パワーエレクトロニクスにおけるコンバーターの基礎と設計法
-小型化・高効率化の実現-

【著者紹介】

【目次】

１．緒言

1. １.１.　パワーエレクトロニクスを取り巻く環境
2. １.２.　直流電力変換器の小型化へのアプローチ
3. １.３.　本書の構成

２．非絶縁形DC-DCコンバーター（チョッパ回路）

1. ２.１.　チョッパ回路
   1. ２.１.１.　回路構成
   2. ２.１.２.　各回路の関係性
   3. ２.１.３.　降圧チョッパの簡易動作解析
      1. ２.１.３.１.　動作モード
      2. ２.１.３.２.　入出力電圧変換特性
      3. ２.１.３.３.　リプル電流と平滑コンデンサ
   4. ２.１.４.　電流連続モードと電流不連続モード
   5. ２.１.５.　同期整流モード
2. ２.２.　インダクタを2つ用いたチョッパ回路
   1. ２.２.１.　回路構成
   2. ２.２.２.　特徴
   3. ２.２.３.　SEPICの簡易動作解析
   4. ２.２.４.　Superbuckコンバーターの簡易動作解析
3. ２.３.　Hブリッジを用いた昇降圧チョッパ回路
   1. ２.３.１.　回路構成と特徴
   2. ２.３.２.　動作解析（同期駆動とインタリーブ駆動）
   3. ２.３.３.　インダクタのリプル電流

３．絶縁形DC-DCコンバーター

1. ３.１.　フライバックコンバーター
   1. ３.１.１.　回路構成
   2. ３.１.２.　動作解析
   3. ３.１.３.　スナバ回路を含めた動作解析
2. ３.２.　フォワードコンバーター
   1. ３.２.１.　回路構成
   2. ３.２.２.　動作解析
3. ３.３.　チョッパ回路を基礎とした他の絶縁形DC-DCコンバーター
4. ３.４.　ブリッジ回路を用いた絶縁形DC-DCコンバーター
5. ３.５.　ハーフブリッジセンタータップコンバーター
   1. ３.５.１.　回路構成
   2. ３.５.２.　動作解析
6. ３.６.　非対称ハーフブリッジコンバーター
   1. ３.６.１.　回路構成
   2. ３.６.２.　動作解析
   3. ３.６.３.　トランスの直流偏磁
7. ３.７.　Dual Active Bridge（DAB）コンバーター
   1. ３.７.１.　回路構成
   2. ３.７.２.　動作解析
   3. ３.７.３.　零電圧スイッチング（ZVS）領域

４．コンバーターにおける各種の損失

1. ４.１.　電流の2乗に比例する損失（ジュール損失）
   1. ４.１.１.　MOSFETのオン抵抗
   2. ４.１.２.　コンデンサの等価値列抵抗
   3. ４.１.３.　トランスやインダクタにおける銅損
2. ４.２.　電流に比例する損失
   1. ４.２.１.　IGBTにおける導通損失
   2. ４.２.２.　ダイオードの順方向降下電圧による導通損失
   3. ４.２.３.　スイッチング損失
   4. ４.２.４.　ZVSによるスイッチング損失低減
3. ４.３.　電流に無依存の損失（固定損失）
   1. ４.３.１.　MOSFETの入力容量と出力容量
   2. ４.３.２.　ダイオードの逆回復損失
   3. ４.３.３.　トランスの鉄損
4. ４.４.　電力変換回路の最高効率点

５．コンバーターの小型化へのアプローチとその課題

1. ５.１.　小型化へのアプローチ
2. ５.２.　高周波化による受動素子の小型化とその課題
   1. ５.２.１.　受動素子の充放電エネルギー量
   2. ５.２.２.　高周波化に伴う損失増加
   3. ５.２.３.　ソフトスイッチングによるスイッチング損失の低減
   4. ５.２.４.　ワイドギャップ半導体デバイスによる高周波化と損失低減
3. ５.３.　高エネルギー密度の受動素子採用による小型化
   1. ５.３.１.　インダクタとコンデンサのエネルギー密度
   2. ５.３.２.　コンデンサを用いた電力変換
4. ５.４.　高効率化や高温度耐性部品の採用による廃熱系バイスの小型化
5. ５.５.　スイッチや受動部品の統合による部品点数の削減
   1. ５.５.１.　コンバーター単体レベルでの磁性素子の統合
   2. ５.５.２.　システムレベルでの統合

６．共振形コンバーター

1. ６.１.　概要
   1. ６.１.１.　共振形コンバーターの構成と特徴
   2. ６.１.２.　共振形コンバーターの種類と特徴
2. ６.２.　直列共振形コンバーター
   1. ６.２.１.　回路構成
   2. ６.２.２.　共振周波数とスイッチング周波数の関係
   3. ６.２.３.　動作モード（ƒ_s > ƒ_r）
   4. ６.２.４.　基本波近似による解析
   5. ６.２.５.　動作モード（ƒ_s < ƒ_r）
3. ６.３.　LLC共振形コンバーター
   1. ６.３.１.　回路構成
   2. ６.３.２.　共振周波数とスイッチング周波数の関係
   3. ６.３.３.　動作モード（ƒ_r0 > ƒ_s > ƒ_rp）
   4. ６.３.４.　動作モード（ƒ_s > ƒ_r0）
   5. ６.３.５.　基本波近似による解析
   6. ６.３.６.　ZVS条件

７．スイッチトキャパシタコンバーター

1. ７.１.　概要
2. ７.２.　SCCの代表的な回路構成
3. ７.３.　基本回路の解析
   1. ７.３.１.　簡易モデル
   2. ７.３.２.　詳細モデル
4. ７.４.　SCC回路の解析
   1. ７.４.１.　ラダーSCC
      1. ７.４.１.１.　特徴
      2. ７.４.１.２.　動作概要
      3. ７.４.１.３.　電荷移動解析
   2. ７.４.２.　直列／並列SCC
      1. ７.４.２.１.　特徴
      2. ７.４.２.２.　動作概要
   3. ７.４.３.　フィボナッチSCC
      1. ７.４.３.１.　特徴
      2. ７.４.３.２.　動作概要

８．スイッチトキャパシタコンバーターの応用回路

1. ８.１.　ハイブリッドSCC
   1. ８.１.１.　回路構成と特徴
   2. ８.１.２.　ハイブリッドラダーSCCの動作
   3. ８.１.３.　電荷移動解析
   4. ８.１.４.　インダクタのサイズ
   5. ８.１.５.　ハイブリッドラダーSCCの拡張回路
2. ８.２.　位相シフトSCC
   1. ８.２.１.　回路構成と特徴
   2. ８.２.２.　動作モード
   3. ８.２.３.　出力特性
   4. ８.２.４.　位相シフトSCCの拡張回路
3. ８.３.　共振形SCC
   1. ８.３.１.　回路構成と特徴
   2. ８.３.２.　動作モード
   3. ８.３.３.　ゲイン特性
   4. ８.３.４.　共振形SCCの拡張回路

９．コンデンサにより小型化を達成するコンバーター

1. ９.１.　Luoコンバーター
   1. ９.１.１.　回路構成と特徴
   2. ９.１.２.　動作モード
   3. ９.１.３.　インダクタサイズの比較
2. ９.２.　フライングキャパシタを用いた降圧チョッパ
   1. ９.２.１　回路構成と特徴
   2. ９.２.２　動作モード
   3. ９.２.３　インダクタサイズの比較
3. ９.３.　フライングキャパシタマルチレベルDC-DCコンバーター
   1. ９.３.１.　回路構成と特徴
   2. ９.３.２.　動作モード
   3. ９.３.３.　インダクタサイズの比較

【参考文献】

• J.G. Kassakian, M.F. Schlecht, and G.C. Verghese, Principle of Power Electronics、日刊工業新聞社、1997年
• I. Aharon, A. Kuperman, and D. Shmilovitz, "Analysis of dual-carrier modulator for bidirectional noninverting buck-boost converter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 2, pp. 840-848, Feb. 2015.
• H. Xiao and S. Xie, "Interleaving double-switch buck-boost converter," IET Power Electron., vol. 5, no. 6, pp. 899-908, May 2012.
• 茶位祐樹、山本達也、金野泰之、川原翔太、卜穎剛、水野勉、山口豊、狩野知義、"LLC共振形コンバーター用トランスに使用するリッツ線の素線数の検討"、日本AEM学会誌、vol. 26, no. 2, pp. 332-337, 2018.
• A.V.D. Bossche and V.C. Valchev, Inductors and transformers for power electronics, New Mexico: CRC Press, 2005.
• M. März, A. Schletz, B. Eckardt, S. Egelkraut, and H. Rauh, "Power electronics system integration for electric and hybrid vehicles," IEEE, 2010 6th Int. Conf. Integrated Power Electron. Syst. (CIPS 2010), 2010.
• S. R. Sanders, E. Alon, H. P. Le, M. D. Seeman, M. Jhon, and V. W. Ng, "The road to fully integrated dc-dc conversion via the switched-capacitor approach," IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 9, pp. 4146-4155, Sep. 2013.
• M. Uno and A. Kukita, "PWM switched capacitor converter with switched-capacitor-inductor cell for adjustable high step-down voltage conversion," IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 1, pp. 425-437, Jan. 2019.
• D.F. Cortez, G. Waltrich, J. Fraigneaud, H. Miranda, and I. Barbi, "DC-DC converter for dual-voltage automotive systems based on bidirectional hybrid switched-capacitor architectures," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 62, no. 5, May 2015, pp. 3296-3304.
• M. Evzelman and S.B. Yaakov, "Simulation of hybrid converters by average models," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 50, no. 2, Mar./Apr. 2014, pp. 1106-1113.
• B.P. Baddipadiga and M. Ferdowsi, "A high-voltage-gain dc-dc converter based on modified Dickson charge pump voltage multiplier," IEEE Trans. Power Electron., vol. 32, no. 10, pp. 7707-7715, Oct. 2017.
• S. Xiong, S.C. Tan, and S.C. Wong, "Analysis and design of a high-voltage-gain hybrid switched-capacitor buck converter," IEEE Trans. Circuits Syst. I, vol. 59, no. 5, May 2012, pp. 1132-1141.
• W. Qian, H. Cha, F. Z. Peng, and L. M. Tolbert, "55-kW variable 3X dc-dc converter for plug-in hybrid electric vehicles," IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 4, pp. 1668-1678, Apr. 2012.
• W. Kim, D. Brooks, and G. Y. Wei, "A fully-integrated 3-level dc-dc converter for nanosecond-scale DVFS," IEEE J. Solid-State Circuit., vol. 47, no. 1, pp. 206-219, Jan. 2012.
• Y. Lei, W.C. Liu, and R.C.N.P. Podgurski, "An analytical method to evaluate and design hybrid switched-capacitor and multilevel converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 3, pp. 2227-2240, Mar. 2018.
• Coilcraft, Coupled Inductor Guide, （https://www.coilcraft.com/edu/Coupled%20Inductor.cfm）
• 山本真義、川島崇宏：「パワーエレクトロニクス回路における小型・高効率設計法」、科学情報出版（2014年）
• E.C. Santos, "Dual-output dc-dc buck converters with bidirectional and unidirectional characteristics," IET Trans. Power Electron., vol. 6, no. 5, pp. 999-1009, May 2013.
• O. Ray, A.P. Josyula, S. Mishra, and A. Joshi, "Integrated dual-output converter," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 62, no. 1, pp. 371-382, Jan. 2015.
• N. Katayama, S. Tosaka, T. Yamanaka, M. Hayase, K. Dowaki, and S. Kogoshi, "New topology for DC-DC converters used in fuel cell-electric double layer capacitor hybrid power source systems for mobile devices," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 1, pp. 313-321, Jan. 2016.
• H. Nagata and M. Uno, "Multi-port converter integrating two PWM converters for multi-power-source systems," in Proc. Int. Future Energy Electron. Conf. 2017 (IFEEC 2017), pp. 1833-1838, Jun. 2017.
• A. Hintz, U. R. Prasanna, and K. Rajashekara, "Novel modular multiple-input bidirectional DC-DC power converter (MIPC) for HEV/FCV application," IEEE Ind. Electron., vol. 62, no. 5, pp. 3068-3076, May 2015.
• A. I, S. Senthilkumar, D. Biswas, and M. Kaliamoorthy, "Dynamic power management system employing a single-stage power converter for standalone solar PV applications," IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 12, pp. 10352-10362, Dec. 2018.
• C. Zhao, S. D. Round, and J. W. Kolar, "An isolated three-port bidirectional DC-DC converter with decoupled power flow management," IEEE Ind. Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2443-2453, Sep. 2008.
• S. Falcones, R. Ayyanar, and X. Mao, "A DC-DC multiport-converter-based solid-state transformer integrating distributed generation and storage," IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 5, pp. 2192-2203, May 2013.
• L. Wang, Z. Wang, and H. Li, "Asymmetrical duty cycle control and decoupled power flow design of a three-port bidirectional DC-DC converter for fuel cell vehicle application," IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 2, pp. 891-904, Feb. 2012.
• X. Sun, Y. Shen, W. Li, and H. Wu, "A PWM and PFM hybrid modulated three-port converter for a standalone PV/battery power system," IEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron., vol. 3, no. 4, pp. 984-1000, Dec. 2015.
• M. Uno, R. Oyama, and K. Sugiyama, "Partially-isolated single-magnetic multi-port converter based on integration of series-resonant converter and bidirectional PWM converter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 11, pp. 9575-9587, Nov. 2018.
• W. Li, J. Xiao, Y. Zhao, and X. He, "PWM plus phase angle shift (PPAS) control scheme for combined multiport DC/DC converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 3, pp. 1479-1489, Mar. 2012.
• M.K. Kazimierczuk and D. Czarkowski, Resonant power converters, New Jersey: Wiley, 2011.
• M. D. Seeman and S. R. Sanders, "Analysis and optimization of switched-capacitor dc-dc converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 2, pp. 841-851, Mar. 2008.
• G. V. Piqué, H. J. Bergveld, and E. Alarcón, "Survey and benchmark of fully integrated switching power converters: switched-capacitor versus inductive approach," IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 9, pp. 4156-4167, Sep. 2013.
• M. Evzelman and S. B. Yaakov, "Average-current-based conduction losses model of switched capacitor converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 7, pp. 3341-3352, Jul. 2013.
• M. D. Seeman and S. R. Sanders, "Analysis and optimization of switched-capacitor dc-dc converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 2, pp. 841-851, Mar. 2008.
• B. Oraw and R. Ayyanar, "Load adaptive, high efficiency, switched capacitor intermediate bus converter," in Proc. IEEE Int. Telecommun. Energy Conf., INTELEC' 07, pp. 1872-1877, 2007.
• S. R. Sanders, E. Alon, H. P. Le, M. D. Seeman, M. Jhon, and V. W. Ng, "The road to fully integrated dc-dc conversion via the switched-capacitor approach," IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 9, pp. 4146-4155, Sep. 2013.
• M. Uno and A. Kukita, "PWM switched capacitor converter with switched-capacitor-inductor cell for adjustable high step-down voltage conversion," IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 1, pp. 425-437, Jan. 2019.
• M. D. Seeman and S. R. Sanders, "Analysis and optimization of switched-capacitor dc-dc converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 2, pp. 841-851, Mar. 2008.
• B. Oraw and R. Ayyanar, "Load adaptive, high efficiency, switched capacitor intermediate bus converter," in Proc. IEEE Int. Telecommun. Energy Conf., INTELEC'07, pp. 1872-1877, 2007.
• K. Sano and H. Fujita, "Performance of a high-efficiency switched-capacitor-based resonant converter with phase-shift control," IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 2, pp. 344-354, Feb. 2011.
• K. I. Hwu and Y. T. Yau, "Resonant voltage divider with bidirectional operation and startup considered," IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 4, pp. 1996-2006, 2012.
• K. Kesarwani, R. Sangwan, and J.T. Stauth, "Resonant-switched capacitor converters for chip-scale power delivery: design and implementation, " IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 12, Dec. 2015, pp. 6966-6977.
• E. Hamo, M. Evzelman, and M.M. Peretz, "Modeling and analysis of resonant switched-capacitor converters with free-wheeling ZCS," IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 9, Sep. 2015, pp. 4952-4959.
• A. Cervera, M. Evzelman, M.M. Peretz, and S.B. Yaakov, "A high-efficiency resonant switched capacitor converter with continuous conversion ratio," IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 3, Mar. 2015, pp. 1373-1382.
• F.L. Luo, "Luo-Converters, a series of new DC-DC step-up (boost) conversion circuits," in Proc. Second Int. Conf. Power Electron. Drive Systems, May 1997.
• W. Qian, H. Cha, F. Z. Peng, and L. M. Tolbert, "55-kW variable 3X dc-dc converter for plug-in hybrid electric vehicles," IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 4, pp. 1668-1678, Apr. 2012.
• W. Kim, D. Brooks, and G. Y. Wei, "A fully-integrated 3-level dc-dc converter for nanosecond-scale DVFS," IEEE J. Solid-State Circuit., vol. 47, no. 1, pp. 206-219, Jan. 2012.
• Y. Lei, W.C. Liu, and R.C.N.P. Podgurski, "An analytical method to evaluate and design hybrid switched-capacitor and multilevel converters," IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 3, pp. 2227-2240, Mar. 2018.

【口コミ】