P. E. 30年の回顧と展望

P.E.30年

の 回 顧 と 展 望

宮入 庄太

東京電機大学教授

図 ・ノ  電 気工学 の4本 柱 1.パ ワ ー トラ ン ジ ス タ(新 人 類)の 出 現 1958年 サ イ リス ク が 発 明 さ れ て か ら30年 に 垂 ん と して い るが,こ の 間P.E.は 急 速 な 発 展 を とげ て,電 気 工 学 の 従 来 の3本 柱 に 更 に1本 の 新 しい柱 を立 て て,技 術 的 に も,ま た産 業 の 分 野 に お いて も確 固 た る地 盤 を 占 め る る に 至 って い る 。 現 在 新 聞 の 社 会 面 や 雑 誌 に よ く 出 て く る言 葉 に 「新 人 類 」 と い う言 葉 が あ る 。 これ に は 明 確 な 定 義 が あ るの か な い の か は 知 らな い が,終 戦 後 の 新 生 日本 の 社 会 で 教 育 を 受 け,そ れ まで の 人 々 とは 教 養 や 人 生 観 に お い て 異 な っ た 人,し た が って 年 齢 的 に は 現 在 の50才 以 下 の 人 が こ れ に あ た る とい う事 が で き よ う。 さて そ の 新 人 類 と雑 談 して い る と,話 が さ っぱ り噛 み 合 は ず,同 じ 日 本 人 で は あ るが,何 か 外 国 の 胃 年 とで も 話 し て い る よ うな 気 が す る 。 若 い 人 達 と こん な 問 答 を し て い る と,こ ち らの 頭 も お か し くな って し ま う の で あ る 。 共 に こ れ か ら 祖 国 日本 を支 え よ う と し て い る人 々 に こ れ だ け の 違 い が で て きて し ま っ て い る の で あ る 。 い か に 教 育 の 力 が 大 き い か を垣 間 み る思 い が し た 。 斯 く して 知 らず 知 らず の 中 に,誰 も気 付 か な い 中 に 我 が 国 は 今 大 き く変 わ りつ つ あ るの で あ る。 さて,P.E.に お い て も 全 く同 じ事 が 言 え る。P.E.の この30年 間 を ふ りか え る と,最 初 の 20年 は これ を支 え た も の は サ イ リス タ で あ っ た が,電 圧 や 電 流 に お い て 著 し い 進 歩 を とげ て き た パ ワ ー トラ ン ジス タ が,1980年 頃 か らP.E.分 野 の主 役 の1人 に 参 入 し た 。 サ イ リス タ も パ ワ ー トラ ン ジ ス タ も 共 に 半 導 体 の ス ィ ッチ ン ゲ素 子 で は あ る が,転 流 回 路 の 要,不 要 や ス イ ッチ ン グ 周波 数 の 点 に お い て そ の 動 作 特 性 や 回 路 構 成 に か な りの 違 い が あ り,P.E.の 技 術 動 向 に 大 き な 影 響 を 与 えて い る 。 そ して 現 在 サ イ リス タ を知 らな いP.E.の 技 術 者 も あ らは れ つ つ あ る 。

2.P.E.を 支 え る ス イ ッ チ ン グ 素 子

今P.E.ス イ ッ チ ン グ 素 子 に は サ イ リ ス タ,IGBT(insulatcd gate bipolar tru-nsister)JFET,MOSFET.SIT,SITh,… の 半 導 体 ス イ ッ チ ン グ デ バ イ ス が 用 い られ て い る 。 こ れ ら の 使 い 分 け はfig.2で 示 す こ と が で き る.fig.2は1988年 に 開 か れ た 国 際 会 議 PCIMに お い て 西 沢 氏 が 提 示 し た も の で あ る 。 筆 者 は1965年 ワ シ ン ト ンで 開 催 さ れ た 国 際 会 議Nonlincar Magnetics にinviteさ _{れ た,。そ の 時G.E.の} 中央 研 究 所 を 見 学 しH.F.Storm氏 か らGTOの 説 明 を き い た 。 彼 の GTO対 す る情 熱 に も 拘 らず,当 時 の 日 本 の 技 術 者 はGTOは 耐 圧 も 低 く消 弧 も 転 流 回 路 を 使 え ば よ い と 考 え,GTOに 対 して は 技 術 者 の 道 楽 の 対 象 位 に 考 え,あ ま り大 きな 期 待 を 持 た な か っ た 。 今 で は 状 状 況 が 変 わ って い る 。 自 己 消 弧 能 力 を持 っ た 素 子 パ ワ ー ト ラ ン ジ ス タ やGTOを 用 い れ ば 転 流 回 路 の 煩 は し さ か ら解 放 され ろ。 そ して こ の煩 は し さ は 転 流 回 路 か ら制 御 回 路 ― 転 移 し た と考 え る こ とが で き,制 御 回 路 を構 成 す る電 子 回 路 の 重 要 性 が 高 ま

って きた 。 Fig.2 Future forcasting of the semiconductor power devices

by Dr. Adler, added experimented 1985 data about SIT and SIThy by the authors.

3.P.E.と イ ンバ ー タ 最 近 は さほ どで も な い が,30∼40年 前 は 「弱 電 」 「強 電 」 とい う言 葉 を よ く耳 に し た 。 この 両 者 の 基 本 的 な 違 い は,そ の 技 術 を 構 築 す る場 合 の 自由 度 に あ る と箪 著 は 考 え る 。 電 力 の 姿 態 はV, i,fで 示 され るが,表1に 示 す よ うに,技 術 を構 築 す る場 合 の 自 由 度 は,弱 電 の 分 野 で は

表1  電 力の姿 態 と自由度

3に 対 して,強 電 で は2で あ る 。 こ の 自 由 度 の 数 の 差 が 強 電 技 術 に は 発 展 性 が乏 しい と考 え られ る 基 本 的 原 因 が あ る よ う に 筆 者 は 考 え る 。 弱 電 で はfig.3に 依 って も わ か る よ うに 周 波 数 の 使 い 方 に 依 って 各 種 の 技 術 分 野 が 開 拓 さ れ て き た 。

図.3  周波数の樹 も し,強 電 の 分 野 で も,効 駅 も よ く安 価 で 信 頼 性 の 高 い イ ン バ ー タ が 開 発逸 され,周 波 数 を白 由 に選 び 得 る よ うに な れ ば,誘 導 機 の 速 度 制 御 な どで 従 来 の よ く用 い られ た ク レー マ方 式,シ エ ル ビウ ス方 式,極 数 変 換 方 式 な どはや が て 影 を ひ そ め るで あ ろ う。 ま た こ の 様 な イ ンバ ー タ も し く は サ イ ク ロ コ ンバ ー タが 出 現 す る事 が 当 面 のP.E.の 終 着 駅 で はな か ろ うか 。 斯 く してP.E.は 常 に 主 回 路 と制 御 回 路 の2面 か らattackし な け れ ば な ら な い 。 主 回路 に 対 して は パ ワ ー デ バ イ ス,制 御 回路 に 対 して はLSI,マ イ ク ロポロセッ サ な どか らな る電 子 回 路 で あ る。 この 電 子 回 路 は 恰 も積 木 材 工 の よ うな も の で,275の 積 木 の 板 を 日 的 に応 じ て選 択 して 積 み 重 ね て っ く る こ と が で き る と高 橋 氏 は そ の 著書 「コ ンパ ク ト電 子 回 路 ハン ド ブ ック 」 に述 べ て い る。 Main回 路 に 用 い る パ ワ ー ス イ ッ チ ン グ デ バ-イス に どん な も の が 飛 び 出 し て く るか に 依 って P.E.の 技 術 は か な り変 っ て く る 。 パ ワ ー トラ ン ジ スタ な ど の 自 己 消 弧 能 力 を 持 っ た 素 子 の 出 現 に よ ってMcMurray Bedfordに そ の 源 流 を お い た イ ン バ ー タ は 最 近 め っ き り そ の 影 が 薄 くな っ た し, 今 まで は 避 け ては 通 れ な い 転 流 回 路 の 煩 は し さか らは 解 放 され,サ イ リ ス タ さ え 知 らな いP.E. のngineerさ え い る の が 現 状 で あ る 。 4.P.E.と モ ー タ駆 動 電 子 計 算 機 の発 達 の 過 程 を示 す の に よ く 「世 代」 論 が 用 い られ る。 例 え ば,真 空 管 を 用 い た 初 期 の 時 代 をだ 第 一世代,ト ラ ン ジ ス タ を 用 い た も の を 第 二 世代,ICを 用 い た も の を 第 三 世 代,… な ど な どが それ で あ る。 今 この よ うな 言 い 方 を 電 動 機 に 適 用 し て,そ の 発 達 の 跡 を 振 り返 って み よ う。 第 一世 代(1830∼1930)馬 力 時 代 近 代 の 電 気 工 学 は,Faradayの 電 磁 誘 導 の 発 見(1831)に 始 ま り,直 流 電 動 機 は1834年,誘 導 電 動 機 は1885年 に 発 明 され て い る 。 我 が 国 は,明 治 ・大 正 を経 て 昭 和 の 時 代 に 入 る約100年 の 間 に,漸 次 農 業 国 か ら工 業 国 へ の 歩 み を 続 け た 。 この 時 代 の 電 動 機 が 第 一 世 代 の 電 動 機 で,「 何 馬 力 の電 動 機」 な どの 呼 称 が そ れ を 示 して い る よ うに,風 力,水 力,気 力,蓄 力 の ス マ ー トな 代 替 に す ぎ

なか っ た 。 た だ それ がpowerfulで あ り,elegantで あ り,faithfulで あ っ た に す ぎ な い 。

第 二 世 代(1930∼1960)理 論 飛 躍 時 代

この 世代 はGabriel Kronに よ っ て 開 か れ た 。 す な わ ち,彼 は1930年 にGenerahzed

一的 理 論 を 与 え_{,理 論 面 で 一 エ ポ ッ ク を 画 し た 。} 学 問 的 斎 整 の 美 に眩 惑 され て は い け な い 。 これ で い い も の が 生ま れ る わ け で は な い,と 冷 笑 な浴 び せ る人 も い た が,こ の 理 論 は や が て 次 世 代 の 電 気 機 器 の 動 特 性 の 解 明 の 足 が か りを 与 え る 事 に も な つ た 。 第 三 世 代(1960∼1980)P.E.の 適 用 時 代 第 三 世 代 は,サ イ リス タ の 誕 生 に 始 ま って い る 。 戦 争 の 荒 廃 か ら立 ち上 が っ た 我 が 国 の 席 業 設 備 は 自動 化 ・大 形 化 の 方 向 に 進 み,電 動 機 へ の 注 文 は 単 な る風 や 畜 力 の代 行 で は 許 され な く な っ た 。 超 高 速,超 精 密 一 定 速 度,精 密 な 位 置 ぎ め,あ る パ タ ー ン運 動,急 速 な 始 動 と 停 止,急 速 な 逆 転 な どな ど 苛 酷 な 要 求 が 電 動 機 に 持 ち 込 ま れ る よ うに な っ た 。 この よ うな 要 求 に 応 え るか の 如 く,1958年 にGEで サ イ リス タ が 発 明 され て,パ ワ ーエ レ ク トロニ ク ス と 呼 ば れ る新 し い 技 術 分 野 を形 成 し た 。 そ し て,こ の パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス 枝 術 の 適 用 に よ っ て 電 動 機 の 速 度 制 御 技 術 は 大 き く進 歩 し て 現 在 に 至 っ て い る。 昔 か ら制 御 性 の よ い の は 面 流 電 動 機 で,同 期 機,誘 導 機 な ど は ど ち らか とい え ば 速 度制 御 は 不 向 き, と い うの が 一般の 常 識 で あ っ た が,最 近 で は この 常 識 が くっ が え さ れ つ つ あ る 。 サ イ リ ス ク や バ リ ー トロ ラ ン ジ ス ク な どの 半 導 体 素 子 で 交 流 電 動 機 を 駆 動 す る よ うに な っ た か らで あ る 。 従 っ て,こ の 世 代 は エ レ ク トロ ニ ク ス に よ って 駆 動 され る電 動 機,い い か え る と シ ス テ ム化 に 特 長 づ け られ る 。 第 四 世 代(1980∼)I.M.時 代 これ か ら始 ま る 世 代 で あ る 。現 在,産 業 機 器 は マ イ コ ンや マ イ ク ロ プ ロセ ッサ の 進 歩 に 伴 い,イ ン テ リ ジ ェ ン ス 化 が 始 ま っ て い る。 す で に 交 流 電 動 機 の ベ ク トル 制 御 な ど も そ の 一 つ と 見 る こ とが で き よ う。 今 やbrute forceを 供 給 し た 過 去 の 電 動 機 は,神 経 系 を そ の 機 内 に 備 え,一 層 複 雑 な 動 作 に も応 じ られ る 方 向 に 進 も う と し て い る 。 さて,以 上 電 動 機 の 進 歩 の 跡 を 振 り返 って,電 動 機 は 常 に 古 くて 新 し い も の で あ る こ と を 述 べ た 。 我 が 国 の 年 間 消 費 堰 力 は6720億(1985年)で そ の70%は 工 場 動 力 交 通 機 関, OA,家 電 機 器 な ど の モ ー タ を通 じ て 消 費 さ れ て い る。 これ は モ ー タ こ そは 現 代 技 術 文明 の 社 会 に お け る 黒 子 で あ り,P.E.の 技 術 者 が この モ ー タ 駆 動 の 枝 術 開 発 に そ の 努 力 を傾 け て い るの は 至 極 当然 の こ とで あ る 。 そ して そ の 結 果 i)直 流 電 動 機 の チ ゴツ パ ー駆 動 ii)無 整 流 子 の 誕 生 iii)誘 導 電 動 機 に も 直 流 機 と 同 様 な 制 御 性 を与 え る ベ ク トル 制 御 な ど な ど枚 挙 に 暇 が な い成 果 が 生 まれ て い る 5.P.E.の 本 質 1970年 代 はP.E.の 研 究 熱 は そ の 頂 点 に 達 し,年 次 大 会 に あ らは れ る論 文 の9%(1971 年)はP.E.ま た は そ れ に 関 連 し た も の で あ っ た 。 これ はP.E.の 重 要 性 も さ ろ こ とな が ら, や り易 か っ た こ とに 原 因 が あ っ た の で は な か ろ うか 。 即 ち,実 験 装 置 が 組 み 立 て 易 く,大 学 な ど で は 経 済 的 に も可 能 な 手 頃 の も の で あ っ た か らで あ る.斯 く して あ らは れ た 多 く の 論 文 も時 の経 つ に つ れ て 淘 汰 され,そ の 成 果 は 恰 も海 岸 の 砂 浜 に 残 し た 足 跡 の よ うに う ち寄 せ る波 に よ っ て す っか り消 え去 っ て い る も の が 多 い 。 こ れ らは コ ス トを 無 視 し た り,独 創 性 に 乏 し い 研 究 で あ った か らで は か ろ うか 。 研 究 に 大 切 な の は,そ の 独 創 性 で あ り,そ の発 表 に 当 た っ て は それ を明 確 に し,新 し く 加 え た 知 見 は 何 か を明 らか に す る こ とで あ る 。

これ は 筆 者 の40数 年 間 の 研 究 成 果 を 振 り返 っ た と き の 率 直 な 実 感 で あ り告 白 で あ る 。,科学 的 な originalityは 消 え る事 は な い が,技 術 的 なorlginalityは 周 辺 技 術 の 進 歩 に 依 って 何 時 か は 淘 汰 され る運 命 に あ る 。P.E.も 円 熟 して い い テ ー マ ガ な くな って き た と囁 か れ る昨 今P.E. とは一 体 何 か,そ の 本 質 を 考 え る必 要 が あ る 。 この 素 朴 な 問 に 対 す る答 は 次 の 通 りで あ る 。 商 用 堰 力 を原 料 に して それ ぞ れ に 適 し た形 に 調 理 す る 。 これ がP.E.で,P.E.のengin-eerは い は ば 調 理 師,サ イ リス タ や パ ワ ー トラ ン ジス タ は その 場 合 の 包 丁 で あ る 。 調 理 師 は 高 級 な 料 理,経 済 的 な 料 理,目 を 楽 し ませ る料 理 な ど目 的 や 場 所 に 応 じ た 料 理 の た め に 研 究 が な され て い る 。 P.E.も 円 熟 し て テ ー マ探 し に 苦 労 を す る と の声 は 調 理 に お い て 新 しい も の は 出 尽 く し た と言 う に等 し い 。 我 々 は 先 づ 高 い 理 想 を か か げ る事 で あ る 。 で き るで き な い は 二 の 次 で あ る 。 現 実 と理 想 と の問 に は 常 に ギ ャ ッ プ が あ る筈 で,こ の ギ ャ ツ プ こ そ は 研 究 テ ー マ の 宝 庫 で あ る か ら現 実 に 妥 協 し て は な らな い 。 例1.テ レ ビか らの 第5高 調 波 例2.noise-cutout trans, 例3.相 間 リア ク トル の タ ップ を利 用 し た1次 電 流 の 高 調 波 低 減 法 図4.テ レビの視聴 率 と第5調 波電流 図5NCTの 作用

図6  サ イ リス タの光 と陰