電力用半導体の動作環境改善について出展
舞鶴工業高等専門学校
しばもとそういちろう

むらかみ

かたやまひであき

総合システム工学専攻

芝本 宗一郎、村上

電気電子システム工学コース長

片山たつ やもりわき

まこ と達哉、森脇 誠斗

英昭

１．はじめに株式会社堀場製作所様のご支援を頂き、平成28年12月14日（水）～16日（金）に東京ビッグサイトの東展示棟・会議 棟 で 開 催 さ れ た SEMICON Japan 2016の「The 高 専＠ GAKKO」に出展しました。本校は、本科４学科（機械工学科、電気情報工学科、電子制御工学科、建設システム工学科）と専攻科１専攻３コース（総合システム工学専攻：電気電子システム工学コース、機械制御システム工学コー
ス、建設工学コース）からなり、学生数は約830名です。今回は、総合システム工学専攻電気電子システム工学コースの３名（平地研究室所属）が参加しました。彼らは、平成28年12月に開催されたパワーエレクトロニクス学会で発表した内容を中心として、電力用半導体の有効利用のために

図１

重要である、サージ電圧、サージ電流、スイッチング損失

サージ電圧発生時の電流経路などの発生メカニズムと抑制方法の研究について紹介しました。

２．出展内容DS Speak[V]vDpeak[V]ドレイン・ソース間に過大な電圧が発生し、スイッチの劣vDS peak[V]が ON 状態から OFF 状態へ切り替わるときに MOSFET の100

875086efficiency[%]

efficiency[%]

２.１ DC/DC コンバータのサージ電圧発生メカニズムの研究
DC/DC コンバータでは、半導体スイッチ（MOSFET）

88150

化や破損を生じるため問題となっています。サージ電圧の抑制を行うためには、その発生メカニズムを解析する必要があり、本研究では昇降圧チョッパを用いて実験・解析を行いました。
回路中の各部分の電圧および電流波形を観察することに

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図２02468added capacity[nF]1012

容量とサージ電圧および変換効率より、図１のように電流経路をモードごとに切り分けることができます。
電流経路を考えることにより、サージ電圧は寄生インダ

この図より、コンデンサの容量を増加させると、サージクタンスが MOSFET の寄生容量を充電することによって電圧は低下していきますが、変換効率は２[nF] より大きい発生することがわかりました。容量の両端に生じる電圧は領域において低下していくことがわかりました。２[nF] よコンデンサの基本式に従うため、静電容量が大きいほどサーり小さい領域で変換効率が向上している理由は、サージ電ジ電圧は抑制されると考えました。そこで、MOSFET と並圧が抑制されたことに起因すると考えられます。

列に外付けの容量を接続し、静電容量とサージ電圧および変換効率の関係を調べたところ、図２に示す結果が得られました。

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今後の課題として、サージ電圧と変換効率の関係性を定量的に評価することがあげられます。

セミコンジャパン

MIRAI GAKKO

２. ２ フ ライイングキャパシタ付き双方向チョッパの新しい制御方式の研究
本研究の当初の目的は、フライイングキャパシタ付き双方向チョッパの特性を明らかにすることでした。しかし現
在は、提案した新しい制御方式の有用性を解析・実験により検証することを目的としています。

（a）従来の制御方式
図４（b）新しい制御方式

リアクトル電流波形の比較

図３に示すフライイングキャパシタ付き双方向チョッパ
は、スイッチドキャパシタコンバータを基に構成しており、フライイングキャパシタ C2を利用することにより、従来の次に、図４（b）のリアクトル電流波形を適用するには、スイッチ素子の ON/OFF 毎の動作を考える必要がありまチョッパ回路に比べ、２つの恩恵を受けることができます。
まず、１つ目はリアクトル L1の小型化が可能となります。

す。一般的に、電力変換回路の動作は、次の３つのステッ

これにより、回路全体の小型軽量化が図れます。２つ目は、スイッチ素子（MOSFET など）Q1, Q2, Q3, Q4 の印加電圧を

プ２では電流経路、ステップ３では全素子の電圧、電流波低減することができます。これにより、耐圧の低い素子がこれらの工程を経て、初めて実験となります。なお、平利用でき、コストの削減ができます。

プで考えます。まず、ステップ１では動作モード、ステッ形を考えます。
地研究室では、基本的には回路は自分たちで製作します。
< 従来の制御方式 >< 新しい制御方式 >（a）（上）VL1波形（下）iL1波形
サージ電流

図３

フライイングキャパシタ付き双方向チョッパ（b）（上）VQ1波形（下）iQ1波形
図５ フライイングキャパシタ付き双方向チョッパの実験結果

このような利点を持つ回路ですが、問題点もあります。
来の制御方式では、スイッチ素子が持つ寄生ダイオードのそして、実験結果は図５のようになりました（実験条件：
V2=12[V], Iout= １[A]）。図の左側は従来の制御方式、右側はリカバリ特性によって、大きなサージ電流が発生すること新しい制御における実験結果となっています。図５（a）よです。サージ電流の発生は、スイッチ素子に過大なストレり、新しい制御方式では、iL1に逆流区間を含む波形となっスを与えたり、ノイズの影響になったりします．ていることを確認できます。また、図５（b）より、従来のそれは、フライイングキャパシタ付き双方向チョッパの従そのため、平地研究室ではそのサージ電流を抑制するた制御方式で確認されたサージ電流は、新しい制御方式ではめ、図４（a）に示すような従来の制御方式に対して、新し抑制出来ていることがわかります。なお、変換効率は、従い制御方式の提案を行いました。新しい制御方式では、図来制御方式では85.6[%]、新制御方式では89.0[%] の結果が得４（b）に示すような、リプル成分を大きくしたリアクトルられました。

電流波形を使用することにより、逆流部分で寄生ダイオー以上より、新しい制御方式ではサージ電流の抑制およびドの電荷を引き抜くことができ、リカバリ特性を防ぐこと変換効率の向上ができ、その有用性を確認することができができます。また、追加部品は必要としないので、実用性ました。なお、電流のピーク値が大きくなるため、大容量が高く、ZVS（Zero Voltage Switching）と呼ばれる損失０の用途には適しませんが、小容量の用途、例えば LED 照明でスイッチングを行う技術を容易に実現することができ、のドライバなどへの応用が期待できます。

変換効率の向上も可能であると考えられています。
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電気電子システム工学コース１年

３．参加学生の感想
電気電子システム工学コース１年

森脇誠斗

先日行われたセミコンジャパン2016で、私たちの研究
芝本宗一郎

室では、パワーエレクトロニクスに関する研究の展示を私達は「半導体の動作環境改善」というタイトルで発表させ行いました。他のブースに比べ、少し研究分野が違うため、ていただきました。半導体素子そのものの開発や製造装置に私たちの展示物に興味を持ってくれるか少し不安でした

関する出展が多い中で、私達の研究はパワーエレクトロニクスが、多くの聴講者に訪れてもらい、興味を持っていただと呼ばれる分野のため、会場全体から見ると少しアプローチのきました。研究分野が違う分、様々な視点から質問や意異なる内容だったと思います。SEMICON Japan 2016では通見を頂き、今後の研究方針等に参考となるものでした。

常の学会発表と異なり様々な分野の方に向けて説明する必要

また、研究内容とは別に、発表の仕方についてのアドバがあるため、どのような流れで説明すればよいか分からず戸惑

イスを頂き、今後発表していく上で非常に勉強になりまいがありましたが、ブースにお越し頂いた方々からの「このようした。最後になりますが、このような貴重な経験をさせな流れで進めるとわかりやすいのではないか」、「こんな展示がてもらい、ありがとうございました。今回の出展に携わっあればわかりやすかったのでは」といったアドバイスや、他のブーた皆様には、深く感謝申し上げます。

ス展示を参考にさせて頂き発表に慣れることができました。
また研究内容について、パワーエレクトロニクスに精通した

４．おわりに方々と議論したり、「地味だけどこれからも重要な技術、研究今 回、 平 地 研 究 室 に 所 属 す る 学 生 ３ 名 と 一 緒 にがんばって」といった励ましの声を頂いたりと、とても楽しい時

SEMICON Japan 2016の中の１つのイベントである「The間を過ごすことができました。研究内容に対して深く掘り下げ高専＠ GAKKO」に参加しました。本校はここ数年毎年参て質問していただいた際には、きちんと考えを詰めきれていな加していますが、片山を含め全員が初めての参加であるたい部分が多くあることに気付かされ、まだまだ私の勉強が足りめ、昨年度参加した専攻科学生や指導教員にアドバイスをていないと実感させられました。

もらいながら準備を進めました。頂いたアドバイスを充分今回の経験からたくさんのものを得ましたが、特に「わかりに活かすことができなかったため、昨年度のようにプレゼやすい説明」と「私自身の知識不足を補う」ということが今後ン大会で優勝することができず、とても残念です。来年度の課題であると確認できました。

も参加の機会を得られれば、最後になりましたが、ご協賛頂いた株式会社堀場製作所様
はじめ THE 高専 @SEMICON Japan 2016の運営に携わって頂いた皆様に厚く御礼申し上げます。このような素晴らしい発表の場を設けていただきありがとうございました。

リベンジしたいと考えています。
最後になりますが、今回の出展に関して多大なご支援頂いた株式会社堀場エス

電気電子システム工学コース１年

達哉

テックの皆様に御礼申し上

今回、セミコン JAPAN2016では非常に有意義な時間を過ご村上げます。またこのような貴させていただきました。ポスター発表自体は未経験ではないで重な経験の場を提供して頂すが、私達の分野がパワエレメインということもあり、いかにいた本イベント関係者の皆短く分かりやすく説明するかとても苦労しました。初日こそ上手様に感謝申し上げます。あく説明できずなかなか理解してもらえませんでした。しかし、りがとうございました。

２日目、３日目になるに連れてプレゼンの方法についてアドバイ

写真１
プレゼンテーションの様子

スを頂き、上手く説明できるようになったのではないかと思います。また、研究内容についてもアドバイスや質問を多く頂き非常に勉強になりました。それらを活かし今後の研究活動を更に有意義にしていきたいと思います。発表時間外では企業さんのブースを見させていただきました。私にとってはとても難しく説明していただいてもなかなか理解することができませんでしたが、非常に勉強になりました。また、各企業の特徴も知ることができ、今後の進路を考える時間にもなりました。
これからは将来立派なエンジニアを目指し日々精進していきたいと思います。ありがとうございました。
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写真２

懇親会の様子（右端は本校 OB の小山氏）