 損 失 を 低 減 す る 新 た な 方 法 を 示 し た 。こ の 改 善 の 結 果 、 無 負 荷 時 損 失 を 約 4.8%低 減 で き る こ と を 確 認 し た 。

以 上 の 成 果 は 、 今 後 更 に 市 場 が 拡 大 す る 自 動 車 や 情 報 通 信 、 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 分 野 に お い て 広 く 利 用 さ れ る 商 用 電 源 を 入 力 と す る 昇 圧 型 電 流 臨 界 PFC と LLC 回 路 で 構 成 さ れ る ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 電 源 に お い て 、 さ ら に 高 効 率 化 す る 上 で 阻 害 要 因 と な る 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス の 影 響 を 低 減 す る こ と に 貢 献 す る た め 、省 エ ネ ル ギ ー 化 に つ な が り 地 球 環 境 問 題 を 解 決 す る こ と に も 寄 与 す る と 信 ず る 。

本 研 究 の 今 後 の 課 題 と 将 来 展 望 と し て は 、直 接 的 ま た は 間 接 的 に 省 エ ネ ル ギ ー 化 に 影 響 す る 機 器 の サ イ ズ や 重 量 と い っ た 課 題 に 対 し 、 小 型 ・ 軽 量 化 が 可 能 と な る ス イ ッ チ ン グ 周 波 数 の 高 周 波 化 が 今 後 予 想 さ れ る こ と か ら 、さ ら に 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス や 寄 生 イ ン ダ ク タ ン ス が 悪 影 響 を 及 ぼ す こ と を 抑 制 す る 研 究 が 必 要 と 考 え ら れ る 。 ス イ ッ チ ン グ 素 子 に つ い て も 、 従 来 素 子 と 比 較 し 高 速 ス イ ッ チ ン グ に 適 す る SiC-MOSFET や GaN-HEMT と い っ た 素 子 の 高 性 能 化 が 進 め ら れ て い る た め 、こ の よ う な 側 面 か ら も ス イ ッ チ ン グ 周 波 数 の 高 周 波 化 と 寄 生 成 分 に よ る 影 響 低 減 の 期 待 は 高 ま る と 予 想 す る 。

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謝 辞

本 研 究 の 題 目 を 与 え て い た だ き 、終 始 ご 指 導 お よ び ご 鞭 撻 を 賜 っ た 元 長 崎 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 教 授 （ 平 成 2 9 年 3 月 ご 退 職 ） で 、 現 在 は 長 崎 総 合 科 学 大 学 大 学 院 新 技 術 創 成 研 究 所 に 所 属 さ れ て い る 黒 川 不 二 雄 学 術 教 授 に 心 か ら 感 謝 の 意 を 表 し ま す 。 こ こ ま で 研 究 を 成 し 遂 げ ら れ た の も 、 ひ と え に こ れ ま で の 温 か い ご 指 導 と 激 励 を い た だ い た お か げ で す 。 こ の 経 験 を 、 今 後 の 研 究 活 動 に も 活 か し て ま い り た い 所 存 で す 。

学 位 審 査 の 主 査 を お 引 き 受 け く だ さ い ま し た 柴 田 裕 一 郎 教 授 に 心 か ら 感 謝 申 し 上 げ ま す 。

学 位 審 査 の 副 査 を お 引 き 受 け 頂 き 、貴 重 な ご 助 言 を 頂 き ま し た 山 下 敬 彦 教 授 、 中 野 正 基 教 授 、 植 木 弘 信 教 授 お よ び 丸 田 英 徳 准 教 授 に 厚 く 御 礼 申 し 上 げ ま す 。 丸 田 准 教 授 に は 学 生 生 活 の サ ポ ー ト も し て い た だ き ， 無 事 に 本 課 程 を 修 了 す る こ と が 出 来 ま し た ．

崇 城 大 学 情 報 学 部 情 報 学 科 の 西 嶋 仁 浩 准 教 授 に は 共 著 者 と し て サ ポ ー ト し て 頂 き 、広 い 視 野 か ら の ご 助 言 や 論 文 の 質 を 高 め る こ と に ご 尽 力 頂 い た こ と に 改 め て 感 謝 申 し 上 げ ま す 。

長 崎 大 学 大 学 院 博 士 後 期 課 程 へ 進 学 の 機 会 を 与 え て 下 さ い ま し た 新 電 元 工 業 株 式 会 社 佐 々 木 正 博 技 術 開 発 セ ン タ ー 長 に 深 く 感 謝 い た し ま す 。本 研 究 を 進 め る 間 、 設 計 開 発 業 務 に ご 配 慮 と ご 協 力 頂 き ま し た 貫 井 靖 之 部 長 、 水 越 康 太 郎 課 長 、 比 留 間 義 明 部 長 、 鈴 木 健 一 課 長 に 感 謝 い た し ま す 。 本 研 究 に お い て 全 般 的 に サ ポ ー ト 頂 き ま し た 押 方 哲 也 氏 を は じ め 、協 力 頂 い た 芳 賀 浩 之 氏 、 岩 尾 健 一 氏 、 渡 辺 晴 夫 氏 、 吉 川 薫 平 氏 に 感 謝 い た し ま す 。

最 後 に 研 究 活 動 の 間 、 支 え て 頂 い た 家 族 に 感 謝 し ま す 。

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参 考 文 献

(1) 経 済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁, "私 た ち の く ら し と エ ネ ル ギ ー 社 会 科 2 (6) 地 球 環 境 問 題 と は ," [Online]. Available: https://

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(10) NEDO, "第 1 回 グ リ ー ン ネ ッ ト ワ ー ク ・ シ ス テ ム 技 術 研 究 開 発 プ ロ ジ ェ ク ト (中 間 評 価 )分 科 会 資 料 6-1," 2010. [Online]. Available:

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(12) 戸 川 治 朗, 「 実 用 電 源 回 路 設 計 ハ ン ド ブ ッ ク 」, CQ出 版 株 式 会 社, 1995, pp. 72-73.

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(15) 原 田 耕 介, 「 ス イ ッ チ ン グ 電 源 ハ ン ド ブ ッ ク 」, 日 刊 工 業 新 聞 社, 1993, pp. 8-13, 199-200, 305-365, 463-466.

(16) 堀 敏 夫, 「 電 源 回 路 の 図 式 解 析 と 設 計 法 」, 総 合 電 子 出 版 社, 1999, pp.

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(18) 電 気 学 会 ・ 半 導 体 電 力 変 換 シ ス テ ム 調 査 専 門 委 員 会, 「 パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス 回 路 」, オ ー ム 社: 株 式 会 社 オ ー ム 社, 2000, pp. 39-41, 266-278.

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(20) 一 般 社 団 法 人 電 子 情 報 技 術 産 業 協 会 EMC委 員 会, "高 調 波 抑 制 対 策 の 継 続 実 施 及 び 調 査 ・ 報 告 の 廃 止 に つ い て (別 紙)高 調 波 電 流 抑 制 対 策 実 施 要 領," [Online]. Available: https:// home.jeita.or.jp/ anzen/

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(21) 通 信 用 電 源 研 究 会, 「 通 信 用 電 源 」, 社 団 法 人 電 気 通 信 協 会, 1986, pp.

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