新エネルギーの展望

パワーエレクトロニクス
2008年 3 月

財団法人 エネルギー総合工学研究所−THE INSTITUTE OF APPLIED ENERGYま え が き
地球温暖化問題とエネルギー問題解決への取組みの第１は，エネルギーを極力使わない
すなわち省エネルギーであることは，論を待たない。その点，日本はエネルギー利用効率（GDPあたりのエネルギー消費量）において，世界で最も優れており，欧米の先進国でも日本より２～３倍消費，某新興途上国では18倍も消費しているところもあり，世界平均でも３倍のレベルである。これは，資源が乏しい日本が，戦後経済成長を遂げる過程でより少ない資源で効率的に良い物を作り，輸出することが不可欠であったことの当然の帰結でもあるが，もし世界全体が日本並みの省エネルギー性を確保できれば，現在でも世界のエ
ネルギー消費量は，３分の１になるという大きな影響をもたらす。
さて，本書で取り上げたパワーエレクトロニクス（Power Electronics，略称パワエレ）は，電気の直流・交流あるいは周波数などの変換等を迅速かつ効率的に行なう技術であり，従来からの電力工学に加え，近年の半導体を基礎とした電子工学と制御工学が融合した技術用語であるが，今や動力用，産業用，輸送用，さらには家庭用等およそ電気が使われるところには必ずといってよいほど重用されてきている。
本書で取り上げた大きな理由の一つにその優れた省エネルギー性が挙げられる。例えば，
過去10年間にパワエレの応用であるインバータを採用したエアコンの動力消費量が，約40％も低減（1995～2006年度）したことなど省エネ効果事例の摘出に暇がないほどである。
将来的には，現在主流の半導体材料（Si）に加え新しい材料（SiCなど）の実用化も想定の 上 で ， 省 エ ネ ル ギ ー 量 （ 原 油 換 算 ） と し て 2010年 に は 50万 kl程 度 ， 2020年 に な る と
1,800万klにも増大するとの予想もある。
本書は，そのパワエレを特に省エネルギー性に注目して，その種類，特徴，応用例など
を中心として一般読者向けに解説し，今般当所「新エネルギー展望」シリーズに取り上げた。
なお，本編は，プロジェクト試験研究部徳田憲昭副部長の協力を得て，小川紀一郎参事が執筆し，エネルギー技術情報センターにて編集した。
おわりに，このシリーズの刊行は，財団法人電力中央研究所からの委託業務「エネルギー技術情報に関する調査」の一環をなすものであり，同研究所に対して深く謝意を表する。
2008年３月
財団法人

エネルギー総合工学研究所
理事長

秋

山

守

新エネルギーの展望
パワーエレクトロニクス
目
はじめに
１

２

３

４

５

次

································································

パワーエレクトロニクスとは···········································

1
2

1.1

パワーエレクトロニクスの定義·····································

2

1.2

パワーエレクトロニクスの種類·····································

3·········································

5·····················································

5

パワーエレクトロニクスの歴史
2.1

半導体の歴史2.2

パワーエレクトロニクスの歴史

パワーエレクトロニクスの基礎·····································

6·········································

7

3.1

パワーエレクトロニクスと電力用素子·······························

7

3.2

半導体素子とインバータ···········································

13

パワーエレクトロニクスの適用状況·····································

15

4.1

概要

····························································

15

4.2

分散型エネルギー（新エネルギー等への適用） ·························

15

4.3

電力供給用および産業用···········································

18

4.4

輸送用

··························································

20

4.5

家庭用

··························································

21

4.6

ロボット

························································

24

4.7

共通事項（モータについて）·········································

25

パワーエレクトロニクスと材料·········································

27·····························································

27

5.1

概要

5.2

材料特性の相違

5.3

拡大が期待される新材料の適用範囲

5.4

新材料（SiC，GaN）の発展歴史

5.5

日本におけるパワエレ新技術への期待

5.6····················································

27··································

28······································

28（Cool Earth－エネルギー革新技術計画） ······························

29

日本における具体的取組事例··········································

30

６

パワーエレクトロニクスの課題と将来·····································

31

6.1

概要 ······························································

31

6.2

パワーエレクトロニクスの課題·······································

31

6.3

省エネルギー効果···················································

32

6.4

将来の電力ネットワークシステム·····································

33

あとがき

································································

36

参考資料

································································

37

は

じ

め

に

整流部（交流から直流への変換）とインバータ（直流から交流への変換）であるが，近年そのパワーエレクトロニクス（Power Electronics，

変換効率を含む機能・性能が著しく向上したこ

以下略称パワエレ）は，冒頭にも述べたようにとによる。そして，その基礎をなすのが半導体

電力工学，電子工学および制御技術を融合したであり，その応用であるダイオードやトランジ

技術用語であり，その役割は元の電気の周波数，

スタなどの半導体素子であるともいえる。歴史

波形などの性状を利用形態に適した性状に効率的には，パワエレの発展には，それらの素子の的に変換する技術である。

顕著な発達とともに，素子の集合体ともいえる

パワエレを本シリーズで取り上げた大きな理集積回路（IC）の発展に負うところが極めて大由は，これまでも，その採用により電気機器のきい。この，パワエレの発達と集積回路の発達

性能向上などにより省エネルギーが図られてきが両輪となって，現在のエレクトロニクス時代

たが，将来さらなる技術開発により一層の省エを支えてきているのである。

ネルギーが期待されることである。ある試算にこのようにパワエレはわれわれの生活に深く

よれば，パワエレの効果により原油換算で2010関係して多くのところで利用されてきているが，年には50万kl，さらに2020年になると1,800万kl

一方では，その意味・内容等を専門外の人が理(1)にも増大すると見込まれている 。そのように解しようとする時，意外に困難を覚える人が多省エネルギー効果が期待される背景として，現

いのではないだろうか。それは，同技術を扱っ

在パワエレ技術が使われていない機器への採用た入門書といえども，多くの場合専門用語が飛普及に加え，既存材料（Si系）に替わる新らしび出し，場合によっては数式で説明される場合

い材料（SiCなど）の開発・採用にともなう省エもあり，一般の人にはハードルが高いからであ

ネルギー効果が挙げられる。

る。そこで本書は，パワエレの省エネルギー性

近年，全エネルギー消費に占める電気エネルに注目し，パワエレの“さわり”としてその概ギーの比率（電力化率）は，世界的にも日本に要を把握していただくことを狙って，基礎的面

おいても上昇傾向が続き，最近日本では40％をから代表的適用例と将来展望などを取りまとめ

超える値となっている。その背景としては，近た。

年エネルギー供給面における電気の信頼性およしかし，パワエレといってもその種類は多く，び品質が向上してきたことに加え，利用面におまたその応用も多岐にわたり，さらに絶えず発いても，利便性と省エネルギー性に優れた機器

達している技術であるので，本書のような小冊が開発され利用者の満足できるレベルに達して子で，概要を述べるのは非常に困難であるが，きたことがあげられよう。これらの基礎を担っ

特に省エネルギー面を中心的に取りまとめた意ているのが，パワエレであるということもでき

図を汲んで読んでいただければ幸いである。

る。
さてパワエレの働きを概括すると，（系統等からの）導入電気あるいは発電機発生電気を，利用側機器の使用に最も適した電気特性に変換する機能であるともいえる。すなわち，利用する電気の状態（例えば，交直流の流れ，周波数，
電流・電圧の大きさなど）がどのようなものであれ，利用側機器に適した電気の状態に変換する技術である。その際の基本的な構成要素が，
－ 1 －

１

パワーエレクトロニクスとは

で示すと，半導体素子，制御技術，マイクロプ
ロセッサ，冷却・実装技術，ネットワーク技術

1.1

パワーエレクトロニクスの定義(2)などで構成される総合技術といえる。

「パワーエレクトロニクス（Power Electronics，
以下パワエレと称す）」は，電力工学，電子工（備考；パワエレ関連各種工学の解説

学と制御技術が組み合わさった１つの技術用語

上記では電力工学，電子工学，制御工学等の類似用である。言い換えると，主に半導体を主要構成語が出てきたが，ここで混同されやすいので，それぞ要素として組立てられる制御技術を用いて，電れの意味を概説する(3)。

力の変換を行うとともに電気設備・機器の制御①

電力工学とは，発電や電気の流通（送配電）にかを効率的かつ円滑にも行なう際の基礎になる技

かわる機器，仕組み，材料，あるいはそれらの応用術であるといえる。図1－1にその概念を示す。

を扱う工学分野である。
②

電子工学とは，（真空中，固体中，あるいは電界・磁界中などにおける）電子の振る舞いを解明・

電子工学

パワー
エレクトロ
ニクス

理論化し，また半導体等の素子，装置などの制御を

電力工学

扱う工学分野である。
③

制御工学とは，入力および出力をもつシステムにおいて，その出力を制御する方法全般に係る学問分野である。そのうち，数理モデルを使った制御理論

制御とそれを実モデルに適用する制御応用があり，特に後者はその発達の経緯から，電気系，機械系，および化学系が中心となった工学分野である。
④

図1－1

パワーエレクトロニクスの説明

用語がある。電気工学とは，電気や電磁気の研究や応用を取り扱う工学分野であり，従ってその対象は（出典：船曳繁之，電気電子システム大講座，面白い
電子制御の話

その４

一方，上記に共通する用語として電気工学という上記の各工学分野より幅広い意味をもっている。そパワーエレクトロニのうち，対象をエネルギーの輸送手段を中心としてクス，島根大学HP，2008年１月）

取り扱う場合を“強電”，情報の伝達媒体を中心とその用語が広く用いられるようになったのは，して取り扱う場合を“弱電”と称する場合もある。

1973年に米国ウェスティングハウス社のウィリ

その分類と上記を照合すると，電力工学は，“強アム・ニューウェル（W. E. Newell）氏が図1

電”，電子工学は，“弱電”に対応する。）－1を用いて，次のような説明を行なったこと
次にパワエレに関連する身近な利用技術の事が契機となったといわれる。
同氏によればパワエレとは，“電力の開閉，

例を見ながら，パワエレが現在の我々に如何に変換などを行う電力工学の分野，情報の処理，深く関係したものとなっているかを考えてみる。

伝送，検出などを行う電子工学の分野，さらにまず，朝起きたときから電気なしには生活が電気工学のもう一つの柱である制御の分野とが，成り立たなくなっている。照明からはじまり，

サイリスタ（詳細後述）を中心とする半導体技

電気かみそり，ヘアードライヤ，部屋が寒けれ術の進歩発展により重なり合った総合的な技術

ばエアコン，トースター，電気炊飯器，TV等々，分野”と説明されている。

朝の外出前の時間でさえ電気利用の枚挙には暇

具体的な表現として電力用としての適用事例

がない。

－ 2 －

実は，それらの電気製品の制御技術の基礎に一方，家庭電気製品ほどわれわれになじみはは，ほとんどパワエレが応用されている。我々

ないが，パワエレは，わが国の大容量電力融通の家庭に来ている電気は，その場所と利用方法にかかわる周波数変換でも利用されている。わ

によってその性状が異なる。例えば，電圧，相が国の周波数は，東日本では50Hz，西日本では数（単相，三相）などは，使用する電気機器の60Hzと異なり，この地域間で電力の融通を行う

種類に対応した適切な値や条件が必要とされる。

際，それぞれの地域に対応する周波数変換を行

電気を利用する場合，極力電力損失を生じさせって電力が融通される（注，日本の代表的変換

ずに用途に合った形態に変えることが重要であ所としては，佐久間周波数変換所と新信濃周波り，その制御を行う技術がパワエレである。ま数変換所がある）。その際に，順変換装置（コた，最近のモータは，負荷に応じてその電圧をンバータ）や逆変換装置（インバータ）と称さ変更できるいわゆる可変電圧方式が採用されるれる（詳細は，後述）パワエレが利用される。

ことが多いが，その場合に利用されるリニア制

ここで，パワエレの基礎となる働きと用語を御においても，パワエレが利用されることが多説明する。

い。図1－2および表1－1に，それぞれパワエレ

我々の家庭には一般に地域によって一定の周の働きと概略分類，および応用分野の例を示す。

波数をもった商用の交流電気が送られてきている。従来の家庭製品はほとんどそのまま利用される場合が多かったが，最近の性能（省エネ性，

動くもの

非線形回路

高効率性，機能性など）を問題とされる製品となると，従来の電気の性状をそのまま使って機器側で高性能を達成するには限界があり，電気

スイッチング
デバイス

制御の性状（周波数，電圧など）を機器の特性に見動かないもの合って変化させる方が，より高効率の機器特性
図1－2

パワーエレクトロニクスの働きと概略分類（出典：河村篤男，現代パワーエレクトロニクス，(株)数理工学社，2005年４月）が得られる。その背景として，半導体を基礎とした損失の少ない変換装置の発達と採用が挙げられる。
なお，ここで基本となる技術が，交流で配電

表1－1

パワーエレクトロニクスの応用分野の例

された電圧・電流を直流に変換する順変換装置（コンバータ），または整流装置（レクチファ

動くもの･･･主としてモータ駆動イア），さらに直流から交流に変換する操作で① 家電：エアコン，冷蔵庫，洗濯機，掃除機など② ＯＡ，ＡＶ，ＦＤＤ，ＣＤ，ＭＤ，ＤＶＤ，プリンタなど

ある逆変換装置（インバータ）である。

③ 交通：電気自動車，電車，新幹線，エスカレータ，エレベータなど

そのほか，直流の電力を性状（電圧等）の異④ 産業法：工場内工作機械，クレーンなど⑤ エンターテインメント：人間型ロボット

なる他の直流に変換する操作が用いられる場合

動かないもの･･･主として電気エネルギー源があり，これを直流チョッパ・スイッチングレ① 電源：直流電源（コンピュータや各種電気機器用），無停電電源
太陽光発電，分散電源

ギュレータ（DC／DCコンバータ）と称す。これ② 産業用：直流送電，周波数変換，電力用アクティブフィルタ

ら電力変換方式の概要を，図1－3に示す。

③ 高周波電源：ＩＨ（調理用），照明（出典：河村篤男，現代パワーエレクトロニクス，(株)数理工学社，2005年４月）

1.2

パワーエレクトロニクスの種類(1) 全体の分類
パワエレの分類としては，種々の視点からの分類があるが，例えば前述図1－2および表1－1
－ 3 －

④

マイクログリッドにおける利用
各種分散型エネルギーを，数種類集めて地域として独立して電源を確保するため分散電源組合せ発電（マイクログリッド）に利用される場合がある。組み合わせる各分散電源の特性に応じた変換技術，特にインバータ（詳細後述）が
図1－3

電力の変換方式採用される。

（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，
オーム社，平成13年４月）(2) 家庭用(4)①

調理用
誘導加熱（IH：Induction Heating）調理器，炊のように「動くもの（最終動作が目に見えるもの）」と「動かないもの（最終動作が目に見え

飯器，電子レンジなど。

ないもの）」など，パワエレの作動対象の状態②に応じて分類する方法，あるいは「分散型エネ

エアコン，洗濯機等動力用
エアコン（インバータエアコン），洗濯機，ルギー用」，「家庭用」，「産業用」等利用目

電気冷蔵庫など的から分類する方法，整流，逆変換，スイッチ③など機能別に分類する方法などがある。以下，

照明器具の制御
蛍光ランプや白熱電灯の明るさを変化させ本書では，エネルギーとパワエレの視点から作る調光器など。

成している関係上「分散型エネルギー用」，④

直流電源の利用「家庭用」など利用目的別の分類で説明する。

コードレス電話，携帯電話，ノートパソコ

なお，詳細は第４章で述べるので，本章ではそンなどで，基本的に電源に直流電源を使っていの概要を紹介する。

るが，その変換，充電にパワエレが利用される。

(2) 分散型エネルギー用(3) 産業用①

１）電気エネルギー源

風力発電における利用
風力発電は自然まかせのエネルギーである①

電力用周波数変換設備ため通常変動しているので安定した電力にする

東日本の50HZ，西日本の60HZの相互電力融ために出力安定化のための種々の対策を行う。

通の際の効率的変換にパワエレが利用される。

例えば，風力発電機単体では，誘導発電機では②

界磁制御，同期発電機では電圧や周波数変換な２次電池による電力貯蔵あるいは安定化
出力平準化対策の一環としての電力貯蔵にどを行う。

２次電池を利用する際の，交流から直流および②

直流から交流への変換にパワエレが利用される。

太陽光発電における利用
太陽光による発電は，直流発電であり，家庭内電気機器び商用系統へ逆潮する場合に交流

２）工場用省エネルギー対策（ポンプ，ファンなどの可変速機構）

への変換を行う。
③

ポンプ，ファンなど（モータを有する）回

燃料電池における利用転機器では，負荷制御方式としては，回転数一

燃料電池も太陽光発電と同様直流発電とな定で入口のベーンやダンパ等で容量を制御する

り，交流への変換が必要となる。ただし，太陽方法（速度一定方式）と負荷に応じて機器の回

光発電の場合とは，出力電圧が異なるため変換転数を制御する方法（速度制御方式）があるが，回路（直流昇圧回路）等が異なる。

原理的に後者の方式が効率面で有利である。従
－ 4 －

２

来その速度制御方法が確立されてなかったため，

パワーエレクトロニクスの歴史古い機器では速度一定方式が多かったが，最近のパワエレの進歩，とりわけ大容量インバータ

2.1

半導体の歴史(6)(7)

パワエレの歴史を紹介することはその最も重の進歩とその採用により，効率的な速度制御が要な構成要素である半導体を紹介することであ可能となった。

り，また半導体の歴史を述べる際には，その前(4) 輸送用

身的役割をなした真空管の歴史に触れざるを得①

ないので，真空管の歴史と織り交ぜながら紹介

自動車用
最近の自動車は，電動パワーステアリング

することとする。

やパワーウィンドウなど電気制御技術の役割が真空管（Vacuum Tube）は，1884年米国でエ重要となっているが，その中心をなすのが，パジソンが特許取得した２極真空管の発明が，歴ワエレである。一方，最近省エネルギー性と低史として最初のものといわれる。真空管は，そ

環境特性をうたい文句としてハイブリッド自動の後３極真空管，４極真空管へと発展し，広く車が，普及し始めてきており，将来的には，電利用されるようになった。特に電話システムに

気のみによる電気自動車の登場が期待されていは，信号の増幅用として真空管が，また交換機る。その際，二次電池によるモータ駆動あるいには機械式リレーが利用されていたが，寿命がは回生ブレーキ使用時のモータから発電機への短くまた故障が頻繁に起きるのが問題であった。

切り替え等における各種制御においてパワエレ

そこに半導体への期待の伏線があったといわれが核として利用される。

る。

②

ただし，半導体（Semiconductor）の歴史自

鉄道用
輸送能力とともに，快適性，省エネ性を追体は，真空管より古い歴史があり，もともと半求して，電力入力からモータ駆動までの最適シ導体として電気の導体と不導体（絶縁体）の間ステム構築に周波数制御を主体としたパワエレに位置する電気伝導特性を持ったもの，例えばの重要性が増してきている。

シリコンやゲルマニュウムなどの元素があることはかなり古くから知られていた。しかし，その特性が実用に供されたのは，19世紀の後半に無線電信の検波器としての方鉛鉱（半導体結晶）の利用が知られている(8)。20世紀の前半に真空管が実用化され，検波器の技術は，真空管にとって代わられたため，半導体の発展は一旦休止した形となった。その後，第２次世界大戦中において，レーダが実用化されたが，その精度向上のためには周波数をあげる必要があり，そうなると真空管では高周波の整流が困難であるため，再び鉱石検波器が見直された。大戦後，レーダの性能を改良するために，半導体の研究が進められ，1939年に米国のAT＆Tベル研究所
でレーダの検波器用としてゲルマニュウム半導体使用のダイオード（詳細は第３章）が発明された。なお，この時の半導体は，ゲルマニュウ－ 5 －ムに細い針を接触させた点接触型であり，現在実用化されている接合型トランジスタの発明は，後述のショックレー等の発明まで待つ必要があ
った。

表2－1

真空管と半導体の歴史

1884年：エジソン効果の発見TA．エジソン
1904年：2極真空管J．A一フレミング
1907年：3極真空管L．D．フォレスト

さらに1948年６月，同AT＆Tベル研究所のウオル

1946年：世界発の真空管式電子計算機（ENIAC）

ター・ブラッテン（Wolter Bratten），ジョン・バーディン（John Barden），ウイリアム・ショッ（真空管18，800本使用，所要電力120kW，重量30ton）

1951年：接合型トランジスタの発明 W．ショックレー

クレー（William Bradford Shockley）らのグルー（ベル研）

プにより半導体増幅器の研究を通してトランジス
ター（transistor）が発明された(6)。

（出典：佐藤義久，パワーエレクトロニクス入門，

1950年ごろの米国における電話システムの増丸善，平成18年６月）

幅器には真空管（３極真空管）が，また交換機にはリレーが利用され実用に供されていたもの

ジスタを小さな半導体基板上に組み込みひとつの，寿命が短くまた故障が多いことが問題となの部品として仕上げたもの）の発明を経て，半っていた。しかし，AT＆Tベル研究所において導体技術が飛躍的に発展することとなった。な発明されたトランジスターは，耐久性と信頼性

お，各種トランジスタの内容については，次章に優れていた上，真空管と同様の増幅作用を有にて説明するので，ここでは簡単に述べると，

し，また機械式リレーに代わる接点のない電子接合型は，３つの半導体構造（PNP，またはNPN式スイッチとしても利用できることが認められ，型）で，微小電流の変化で電流を制御する小電

電話の交換システムとして一挙両得の技術とし力向き，電界効果型は，２つの半導体を利用してその頃から飛躍的にトランジスタの採用・普て，外部からの（ゲート・ソース間）電圧変化

及が進んだ

(6)

。

で電流を制御する大電力向けである。

なお，ダイオード自体の名称は，1919年英国の物理学者ウイリアム・ヘンリー・エクレス

2.2

パワーエレクトロニクスの歴史(9)（William Henry Eccles）が，ギリシャ語の２

図1-1に示すパワエレの主要構成要素である（di）と，道（ode）を，組合せて作った造語

電力工学の働きの一つに電力変換技術があげらといわれる。また，トランジスターの名称は，れる。その電力変換技術の基本となる回路（整「変化する抵抗を通じての信号変換器

流回路）は1897年にドイツの物理学者であるレ（transfer of a signal though a varistor）

ーオ・グレーツによって考案された。これはグまたはtransit registor」からの造語といわれレーツ回路とも呼ばれる。1957年，ゼネラル・る(7)。真空管と半導体の歴史を表2－1に示す。

エレクトリック社によって開発されたサイリス

トランジスタはその後，接合型トランジスタ

タ（小さな電流で，大きな電流の開閉を行なわ（ バ イ ポ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ ， Bipolar

せるのに適した３端子の半導体素子。詳細第３Transistor）から電界効果型トランジスタ（フィ章参照。）の登場以後，固体の半導体素子によー ル ド エ フ ェ ク ト ト ラ ン ジ ス タ ， Field

る電力変換，電力開閉技術が発展した。1969年，

Effective Transistor）またはユニポーラトラン

ゼネラル・エレクトリックのハーバート・スト

ジスタ（Unipolar Transistor）等へ発展し，ームがIEEE（アメリカの電気電子学会）の雑誌

さらに1958年には，テキサスインスツルメント『スペクトラム』の記事で固体パワーエレクト（Texas Instrument）社のジャック・キルビー

ロニクスという用語を用いてその考えを説明し（Jack Kilby）による集積回路（複数のトランた。その後1973年，発展が予想されるパワエレ

－ 6 －

３

の特性に注目して前に述べたようにウェスティ

パワーエレクトロニクスの基礎

ングハウス社のウィリアム・ニューウェルが，パワーエレクトロニクスと電力用素子(4)(8)(10)「パワー（電気・電力・電力機器）と，エレク

3.1

トロニクス（電子・回路・半導体）と，コント(1) 半導体とはロール（制御）を融合した学際的分野」と図をパワエレの定義のところでも述べたように，用いてパワエレの説明（定義）を初めて行なっ

パワエレの構成要素としては半導体が前提となた。以後，電力用半導体素子や制御用コンピュっていることもあり，また半導体は産業のコメータの進化などによって，近年特に過去30年顕といわれるほど近代産業に不可欠の要素でもあ著な発展を示し，今や電気利用技術にとってパ

るので，ここではまず半導体について述べる。

ワエレは必要不可欠な技術となってきた。

半導体とは，一言で述べると電気の流れやすさ
において，導体と不導体（絶縁体ともいう）の中間に位置する性質を持った物質である。
図3－1に電気の流れやすさの程度を抵抗率にて示す。同図に示されるように，抵抗率が小さい
銀，銅は導体，抵抗率が（非常に）大きいゴム，
ガラス等は，不導体に位置づけられる。半導体
はその中間に位置するもので，同図に示される
ようにシリコン（Si），ゲルマニュム（Ge）があげられる。

銀・銅
アルミニウムシリコン
ゲルマニウムゴム・ガラス
雲母

導体

半導体

不導体（絶縁体）

10-6

10-3

103

106

108

1010

抵抗小

抵抗率〔Ω・m〕
抵抗大

図3－1

半導体とは

（抵抗率による物質の分類）（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，
オーム社，平成13年４月）(2) 半導体の代表物質のシリコンについて(4)シリコンは，半導体ひいてはパワエレの構成材料として過去・現在最も多く利用されており，また将来のパワエレとして期待される新材料（例，SiC）においても中心的役割を果たすものと見られている。そのように利用される理由
は，シリコンの優れた半導体としての特性の他に，世界的に豊富な賦存量があり，また比較的入手が容易であることが挙げられる。次に，シ－ 7 －リコンの半導体として利用される際の基本的構

キャリア（自由電子または正孔）が存在するこ造について述べる。

とが必要であるが，そのためには純粋なシリコ

一般に元素は，中心に１つの原子核（プラスン原子の集合体は，価電子は安定して容易に遊の電気量をもつ）とその周囲に複数存在する電

離・移動しないので，価電子数がシリコンとは子（マイナスの電気量をもつ）から構成され，異なる元素を不純物として微量加えることによ

全体として電気量は中性が保たれている。シリ

り価電子の遊離を容易にする方法が一般に採用

コンの場合は，図3－2の模型図に示すように原される。このように不純物を含む半導体を「不子核とその周囲に位置する14個の電子からなっ純物半導体」と言う。これに対し，不純物を含ている。このうち，最も外側に配列された４個

まない半導体を「真性半導体」と称している。

の電子は，他の原子との結合に関係する電子でなお，真性半導体は，常温でも熱エネルギーなあり“価電子”と呼ばれ特別の働きを行なう。

どの刺激を受けて同数の自由電子と正孔が発生

一方，この価電子は原子核との結びつきが弱く，しているが，その発生数はわずかなため電流は光，熱などの刺激により容易に離れて自由に動ほとんど流れない。

き回る（これを自由電子という）特性を持って

２）不純物半導体いる。なお，自由電子が出た後は，正の電荷を上記で述べた「不純物半導体」の製造におい持った孔（これを正孔またはホールという）がては，真性半導体に加える不純物の量は，数百生じる。この自由電子や正孔はキャリアと呼ば万分の１程度と微小であり，またその種類とし

れ，このキャリアが電界の作用で移動することては価電子の数がシリコン（価電子数４）とはにより電流が発生する。微視的には，発生した異なる数を持った元素として，価電子数３また正孔の後に近くの価電子が入り込むことにより，は価電子数５の元素が利用される。

電子の流れすなわち電気の流れが発生する。な

価電子数が５の場合のように，シリコンより

お，電子の流れの逆方向を電気の流れとしてい多い価電子数をもった不純物を混入した半導体

ることは周知のところである。

をn形半導体，価電子数が３のようにシリコンより少ない不純物を混入した半導体をp形半導
体と言う。

－

一般に，価電子数５の元素としては，アンチ

－
－
－

－

原子核

－

＋

－

－
－

－
－

価電子
－

モン（Sb）やひ素（As）が用いられ，価電子数３の元素としては，インジウム（In）やガリウ－

ム（Ga）が用いられる。
自由電子に
なりやすい

①

図3－3は，不純物として微量のアンチモンを

－

図3－2

n形半導体

シリコンに加えた場合の結晶構造である。４価シリコンの原子模型のシリコンと５価のアンチモンが結合（共有結（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

合）すると，アンチモン原子のところで価電子

オーム社，平成13年４月）が１個余り，余った電子は結合する相手がないので自由に動き回る電子（自由電子）となる。

(3) パワエレの基礎となる半導体―n形，p形半
導体(4)この形の半導体を上述したようにn型半導体という。また先に述べたキャリヤ（多数キャリヤ

１）真性半導体とも言う）はこの場合，自由電子がこれに相当

パワエレとして利用される半導体は，前述の

する。

－ 8 －

②

p形半導体

p形半導体とn形半導体を接続したもの（pn接図3－4は，不純物として微量のインジウムを合）で，その概要を図3－5に示す。それぞれのシリコンに加えた場合の結晶構造である。価電半導体には電極が設けられ，n形半導体の電極

子が４価のシリコンと３価のインジウムが共有をカソード（陰極，ギリシャ語で下りを意味す

結合すると，当然のことながらインジウム原子る“cathode”に由来），p形半導体の電極をアのところで価電子が１個不足するが，これは電ノード（陽極，ギリシャ語で上りを意味する

子の穴，すなわち正孔が生じたと考えられる。

“anode”に由来）という。このような接合体

この形の半導体を前述したようにp型半導体とにおいては，上述のp形半導体，n形半導体の特いう。また，この場合のキャリヤは正孔である。

性上，電子の流れ（電気の流れはその逆）は，両方自由に流れることにはならず，一方向のみ
しか流れない。pn接合体の場合は，電子はカソ

Si

Si

自由電子
となる

Si

ードからアノードにしか流れない。その逆の方
ｎ形半導体

Si

Sb

Si

Si

Si

Si

自由電子

向の流れはない。

正孔
多数キャリヤは
自由電子

アノード
Ａ

価電子

カソード
Ｋ

ｐ形

共有結合

ＡからＫの方向に電流は流れる
逆は流れない

構造

図3－3

n形半導体

Ｋ

Ａ

（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

図記号

図3－5

オーム社，平成13年４月）

pn接合ダイオードと記号（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

Si

Si

Si

オーム社，平成13年４月）

価電子が
１個不足
する
ｐ形半導体

Si

Si

Si
価電子

自由電子

Si

In

正孔

合部は，p形半導体からの正孔とn形半導体からの電子

多数キャリヤは正孔

Si（備考；上記の原理の概略を述べると，両半導体の接が，（拡散により）互いの領域に入り込む。入り込んだ部分においては電子と正孔が結合（中和）し，自由共有結合に動き回る電子も正孔もない（キャリアがない）領域

図3－4

p形半導体

（これを空乏層という）ができる。その空乏層は，p（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

形半導体のところでは，正孔が失われたためにマイナ

オーム社，平成13年４月）

スに荷電し，n形半導体のところでは，電子が失われたためにプラスに荷電した状態となり，その結果その(4) ダイオードとは(4)(10)空乏層には，ある一定の方向と力を持った電界が発生

さて，実際の半導体を電気製品に利用する際する。この電界により，外部からの影響がない場合は，には，半導体単体では利用されず，その組合せ

空乏層は広がりもせず狭くもならず，安定な領域を形から成る部品が基本的な構成要素（一般に電力成するが，外部から送られる電子（あるいは，その逆素子と呼ばれる）として利用される。もっともの電流）の流れの方向によって，電界が弱まる場合とおなじみのものが，半導体を２個接着したダイ

強まる場合があり，それぞれに応じて電流が流れたり

オードである。

流れなかったりする。上記にて電子はカソードからア

その場合の，２個の半導体の代表は，上述のノード（電気はその逆）にしか流れないことは，その－ 9 －ような理由によるものである。このような，性質を利

ベル物理学賞が授与された。）

用して整流が行なわれる。図3－6および図3－7に，順方向に電圧が掛かった場合と逆方向にかかった場合の，(5) 接合型トランジスタ（バイポーラトランジスタ）とは空乏層の拡大，縮小の現象を示す。）
ｐ形
＋
＋
＋

Ａ

次に，ダイオードと同様，パワエレの基礎を

ｎ形
＋

－
－

なす素子にトランジスタ（transistor）があげ

Ｋ

－

＋

られる。トランジスタは，増幅，または開閉－－（スイッチ）動作を行なわせる半導体利用部品

空乏層が狭くなる（一般に半導体素子と呼ばれる）で，電子産業
における主力素子といわれる。

図3－6

pn接合部の動き（順方向電圧の場合）

トランジスタはn形，p形半導体を三つ組み合（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

わせたものでありその方法により，n形－p形－

オーム社，平成13年４月）

n形の組み合わせ（npn形）と，p形－n形－p形

ｐ形
Ａ

＋
＋
＋

＋
＋

の組み合わせ（pnp形）がある。その際，中央

ｎ形
電界

－
－

－

の半導体をベース，両側の半導体をコレクタ，

Ｋ－

エミッタと呼ぶ。このようにトランジスタは半－導体を３つ組み合わせたもので，ベース（B），

空乏層が広がる

コレクタ（C），エミッタ（E）の３本足があるともいえる。図3－8にnpn形トランジスタの概図3－7pn接合部の動き（逆方向電圧の場合）（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

念を示す。（本原理の詳細は，次ページの備考欄参照）

オーム社，平成13年４月）
Ｃ（コレクタ）（余談；ノーベル賞を受賞した江崎玲於奈博士のエサ
キダイオードは，新型半導体の量産工程で不良品が多量発生したためその原因解明中に生じた従来常識に反Ｂ（ベース）

Ｃ

Ｃ
ｎ

Ｂ

ｐ

Ｂ
Ｂ→Ｅへ電流
は流れる

ｎ

順方向
電圧

Ｅ

In

Ｅ

Ｅ
（エミッタ）する現象を，量子力学論で解明したことによるもので(a)ある。通常の半導体では，電圧をかけると電気は流れ

図3－8

やすくなるが，博士が実験中に電圧を上げていった場（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

合，ある電圧を越えると電気が流れにくくなり（負性

オーム社，平成13年４月）

(b)

(c)

npn形トランジスタの概念

抵抗といわれる），さらにある電圧を越えるとまた電圧に応じて電流が増えていくという現象が出た。これ

このベース半導体部は他の半導体に比べ非常を単に発見にとどまらず量子力学の『不確定性原理』に薄くしてある。ベースとエミッタ間に流れるによるトンネル効果によるものと考え，海外で発表し電流の変化が，コレクタとエミッタ間流れる電たところ，トランジスタの先駆者と知られるウイリア

流を大きく変化（増幅）させる特性をもっていム・ショックレーに絶賛され，高い評価を受けたといる。すなわち，小さい信号を大きな信号に変換われる。後年この特性を用いた発振回路や増幅器は従する働きをする。

来レベルをはるかにしのぐ優れた性能を発揮すること

実際の，電子回路においては，シリコン基板が知られ，1973年，江崎氏にはその功績に対して，上に３個の半導体を埋め込んだ形をとる。なお，

Ivar Giaever氏，Brian D. Josephson氏とともにノー以上のような組合せのトランジスタが，第２章－ 10 －

の歴史の項でも述べた接合型トランジスタ（バ上述したようにベースとエミッタ間に電気が流れるとイポーラトランジスタ）に相当する。電気的に同様に，エミッタとコレクタ間にも電気が流れること

は，ベースとエミッタ間に流れる電流の変化が，を図示（図3－9(b)したものである。）

コレクタとエミッタ間に流れる電流を大きく変化（数10～数100倍に増幅）させる特性があり，（コレクタ）（コレクタ）

Ｃ

Ｃ

半導体増幅器などに利用されている。ただし，この型は，増幅率が大きいが，動作はすべて電（ベース）Ｂ（ベース）ＢＩａ

Ｅ （エミッタ）

流モード（入力電流に対して出力電流を得る）

Ｉc

Ｉc

Ｉａ

Ｅ（エミッタ）であるため，ドライバー回路を含めて全体とし
(a)

(b)

て動作時に消費する電力量が大きくなり，大電
図3－9力を扱う際には，次項でのべる電圧モード（入二つの電源を接続した場合の挙動

力電圧に対して出力電流もしくは出力電圧を得（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

る）の電界効果型デバイス（FETなど）に比べ

オーム社，平成13年４月）

ると不利である。
従来の電気の開閉装置として用いられてきた(6) 電解効果型トランジスタ（ユニポーラトラ

機械的スイッチでは開閉操作の速度および頻度

ンジスタ）に物理的制約があり，また開閉に伴う損失やス

トランジスタの種類については，上述のバイイッチの寿命も問題であったが，この操作をト

ポーラトランジスタの他に電界効果型トランジ

ランジスタで高性能で実施できるようになり，スタ（フィールドエフェクトトランジスタまた

従来型スイッチの問題解消とともに，インバーはユニポーラトランジスタ）の２種類に大別さ

タ（直流交流変換）等その適用範囲が飛躍的にれることは前に述べた。
接合型は，Ｐ型またはＮ型の半導体の中央に広がった。

他の半導体を挟んだ構造で，中央の半導体をベ（備考：トランジスタにおける電力の開閉操作の原理
例えばnpn形トランジスターの場合，図3－8に見らース，両側をエミッタあるいはコレクタと呼ぶことも既に述べた。

れるように通常の状態でコレクタ→エミッタ間に電圧

電界効果型は，２個の（同一性質の）半導体を掛けてもコレクタ→ベース間がnp結合なので，電流（ソースおよびドレンと呼ぶ）の間をこれも同は流れない。

種の半導体による狭い道（チャネル）で結び，

しかしここでベースとエミッタ間を（別のループにその外側に酸化膜の不導体と更にその表面に電して）その間に電圧をかけると状況が異なる。ベース

極（ゲートと呼ぶ）を設けた構造で，ゲートかとエミッタ間は，pn結合であるので，電気は流れる

らの電圧変化で２個の半導体間に流れる電流を（実際は，電子がエミッタからベースへ流れる）が，制御する方式である。このように電界効果型は，

エミッタからベースに入った（自由）電子は，その間上述の接合型が電流の変化で増幅作用を行わせの空乏層が薄いため，空乏層を通り抜け勢い余ってコるのに対し，電圧入力によって発生させた電界

レクタにまで入ってしまう。結果的にコレクタ→エミにより増幅作用（制御）を行わせるものである。

ッタにも電流が流れることになる。コレクタ→エミッ

さらに，接合型と比較して構造が平面的で，製タ間の電流は，ベースの電圧が大きいほど大きくなる

作や集積化が容易である。そのため，現在の集ので電流の増幅効果が得られる。この二つのループを積回路では不可欠な素子となっている。

組合せたトランジスタの概念を図3－9に示す。図3－

上述のバイポーラトランジスタが電子と正孔9(a)のように，ループ内に２つの電源を接続した場合の２種類をキャリアとして持つのに対して，電－ 11 －

界効果トランジスタは電子か正孔のいずれか１
種類だけ扱うので，バイ（２）に対してユニ（１）を意味する「ユニポーラトランジスタ」とも呼ばれる。なお，電界効果型トランジスタの中でも金属酸化膜半導体（MOS，Metal Oxide
Semiconductor）の構造をもったMOS型電界効果
型 ト ラ ン ジ ス タ （ MOSFET ， Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor） は ，論理回路の素子としてデジタル回路の多くに使用されている。図3－10にMOS型電界効果型トランジスタの概念を示す。

ドレイン

図3－11

各種デバイスの適用範囲（出典：佐藤義久，パワーエレクトロニクス入門，

ゲート

丸善，平成18年６月）

①
ソース

図3－10

サイリスタ(Thyristor，別称SCR(SiliconControlled Rectifier))は，ゲートからカソ

MOS型電界効果型トランジスタの概念

ードへ少量の電流を流すことにより，アノー（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

ドとカソード間を導通させる３端子半導体素

オーム社，平成13年４月）子である。半導体はPNPNの４重構造をしており,原理的にはPNPトランジスタとNPNトラン(7) その他（サイリスタ，IGBT他）

ジスタを組合せた複合回路と等価である。直半導体素子の種類としては以上が基本である

流送電，無効電力補償装置，電動機の速度制が，その他目的に応じ，それぞれの特徴を有す

御などに多用され，電子開閉器の代表ともいる半導体スイッチが開発され，実用に供されてわれる。

きた。たとえば，サイリスタ（Thyristor），②

GTO（Gate Turn-off Thyristor）は，構造

GTO （ Gate Turn-off Thyristor ） ， あ る い は的にはサイリスタと同様半導体のPNPN構造で，IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor）

３端子素子を基本とする。しかし素子に工夫などである。一部は既に紹介したものもあるが，を加えることにより，アノードとカソード間

全体的にそれらの詳細は本書目的の範囲を超えの導通状態の切断をゲートからカソードに少るのでここではその概要を紹介する。なお，電量の逆電流を流すことで可能としたものであ

力用として用いられるスイッチ類は，大電流，る。1970年代後半よりインバータに多用され高電圧など特別の仕様が求められることもあり，てきたが，最近はIGBTに一部代わられつつあ

電力用半導体あるいはパワーデバイスとして区る。

別されている。これらの各種デバイスの適用範③

囲の概要を図3－11に示す。

IGBT （ Insulated Gate Bipolar Transistor）は，上述MOSFETをゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタである。ユニポー－ 12 －

ラトランジスタとバイポーラトランジスタの(2) インバータとは(2)カスケード接続である。ゲート・エミッタ間

ここで，インバータの動作原理を説明する。

の電圧で駆動させることもあり，ドライバ回インバータは，先にも述べたように交流を直流

路損失が少なく全体を小型化できるため，近に変換する装置である。しかし，近年パワエレ

年産業用に幅広く使用されている。

の進展に伴い，鉄道用モータの回転数制御，太陽電池の交流連系等の交直変換器に見られるよ

なお上記は，代表的なものを個別に紹介した

うに，交流とともに直流からも，電圧，周波数が，歴史的な開発・適用の過程で見た場合，本を変換して交流を得る変換装置が必要となって格的パワエレ適用に対しては，1980年代のサイ

きており，それを可能とする装置をインバータ

リスタやGTOを経て，現在は高圧・大容化が容と呼ぶ。図3－13にインバータの原理図を示す。

易なIGBTへと移行しつつあるといわれる。さらに，今後大容量用としての開発も進み，例えばIEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）の場合，既に大型プラントで実用に供されてき
ている。
3.2

半導体素子とインバータ(2)(4)(1) 半導体スイッチの働き(2)図3－13インバータの原理図

次に，以上の基礎的な電力素子あるいは半導（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

体スイッチの，実際の応用（電子回路）の基礎

オーム社，平成13年４月）

的な働きを示す。電子回路の半導体スイッチは，包丁（半導体スイッチ）で，食材（電圧や電直流電源を，負荷に繋がる前後の４つのスイッ

流）を切り刻むのに例えられる。実際は，利用チを開閉することにより，交流に変換する（図

目的に応じて電圧，電流が切られ,その結果必の例では，方形状の交流電圧が発生）。また，

要とする波形（例えばフィルタリングした後のその切り替えの時間（図中では，１回の周期に波形として正弦波形）が得られる。

要する時間，Ｔ）を変更させることによって，その出力の例を図3－12に示す。

交流出力の周波数を変えることができる。なお，
実際のインバータ回路では，上述のトランジス
タやIGBTなどの半導体素子が用いられる。代表
的出力波形の形式としては，正弦波出力，方形
波 出 力 ， PWM （ パ ル ス 幅 変 調 ， Pulse Width
Modulation）型出力，PAM（パルス振幅変調，
Palse Amplitude Modulation）型出力，多重型
出力などがあり，前述のようにそれぞれの目的に応じてその波形が選定される。図3－14にイ

図3－12インバータの出力

ンバータの分類を示す。同図で示されるPWM方（出典：船曳繁之，電気電子システム大講座，面白い
電子制御の話その４

パワーエレクトロニ

クス，島根大学HP，2008年１月）

式や多重形出力方式は，より正弦波に近い出力（図3－12参照）を得るために，幅の異なる波形を重ね合わせる方式であるが，その分回路や制御が複雑となる。

－ 13 －

流れる電流を半減し，整流ダイオードおよびト
ランジスタの電流を抑えることで，省エネルギーを図っている。図3－16にインバータエアコ
ンのフローを示す。

温度ｔ
オン

コンプレッサ
の回転数

図3－14

オン
オフ

従来の
エアコン

オフ

ｔ

インバータの分類（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

温度ｔ

オーム社，平成13年４月）

インバータ
エアコン

最大回転 数
低速回転 数

コンプレッサの回転数ｔ(3)インバータ適用の事例
さてここで，理解を得やすくするために，最

図3－15

従来のエアコンとインバータエアコンの比較

近の省エネ型家庭用電気機器におけるインバー
タ適用例を紹介する。インバータエアコンは，（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

部屋の温度や外気温度に応じてインバータを利

オーム社，平成13年４月）

用した制御によりコンプレッサの回転数を変えて運転できるため，きめ細かな冷暖房能力，空室外機

調能力の向上と同時に消費電力の低減を図るこ

室内機とができる。従来のエアコンがコンプレッサを
熱交換器

オンオフ制御で動かすのに比べ，省エネルギー

熱交換器

や快適性の面で向上が図られている。従来のエモータ

アコンは，商用周波数で運転するため，コンプＭ

レッサの回転数が一定で，温度制御に際しては
圧縮機

コンプレッサをオンオフ制御によるため，適切

インバータ

整流回路

な温度制御が困難で，消費エネルギーも大きか

交流電源った。図3－15に，インバータ以前の従来型エ
図3－16

アコンとインバータエアコンの制御の比較を示す。同図に示されるようにインバータエアコン

インバータエアコンのフロー（出典：船曳繁之，電気電子システム大講座，面白い電では，スムーズな温度特性が得られるようにな

子制御の話

った。

ス，島根大学HP，2008年１月）

回路構成は，整流回路とインバータから成り，整流回路で単相交流電圧から変圧器を介して直流電圧（例，二百数十V）をつくり，インバー
タで数十Hzから100Hz程度の三相交流電気を発生させ，この交流電気によりモータ（一般に誘導電動機）を駆動している。このように直流電圧を高くすることで，コンプレッサのモータに－ 14 －

その４

パワーエレクトロニク

４
4.1

パワーエレクトロニクスの適用状況

太陽電池アレイ

1

太陽光発電

2

燃料電池発電3

風力発電

概要(13)(14)

インバータ

配電線

インバータ

配電線

インバータ

配電線

インバータ

配電線

燃料電池スタック

前章にて，半導体とパワエレとの関係等基礎的な話をしたが，本章では，読者が具体的なイ
メージをつかみやすいよう，パワエレが日本で

同期発電機

Ｇ
整流器

どのように使われてきているか，代表的な分野，

永久磁石発電機マイクロガス
タービン

4

業種に絞って紹介する。

Ｇ
整流器

第２章の歴史の箇処で紹介したようにパワエ
図4－2

レが世に出てから約半世紀近く経過し，現在は分散型電源システムの応用例

発電や送配電から産業用電気機器さらには家庭（出典：伊東洋三，篠原裕文，太陽光発電，燃料電池

内電気機器にいたるまで，幅広く活用されるよ発電とパワーエレクトロニクス，日本ガスタ

うになってきた。また，最近太陽光発電，風力ービン学会誌Vol.36 No.６，2006年11月）

発電，燃料電池などの分散型電源装置において以下に分散電源からはじめ，産業用，輸送用，も利用されてきている。
分散型システムおよび省エネルギーのための

家庭用における適用状況を示し，現在パワエレ

パワエレ製品群を図4－1に示す。また，分散型が如何に利用されてきているかの概要を紹介す

電源システムの応用例を図4－2に示す。

る。
4.2

分散型エネルギー（新エネルギー等への適用）

4.2.1

風力発電(13)(14)(15)

風力発電は，回転エネルギーから発電するため出力が交流電力であるが，自然エネルギーの変動がある。
風力発電は，発電機の種類から見た場合，誘導発電機を使用するシステムと同期発電機を使用するシステムの２種類がある。誘導発電機は，出力変動による電圧変動の問題があるが，構造が簡単で低コストであり広く用いられている。
同期発電機は，一旦整流器（コンバータ）によって直流に変え，さらにインバータで交流に変換（周波数変換）して系統に接続するため系統への影響が少なく，また独立運転も可能である
図4－1

分散型システム及び省エネルギーのという利点を持つが，誘導発電機に比べコスト

ためのＰＥ製品群増になる傾向がある。
従来，誘導発電は，比較的中小規模向けとい（出典：茂瀬忠男他，資源の有効活用を支援するパワーエ
レクトロニクス，東芝レビューVol.57 No.８

われていたが，近年，パワーエレクトロニクス（2002-8））の発展もあり，可変速運転が可能で，品質の高い電力として系統に連系できるようになってき－ 15 －

た。最近では比較的大形でも適用できるように中心技術がインバータである。インバータ適用なってきている。

の一例としては，ひとつの太陽電池の電圧（約

図4－3に，風力発電の系統連系の例を示す。

0.5V程度）をいくつも直列につないで，インバ

同図中，TypeA，TypeBは，ACリンク方式と称ータ（電圧形PWMインバータ）の回路によってして，発電機交流出力を変圧器（トランス）の必要電気（例，AC100V）を安定して作り出してみを介して直接系統に接続する方式であり，いるシステムである。同システムの概念を図4

TypeC，TypeDは，DCリンク方式と称し発電機の－4に示す。

交流出力をコンバータにより一旦直流に変換し，さらにインバータにより系統と同じ周波数の

太陽

電力会社

交流に変換する電力変換装置を用いる方式で電力量計あり，最近の大形風力発電の主流となってい売用るものである (14)。

開閉器

インバータ
装 置

発 生
電力量計

買
用

開閉器

分電盤

ＡＣ100Ｖ

図4－4

住宅用太陽光発電システム（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，
オーム社，平成13年４月）

4.2.3

燃料電池(13)

現在わが国で開発中あるいは実用化済の燃料電池には，りん酸形，固体高分子形，固体酸化物形，あるいは溶融炭酸塩形などがあるが，家庭用あるいは自動車用として期待され，現在実証段階にある技術である固体高分子型燃料電池を対象として述べる。
家庭用燃料電池は，電池本体，燃料処理系，インバータ，制御装置，熱交換器等を収納した発電ユニット，および主に貯湯槽が中心となる
排熱利用ユニットから構成される。出力規模設定の考え方は，家庭で消費する熱需要の100％
図4－3

風力発電システムの系統連系の構成例（出典：NEDO風力発電導入ガイドブック，2008年２月）をまかなうようにし，発電は同機器特性上から得られる出力を最大とするが，その出力規模はおよそ１kW程度である。その結果，同発電によ

4.2.2

太陽光発電システム(4)(16)

り家庭の電力需要の50～60％はカバーするが，太陽電池の出力は直流電力であり，利用側は

不足分は電力系統より購入する。

交流電力として，住宅などの設置側負荷として家庭用燃料電池用インバータは，発電が直流利用され，発生電力を電力系統へ供給する。こであるので太陽光用インバータと同じであるが，のための直交変換装置がパワエレであり，その燃料電池の場合負荷急変時の問題発生をさける－ 16 －

目的からインバータ特性に工夫が凝らされていされた。ガスエンジンには，下水汚泥処理場かること等が挙げられる。

らの消化ガスが利用された。2007年11月（３日家庭用燃料電池システムのシステム構成を，
図4－5に示す。

～10日）に実施した商用電力からの独立試験で，再生可能エネルギーによる電力のみで，グリッド内施設が必要とする量と質を確保した電力供

燃料電池ユニット
ＡＣ100Ｖ/200Ｖ
単相三線
700Ｗ

給が可能であることが実証された。その際の制

インバータ御システムの核としてパワエレが利用された。

排気
カソード

給湯

制御装置

図4－6に同システムの概要を示す。

アノード
燃料電池本体

空気

原燃料

改質器、
ＣＯ変成器、
ＣＯ除去器、蒸気発生器、
熱交 etc.

複
合
熱
交
換
器

温水

貯
湯
槽

ＦＰＳ（燃料処理系）

都市ガス
ＬＰＧ

補給水

図4－5

排熱利用ユニット

家庭用燃料電池のシステム構成（出典：伊東洋三，篠原裕文，太陽光発電，燃料電池
発電とパワーエレクトロニクス，日本ガスタービン学会誌Vol.36 No.６，2006年11月）

4.2.4

マイクログリッドシステム(13)(17)

分散電源を地域において最大限に利用する方

図4－6法として，分散電源のみにより独立した電源構（出典：NEDO

八戸マイクログリッドシステム
新エネルギー・省エネルギー技術分野技術成を行なうマイクログリッドシステムが挙げら

解説（良くわかる技術解説）マイクログリッドとれる。近年，その将来性と重要性にかんがみ，は）NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）
プロジェクトとして，国内の数箇所（京都，青愛知万博における研究は，同万博開催期間中

森，愛知）において実用化研究が行われてきた。

（2005年３月25日～９月25日），実際の電力供その一例として，青森八戸と愛知万博におけ給用として利用されながら研究が行なわれた。

るマイクログリッド実証研究の概要を紹介する。

同開催期間中は，電力系統と（一点で）連系し八戸のマイクグリット研究は，NEDOの委託をていたが，同会期終了後に系統から切り離した受けて，八戸市，三菱総合研究所，三菱電機の自立運転が実証試験として行なわれた。実証試

３事業者が，2003年から2007年までの５年間実験は，NEDOの委託を受けた９事業者（中部電力

証試験を行なったものである。施設の概要は太(株)，トヨタ自動車(株)，(株)NTTファシリテ

陽光，風力等の再生可能エネルギーと下水処理

ィーズ，日本ガイシ(株)，三菱重工業(株)，京場から発生するバイオガスによる発電によってセラ(株)，日本環境技研(株)，愛知県，得た電力を，八戸市庁舎や市内の小中学校に供(株)2005年日本国際博覧会協会）が，共同にて給するもので，各施設（需要先）と各分散電源行なった。独立運転時のマイクログリッド内電を自営線で結び，電力会社の系統と一点で連系

源は，各種燃料電池とNaS電池および太陽電池

した半独立系統とした。分散型電源は，太陽光による発電が電源となり，系統内はインバータ（合計80kW），風力発電（合計20kW），ガスエ

でお互いに連系した。同電源の種類は，りん酸

ンジン（170kW×３台），鉛蓄電池（100kW）お形燃料電池（PAFC，負荷追随用），溶融炭酸塩

よび木質バイオマスボイラ（１ｔ／時）が採用

形燃料電池（MCFC），固体酸化物形燃料電池－ 17 －

（SOFC），太陽光発電装置（PV），NaS電池で

停電検出回路，および充電回路からなる。通常ある。自立運転検証試験は，2005年９月30日かの運転時には，系統電源（交流）から整流回路

ら20日間にわたり実施され，インバータと分散で直流電力を作り，これをインバータで再び交型発電設備だけによる自立運転に成功したこと

流電力に変換し，所定の交流出力を得ている。

が報告されている(13)。図4－7に同システムの構成例とりん酸形燃料電池の概観を示す。

その間，蓄電池は充電回路によって充電状態が維持される。停電が発生した場合は，停電検出回路による検出を経て整流器に代わって蓄電池

マイクログリッド
受電点からの電気（直流）がインバータを介して交流6.6kVに変換され供給される仕組みとなっている。系

日本政府館

INV

INV

INV

INV

MCFC

NAS

PV

SOFC

統電源が復旧した場合は，インバータには通常通り整流回路から電気が流れ，検出回路はオフ

その他負荷となり，同時に充電回路から蓄電池への充電が行なわれる。

440V
サイトコントローラ
INV

INV

INV

INV

PAFC
1

PAFC
2

PAFC
3

PAFC
4

このように，UPSによる出力は，寸断されることなく，また波形の乱れがない交流電力が得られるようになっている。図4－8に無停電電源
装置の構成例を示す。

図4－7

マイクログリッドシステム構成例とＰＡＦＣの概観写真（出典：伊東洋三，篠原裕文，太陽光発電，燃料電池

交流入力

整流回路

発電とパワーエレクトロニクス，日本ガスタービン学会誌Vol.36 No.６，2006年11月）

直流
フィルタ

インバータ

交流出力
交流
フィルタ

停電時
直流電力を供給

停電検出回路半導体スイッチ

4.3
4.3.1

充電回路

電力供給用および産業用

蓄電池
通常,充電

電力供給用

(1) 無停電電源システム(4)(12)

図4－8

無停電電源装置の構成例

無停電電源システム（UPS：Uninterruptib1e（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

Power Supply）は，短時間でも停電が許されな

オーム社，平成13年４月）

いシステムや装置に対して，停電時に系統電源に代わって電力を供給するシステムである。現(2) 二次電池による電力貯蔵(電池電力貯蔵)(14)

在金融関係，データセンター等の情報処理分野

ピーク電力の軽減を図る意味で現在研究が進から，半導体製造用電源など産業分野，さらにめられている技術に電力貯蔵用の二次電池があ

医療分野などで広く利用されている。なお，

る。この目的には，UPSの場合よりも大きな電UPSが必要とされる広い意味での電源障害とし力貯蔵が必要とされるため，大容量電力貯蔵がては，瞬時停電，瞬時電圧低下，電圧変動など可能な新方式の二次電池（ナトリウム硫黄があるが，ここでは代表的なものとして瞬時停（NaS）電池，レドックスフロー電池など）が電の場合を述べる。更にその場合のUPSとして研究されている。二次電池では直流で電力が蓄も「常時インバータ給電方式」，「常時商用電えられるので，直流電力と交流電力との変換が源方式」などがあるが，以下前者方式を一例と必要であり，ここにパワエレ（この場合パワーして述べる。UPSの構成は，一般に整流回路，

コンディショナとも呼ばれる）が利用される。

－ 18 －

具体的には，このような二次電池を使って事業ており，その場合も交流電力を直流電力に変換

所・工場の受電電力の需給調整などが容易に行して送電する方式が採用されている。

なえるようになった。夜間は充電を行い，蓄積した電力で昼間の負荷運転に対応することによ

4.3.2

用例(14)

り受電電力の平準化を図るとともに，システムダウンへも対応するUPSの役割を果たす構成を

産業用・工場用機器へのパワエレの適(1) ファン，ポンプ類への適用(14)(26)(28)
ファン，ポンプなどで負荷を変える場合は，可能とした。図4－9に電池電力貯蔵システムの以前は一定速度で駆動しながらダンパや絞り弁概念を示す。

などで抵抗を与えることにより流量調節を行なっていたが，可変速で運転することにより，大幅な省エネルギーが達成できるため，可変速運
転が普及してきた。可変速にすることによりファン，ポンプの流量をリニアに変更でき，また駆動モータの動力が回転速度の３乗に比例する
ため消費電力の低減が図れるためである。その，可変速運転を可能とする技術が，インバータ等のパワエレの採用によるモータ回転速度の制御である。それに対応してインバータの改良も進
図4－9

み，小は汎用インバータに代表される低圧の省電池電力貯蔵システム（出典：茂瀬忠男他，資源の有効活用を支援するパワ

エネルギー用小容量インバータから大は数百kW

ーエレクトロニクス，東芝レビューVol.57以上の高圧大容量インバータにおいて，高性能

No.８（2002-8））

多機能化，信頼性向上，および低価格化の追求が続けられている。大型火力発電所（600MW）(3) 周波数変換設備(4)(14)における押し込み通風機（5,500kW×２台）に日本の電力周波数は，過去の経緯から東日本

インバータ適用化改造の結果，所要動力の20％は50Hz，西日本は60Hzとなっている。しかし，以上の節減が見込めるとの報告もある (26) 。以

今日両地域を越えて電力を融通しあう必要が従上は，ファンの事例であるが，ポンプの場合も来よりも増加してきている。その場合，周波数

同様省エネ効果が大きいことから可変速化が行が異なるため周波数変換設備を介することが必

われてきている。例えば，産業用プラントのポ要となる。既存技術としては，サイリスタ変換

ンプはもちろん，上下水道プラントのポンプへ器による周波数変換設備により，電力用で100も適用されてきている。なお，それに対応して

万kW（佐久間周波数変換所30万kW，新信濃変電

可変速モータのように電動機自体も高性能化を

所60万kW，東清水変電所10万kW）の変換が行な目指した改良・改善が図られてきている。図4

われている。

－10に，ポンプにおけるインバータを利用した

なお，佐久間周波数変換所の周波数変換素子には，当初は水銀整流器が使われていたが，現回転数コントロールとバルブを利用した回転数一定制御における軸動力の比較を示す。

在は新しい変換素子（例，光トリガサイリス
タ）が使われている。
また，周波数変換ではないが，現在北海道―
本州間の長距離送電には，直流送電が採用され－ 19 －

4.4
4.4.1

輸送用
自動車用(18)(19)(20)

近年の自動車は，ハイブリッド自動車や電気自動車に限らず，パワエレの役割が重要となってきている。電動パワーステアリング，パワー
ウインドウ，エンジンの電子制御，車内の空調制御など，電動化・電子制御化が進んでいる。
これら電気・電子関係部品（電装品）費用が，車の全体（原価）に占める割合はガソリン車で15％，ハイブリッド車では47％にも達するとす
る報告もある (18) 。また，ハイブリッド車の場
合の３大コア部品としては，電池，モータとともにインバータが挙げられるほど重要視されている。パワエレ技術が必要な代表的な車両搭載
電動装置の一覧を図4－11に示す。電動パワー
ステアリング（出力数kW），電動４輪駆動，あるいは電動パワートレイン（出力数十kW）など，搭載装置の電動化，高出力化が進んでいる様子
図4－10

ポンプの消費電力比較がうかがえる。当然のことながら，自動車分野（出典：竹谷是幸，インバータと高調波(1)，空気調和・のパワエレに対する要求は，小型・高効率化，高い信頼性，低コスト化，リサイクル性に優れ

衛生工学，第74巻，2000年11月）

ることなども必要である。一方，電化の割合が(2) 産業用インバータの開発動向(14)増えるとともに従来の電源電圧（14V系）では

産業用インバータ自体，特に大容量向限界に近づいてきているといわれる。このため（200kW～5,000kW級）としての改善も図られてきている。大容量向けインバータでは，高調波の少ない高圧出力インバータの開発（例，直列
多重マルチレベルインバータ方式）が進められ実用に供されてきた。さらに，性能のみでなく低価格化，工期短縮や設置スペース削減も配慮
して，変圧器，変換装置部，制御装置部を含めた総合的特徴をセールスポイントとしているメーカもある。それと同時にインバータ装置単体の信頼性確保はもとより，商用電源への自動切換えバックアップのスピードアップ，瞬時停電や瞬時電圧降下時の運転継続性能の向上，およ
図4－11びシステム全体の信頼性確保が求められることは言うまでもないことである。

車両搭載電動装置（出典：岸本圭司，牧野正寛，エネルギー分野における最新 の パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス 技 術 ， SANYOTECHNICALREVIEW Vol.36 No.２）－ 20 －

将来のエアコンやアイドリングストップシステ化してきているが，パワエレは，これらの要求

ムなど更なる所要電力の増加傾向を考慮してに応えるカギを握る技術といえる。

42V化の採用が検討されている。当然，42V化により，電装部品の新規開発が必要となる。

家庭用電気機器の省エネルギー性能，快適性向上などの実現に必要な，パワエレ技術の働き

パワエレ技術の開発課題としては，低損失・に注目して整理した場合，次の通り分類する考高信頼性の半導体の開発，電池のエネルギー消えが提案されており (18) ，家電用パワエレの応費最小化を達成するバッテリーの制御技術の開用分野を判りやすく説明しているといえよう。

発，低速から高速まで幅広い領域で高効率走行①

制御技術（電力変換・制御技術）を可能とする小型・高効率の新型モータおよび②モータ制御技術の開発などがあげられる。

高出力・高効率の電力変換回路技術とその小型・高効率のモータ設計・製造技術と高度モータ制御技術（モータ設計・制御技術）

4.4.2

鉄道用

(5)(6)③

かつて電車はほとんど直流モータ駆動だった。

バッテリーの高精度状態監視・保護技術や最適充電制御技術（バッテリーマネジメント

パンタグラフから電気をとり，レールを通して技術）

その電気を大地へ戻しているので直流が扱いや

以下，各用途に応じてパワエレの応用状況をすく，また直流モータは始動トルクが大きいの紹介する。

で，満員電車などの重量物を比較的容易に動かすことが可能であった。しかし，抵抗器による

4.5.2

手動切替時の振動発生等快適性と省エネルギー(1) 概要

調理用

性の面で問題を抱えていた。そこで登場したの

電気利用技術の厨房機器分野への進出は顕著

が，インバータと誘導モータによる交流駆動方である。その背景には，従来の直接火を使って式である。パンタグラフから交流の電気を受電

加熱する方法に比べ，電磁気の働きで誘導加熱

し，整流して直流に変換後，インバータで希望する調理器（IH調理器），あるいはマイクロ波

する周波数への制御がし易い交流に戻す。この技術の働きで加熱する電子レンジなどが，機能交流の周波数制御により誘導モータを作動させ，面はもとより安全面および経済性面において一

なめらかなスピードコントロールを行っている。

般家庭に受け入れられるレベルに発達したこと

最近の新幹線では，この方式が採用されている。

が挙げられる。これらの改善を可能としたのがこのように，インバータと誘導モータを使ったインバータを中心としたパワエレの採用である。

交流可変速駆動方式が，新幹線や多くの私鉄の

以下，主要厨房機器ごとの概要を示す。

新型車両で採用されて来ている。
(2) 誘導加熱調理器（IH調理器）(21)
4.5
4.5.1

誘導加熱（IH, Induction Heating）は，高

家庭用
概要

(18)

周波誘導加熱あるいは電磁誘導加熱とも呼ばれパワエレの家庭用としての適用は，1980年代

る。導線（一般にコイル状）に交流電流を流すのエアコンへの適用を発端として，周波数の利と，その周りに方向と強度の変化する磁力線が用範囲を拡大し，各種家電・民生機器に利用さ発生するが，この変化する磁力線の影響を受けれてきた。これには，パワエレの進歩とその活て，近くにおいた物質（通常は金属，この場合用が大きく貢献している。さらに冒頭にも述べ鍋）の中に渦電流が流れる。金属には通常電気たように省エネルギー性能向上，あるいは低騒抵抗があるため，金属に電流が流れると電力

音化など，家電製品に対するユーザニーズが変（＝電流 2 ×抵抗）による熱（ジュール熱）が－ 21 －

発生して金属が加熱される。この現象を誘導加らに多層ステンレス鍋も加熱可能なインバータ

熱という。

が開発され，適用鍋の範囲が拡大した。その背電力としては，20～50kHzの高周波が用いら

景には，加熱周波数を増大させ（例，従来のれ，そのために家庭用の周波数（50～60Hz）か

20kHzから60kHzへ），表皮効果（うず電流は被ら高周波への変換あるいは制御にパワエレが用

加熱物の表面に近いほど強く，被加熱物の表面いられる。図4－12にその原理を示す。初期のから加熱される現象）を利用して電気抵抗を増技術（1970年初期から1980年ごろのインバー加させて，所定の加熱出力を得ることが可能とタ）は，簡素な回路構成であったが，装置の形なったことが挙げられる。

状・重量・コストとも家庭用としては十分ではなく，効率も65％程度と低かった。その後，パ(3) 電子レンジ（マイクロ波加熱）(21)

ワエレ特に半導体素子（デバイス）の開発が進電子レンジは電磁波の持つエネルギー（マイみ，電流駆動型から電圧駆動型のパワー半導体

クロ波，例2.45GHz）で食品などを直接加熱調デバイス（例，IGBT）への移行が進み，1990年

理する調理器具である。原理としては，マイク代には低損失で制御性の良い小型，低コスト型

ロ波が照射されると，水分子が振動エネルギー

IHクッキングが完成した。またこの小型，低コを吸収して振動を始め，蒸発する。ガスレンジ

スト化によって他の電力応用機器（例えば，IHなどの加熱と異なり，熱伝導や対流の影響がほジャー炊飯器）へ応用が図られた。以上により，

とんどなく，特定の物質（特に水分）を選択的

現在では初期のものに比して装置の形状・重かつ急速・均一に加熱できる特徴がある。水は量・コストは大幅に低減し，効率も90％に達し2.45GHzのマイクロ波をよく吸収するため，マた。一方，加熱可能な鍋は，上述の原理で述べ

イクロ波加熱は水分を多く含む材料の加熱に特たように熱の発生が容易な電気抵抗が大きいもに有効である。電磁波の発生源としては，開発のが適切であり，1970年代の実用化当時は，利当初は，マグネトロンという真空管の一種が使用可能な鍋材質は鉄および磁性ステンレスのみわれている。利用する電磁波は，１例として家で，銅やアルミニュウムは加熱不可であった。

庭用では周波数2.45GHzのマイクロ波が用いら

しかし，2000年ごろになりアルミ鍋，銅鍋，された。従来このマグネトロン駆動には当時実用されていた変圧器を用いてきたが，大型かつ重いということおよび加熱出力の調整が困難な点であった。その欠点を補うものとして1980年代
末にインバータ電子レンジが商品化された。インバータ電子レンジは，50Hzあるいは60Hzの商用周波電力をパワエレによって数十kHzの高周波電力に変換し，高周波トランスによって約４kVに昇圧してマグネトロンを駆動した。これにより，従来方式に比べてサイズで1/3以下に，重量で1/10以下に低減でき，また，出力可変を容易に行うことができるため，消費電力も低減

図4－12

誘導加熱の原理した。図4－13にインバータ電子レンジの構成（出典：奥出隆昭，大森英樹，家電分野でのパワーエ

例を示す。

レク ト ロニ ク スの 技術 開 発 と利 用， 電気評論，2007年６月）－ 22 －

消費電力量の推移 ※冷暖房兼用･壁掛け型･冷房能力 2.8kw クラス･省エネ型代表機種の単純平均値
1080 期間合計 1492

412

1995年度347

1996年度
1997年度

312

1998年度

300

1999年度279

2000年度

262

955 期間合計 1302
889 期間合計 1201

冷房時消費電力量

859 期間合計 1159
790 期間合計 1068

暖房時消費電力量

755 期間合計 1017

2003年度

242

721 期間合計 963

日本冷凍空調工業会規格
ＪＲＡ4046(ルームエアコンディショナの
期間消費電力量算出基準)による。

2004年度237

708 期間合計 945

出所：(社)日本冷凍空調工業会

2005年度227

692 期間合計 919

2006年度

217

2001年度

252

2002年度241

738 期間合計 990
706 期間合計 947

665 期間合計 882

0

500

1000

1500(kWh)

消費電力量

図4－14
図4－13

インバータ電子レンジの構成例

エアコンの性能向上の推移（出典：省エネルギーセンターホームページ）（出典：奥出隆昭，大森英樹，家電分野でのパワーエ
レクトロニクスの技術開発と利用，電気評論，(2) 洗濯機
かつて昭和50年ごろ喧伝された３種の神器

2007年６月）（白黒テレビ，洗濯機，冷蔵庫）の一つで，今4.5.3

エアコン，洗濯機等動力用(21)(29)や国内普及率はほぼ100％になり，一般的に成(1) エアコン

熟商品といわれる。しかし，近年自動洗濯を目

ここで対象とするエアコンは，ヒートポンプ
を原理とするヒートポンプ方式とする。

的とした単一機能から，省エネルギー・節水などの環境意識の高まりや利便性の追求を反映し，その意味でのエアコンは1960年代に開発され消費電力・使用水低減の改善，乾燥機能の一体たが，当時は暖房能力が低く，冷房専用タイプ

化，あるいはより低騒音・振動の達成に向けたが主流であった。1980年代初期に圧縮機の回転技術開発が行われてきており，パワエレはその数を制御するいわゆるインバータ制御技術の採重要な要素技術となっている。

用で，大幅な能力制御と省エネルギー化が可能

例えば，洗濯と脱水時の制御方法に関しては，となった。それと同時に，冷暖房タイプが主流

初期の誘導電動機のON／OFF制御と遊星歯車減となり普及が進んだ。その後，インバータ技術

速機構を介しての回転力伝達から，1990年代後の向上に伴い，冷暖房能力および省エネルギー

半からは直流電動機とインバータを使って減速性能が向上し，同時に小型化も進んだ。さらに機構を廃止するとともに消費電力の大幅低減が低騒音化も図られた。また1999年の省エネルギ図られた。さらに，2000年代に入りドラム式洗ー法の改正を受け，エアコンにトップランナー

濯乾燥機器が登場してきたが，その機構上の特方式が導入され，更なる省エネルギー性能向上

徴は，洗濯工程（低速回転で負荷変動が大きくにしのぎがけずられている。これらの技術開発

高トルク）と，脱水工程（高速回転で低トルのカギを握るのが，圧縮機およびモータの性能

ク）の運転要求をドラム型洗濯機で両立させる

向上とともに大きな位置を占めるパワエレであとともに，乾燥機能が要求される場合には，ヒる。

ートポンプを利用する洗濯乾燥を可能とした。

図4－14にエアコンの性能向上（省エネルギ

その結果，従来に比べ約1/2の電力で約２倍のー性能向上）の推移を示す。1995年と2006年時

加熱能力を得ることができた。以上を可能とし点におけるエアコンの性能を比較すると，冷た背景に，パワエレの発達と応用が挙げられる。

房・暖房合わせた消費電力が，約４割も低減し，

図4－15にドラム型洗濯乾燥機の構成例を示

性能改善がはかられてきた。

す。
－ 23 －

トで首・手・足などを動作させるためのアクチ
ュエータ（電気信号によって制御される駆動装置）が重要な構成要素技術として挙げられる。
同技術はCPU（Central Processing Unit，中央演算処理装置）やシステムLSIの指令により動く。その際基本動作と応用動作とがある。基本
動作は予め想定されプログラム化されているが，応用動作は，センサを介しての外部のデータの認識，判断操作（フィードバック制御）にて状
図4－15

ドラム型洗濯乾燥機の構成例

況に応じた対応が可能なよう導かれる。なおそ（出典：奥出隆昭，大森英樹，家電分野でのパワーエの際外部データの認識は，一般にアナログ信号

レクトロニクスの技術開発と利用，電気評論，であり，それをデジタル信号に変換する変換機

2007年６月）（ADコンバータ）などが必要となる。このADコ
ンバータからのデジタル信号が，CPUにフィー

4.6

ロボット(22)

ドバックされて次の行動の判断データとなる。

(1) 産業用ロボット

したがって，人型ロボットにおいては高性能セ

自動車製造ラインなど産業分野で活躍する，

ンサで取得した認識データをほとんど瞬時に判組み立て，溶接，塗装などを行う産業用ロボッ

断するため，超高速CPUとそれを支援するソフ

トは，最近では人間に代わって大活躍し，量おトウエアが必要となる。

よび質の面から製造能力の向上に欠かせないものとなってきている。これらのロボットは，機械工学および制御工学が基礎となっているが，それを動かす頭脳に相当する中枢技術が半導体技術とシステムLSIである。すなわち，産業用ロボットはパワエレの集約といっても過言ではない。
(2) 人間型ロボット
近年，日本では鉄腕アトムに刺激を受け，人類の夢の実現へ向けて，人間型ロボットが開発されるようになった。現在代表的な２足歩行型にはホンダのASIMO，ソニーのQRIOなどがある。
図4－16

ロボット本体に電源を組み込み自立走行が可能
で，さらに音声認識，画像認識技術によって，２足走行ロボットASIMO（提供：HONDA）

人との対話や個人識別も可能となりつつあり，
外見上もだいぶ人型に近づいている。これらは，さらなる課題としては，制御技術の高度化，

エンターテイメント用から実用化に向けて大き

省電力・軽量小型な高効率モーター技術等が挙く進化してきている。

げられる。それらの全ての共通技術となるのが，人間型ロボットは，２足歩行を可能としたも高性能パワエレの開発といえる。まだ，これらので，そのために従来困難視されていたロボッの課題を十分満足したものは開発されていない。

－ 24 －

図4－16に，２足走行ロボットASIMOの走行中の力（トルク）は，回転数と反比例するので，昔写真を示す。

の電車の起動時などに見られるように，ハンドル（抵抗）を使って低い回転数として大きな力

4.7
4.7.1

共通事項（モータについて）を出していた。かつては，そのように電車のハ(4)

ンドル操作に見られるように抵抗を変化させて直流モータ(1) 原理と種類いたが，最近では，サイリスタによる位相制御

まずモータには，直流モータと交流モータがの変更を利用する方法（サイリスタレオード制
御*１）とチョッパを利用する方法（チョッパ制ある。
直流モータは，小さいものは電池を使った実

御*２）の２方法がある。ここでもパワエレが活

験用モータから，大きいものは，路面電車，さ用されているわけである。

らには最近の新幹線駆動用としても利用されて（＊１；交流電源からサイリスタを用いて直流可変電いるお馴染みのモータである。直流モータは，圧を得る方法）図4－17のように，磁界中におかれた導体に電（＊２；直流電源を切り刻んで，モータに流れる平均流が流れるとフレミングの左手の法則で決まる電圧を制御する方法。なお，切り刻むことに力が働き，回転力が得られることを利用したもより，電圧の大きさを変更できるのは，切りのである。したがって，直流モータは，電気子刻む際に電流の開（最も電圧大）又は閉（電（回転子）と磁界（または界磁）の存在が不可

圧ゼロ）作動の時間間隔を調整することで，欠である。その種類は，電気子と界磁の位置関平均の電圧が変化する特性を利用したもので係によって，分巻界磁形と直巻界磁形に分けらある。）

れる。それぞれを簡単に説明すると分巻界磁形は，電気子と界磁の電流が分かれる（並行して直流モータの応用は，前にも述べたようにか流れる）もの，直巻界磁形は，電気子と界磁のつては電車あるいは新幹線などの大形電気車両

電流が直列して流れるものといえる。

で広く用いられたが，近年は新幹線では交流モータ（特に誘導モータ）にとって代られつつある。しかし最近の電車では以前の様なハンドル

電気子（回転子）力

操作によって抵抗を変える機械式変速機は影を潜めているものの，それに代ってチョッパ制御を利用して，速度調整をよりスムーズに，また
導体

力

電流の向き

ブレーキを動力に変える回生方式を組み込むな
どのパワエレを使った新しい直流モータが利用

図4－17

直流モータの原理

される場合もある。それ以外でも直流モータの（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，
オーム社，平成13年４月）(2) 直流モータの制御特性を用いて，広く利用されている場合がある。
図4－18に，同方式による制御の例を示す。
4.7.2

直流モータの特性として，回転速度は電気子

交流モータ(4)(1) 原理と種類の電圧に比例し，界磁の磁束にほぼ反比例する

交流モータは，交流の電気の流れの変化に応特性を持つ。また界磁磁束は界磁の電流に比例

じて変化する磁界の変化を力（回転力）にかえするので，電気子電圧と界磁電流を制御するこるものである。その種類は大別すると，同期モとにより広範囲の速度制御が可能となる。一方，ータと誘導モータの２種類がある。

－ 25 －

フリーホイリングダイオード

回転磁界

ノイズフィルタ

ns

Ｆ

Ｍ
ＤＣ

回 転磁界より 少し
遅い 速度で回転

ns

N

ns

ＧＴＯ

電動機
として働く

回転磁界

回 転磁界 と同じ
速 度で回 転平滑リアクトル

ns ＝

12 0f

P

n

n ＝ ns ( 1－ s )

トリガ回路

S

（ａ） 運転時
平均レベル（ａ）同期電動機
ノイズフィルタ

図4－19

平均レベル

Ｍ
ＤＣ

（ｂ）誘導電動機

交流モータの種類（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，
ＧＴＯ

発電機
として働く

オーム社，平成13年４月）

トリガ回路（ｂ） 回生制動時

図4－18

電車のチョッパ制御の例（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，
オーム社，平成13年４月）

１）同期モータは回転子が磁石で作られ，その回り（界磁）に相対する数組の電磁石から構成される界磁を設けたものであるが（例えば，

図4－20交流モータの原理図

３つのコイルを互いに120度ずらした配置），（出典：粉川昌己，パワーエレクトロニクス，

それに３相交流を流すと順次位相を変えて，

オーム社，平成13年４月）

界磁中の磁界が回転する形となり，これに応じて回転子も回転する原理となっている。図

流を発生させることが起点となって，電磁力4－19（a）はその原理を示したものである。

の形成までのステップが必要であり，回転磁

従って，回転子の回転速度は回転磁界と同じ界の速度より若干遅い速度で廻る。これをす（すべりはない）となる。

べりという。

２）誘導モータは，アルミニウム等の円板の周囲を円板をはさんで磁石を設置したもので，(2) 交流モータの制御

その磁石を回転させると円板も同方向に廻り

交流モータの制御は，したがって回転磁界の出す特性を利用したものである（図4-19(b)回る速さの制御，すなわち周波数を変えること参照）。なお，実際は，円磁石を回転させるで達成される。ただし，特性上磁束を一定に保ことは困難なので，回転させる代わりに同期つ必要があり，そのためには電圧／周波数の比モータと同様円周に配置したコイルに３相交を一定にする制御が行なわれる。このため通常流を流し磁界を回転させることによって，同の３相交流電源をいったん直流に変え（整流），様の効果を持たせる。なお，磁石でない円板

インバータにより必要とされる周波数と電圧をが何故動くかということを図4－20によってもった交流電源へ変換の上使用される。

説明すると，磁石を矢印の方向に廻すと円板上に渦電流が発生し（フレミングの右手の法

この様に整流回路とインバータによる自在の誘導制御が可能となる。

則），その発生した渦電流と回転磁界の間になお，誘導電動機は，構造が簡単で堅牢であ

電磁力が発生し（フレミングの左手の法則），

りコスト面でも同期式に比べ有利であるというその結果磁石と同じ向きに回る。この様に誘特徴がある。一方では，本来精度高い制御が困

導モータは，回転磁界によって回転子に渦電難という課題があり以前はそのような欠点を持－ 26 －

５

ったままでも利用可能な場合に適用されていた

パワーエレクトロニクスと材料が，近年はパワエレの進歩とともに精度良い制御も可能となり，例えば新形新幹線の駆動モー

5.1

既に何回と出てきたが，インバータをはじめ

タなど，大形で精度を要する場所でも広く利用されるようになってきた。

概要(1)とする各種パワエレの一層の高性能化が求められている。それらの鍵を握るパワーデバイス（電力用半導体素子）は，現在はシリコン（Si）素子が中心であるが，その性能（例えば，低損失化と高速化）は材料物性の限界からは飽和の傾向にあるといわれる。その限界を乗り越える性能を持った半導体として，炭化珪素（シリコンカーバイド，SiC）や窒化物（ガリウムナイトライド，GaN）およびダイヤモンドなどの半導体が期待されている。それらの候補に関しては，材料面の研究から，装置としての研究開発へと進み，最近ではパワエレの応用技術の段階に進んできたといわれる。
このような状況を踏まえ本章では，まず現在のシリコン（Si）と新材料の比較から紹介し，続いて新型デバイスの適用範囲と開発状況を紹
介する。
5.2

材料特性の相違(1)(27)

シリコン材料（Si）と新材料（SiC，GaN）の物性値を比較して表5－1に示す。なお，ダイヤ
モンドの場合，バンドギャップで5.5eVと高い値を示し，優れた適用可能性があることも指摘されている。
表5－1

シリコンカーバイドの材料特性（出典：荒井和雄他，新規半導体（SiC，GaN）のパワーエレクトロニクスの展開，季報エネルギー
総合工学，Vol.29 No.３，2006年10月）

新材料としてSiCを取り上げてSiとの比較を示すと，絶縁破壊電界は約10倍，バンドギャッ－ 27 －

プは約３倍，熱伝導度が約３倍の優れた物性値

る場合の原因のひとつとして，電流集中によるを持つ。これを，パワーデバイスとして利用で

局所発熱・融解が考えられるが，SiCは，融解

きれば，小型化とともに電力変換時の熱損失を温度が2,000℃以上と高く，熱伝導度も高く熱Siの場合より約1/100に低減できる。さらに，拡散が早いので破壊に対して強く，変換器としSiでは150℃程度とされる動作の上限温度をSiCて堅牢で信頼性が高くなると見込まれている。

では400～500℃まで上げることができる，ある

従来型材料（Si）に代り新材料（SiC）を使っ

いは周波数限界が緩和され可聴周波数騒音のなた場合の予想適用範囲を図5－2に示す。

い高周波動作が可能となるなどの利点が指摘されている。一例として，SiとSiCの材料それぞれで，3.3kV耐圧の金属酸化膜半導体（Metal
Oxide Semiconductor：MOS）デバイスを作ると，
図5－1に示すようにSiCでは通電時に発生するオン電圧（コイルに加える電圧を徐々に上げたとき，接点が動作する電圧。小さい程電力損失が小さい）が現在型（Si）の約200分の１となる低損失デバイスが得られるとの報告もある(1)。
図5－2

現材料(Si)と新材料(SiC)の適用範囲（出典：荒井和雄他，新規半導体（SiC，GaN）のパワーエレクトロニクスの展開，季報エネルギー
総合工学，Vol.29 No.３，2006年10月）

SiCデバイスの適用範囲が矢印で示したように拡大し，広い範囲での使用が期待される。
5.4

新材料（SiC，GaN）の発展歴史(1)

第２章で，パワエレの歴史を述べたが，ここ
図5－1

ではSiCやGaN等の新材料発展の歴史を概説する。

現材料(Si)と新材料(SiC)の比較（出典：荒井和雄他，新規半導体（SiC，GaN）のパワ

SiCのパワーデバイスの研究開発は，90年代にーエレクトロニクスの展開，季報エネルギー

入って米国クリー社（Cree）が直径30mmの基板

総合工学，Vol.29 No.３，2006年10月）（ウエハ）を販売するようになってから注目されるようになった。一方，半導体デバイスとし5.3拡大が期待される新材料の適用範囲(1)てはシーケッド社（ドイツ，シーメンスとインパワー変換器に求められる特性は，電力変換
損失が小さく（高効率），小型（低コスト）でフィニオンの出資小会社：SiCED）やクリー社
が既に販売を行なっている。

使いやすい（壊れにくい）ことが求められる。

ウエハ，デバイスとも多くの企業・機関が参Siに代わって現在開発が進められている新材画しているが，現状はクリー社が突出している料（SiCやGaN）を使ったパワーデバイスは，低といわれる。しかし最近のSiCメーカ，研究機損失であり，高周波動作による受動部品（コン関については，吸収･合併も含めて動きが早い

デンサやコイル）が小型化できることもあり変ので注意が必要である。米国でのSiC研究開発

換器全体を小型化できる。Siデバイスが破壊すの１つの大きな流れは，アメリカ国防総省の戦－ 28 －

車や潜水艦など軍事応用を目指した一貫した動れるパワエレに関し，次世代半導体等を採用しきである。パワエレは統合化技術であり，それた場合の省エネルギー性を期待している。例えを目指して，世界には幾つかの特徴あるセンタ

ば，SiC（炭化ケイ素）デバイスの適用によりーが活動している。日本の有数の研究センター

自動車や電気自動車など輸送部門においては２である産業技術総合研究所が，世界の有数の研～10％程度，コンピュータ用電源については４

究 所 （ 例 ， 米 国 科 学 財 団 （ NSF） 支 援 の CPES

～５％程度，ポンプ・ファンの電動機駆動用の（Center for Power Electronics System）お

産業分野においては約２％程度と，それぞれ

よびシーメンスを中心とした欧州連合（EU）のSiCデバイスの適用により省エネルギーが可能

ECPE （ European Center for Power Elec-と見られている。その省エネルギーの達成には，

tronics）との情報交換やワークショップの共従来のシリコン半導体を中心とした改良技術に同開催等をおこなっているのもそのような背景

加え，ブレークスルーが期待される革新技術とを基にしている。

して，SiCとともにGaN（窒化ガリウム）を挙げ，

世界の新材料の研究開発機関等の一覧を図5

SiCは高耐圧大電力用デバイス，GaNは数百ボル－3に示す。この分野の競争が如何に熾烈かをトの中耐圧電力用デバイスとして想定している。

窺うことができる。

SiCデバイスの製造に関しては，基板（ウェーハ）上にエピタキシャル膜（強誘電体単結晶5.5

日本におけるパワエレ新技術への期待（Cool Earth－エネルギー革新技術計画)

膜）が安定して成長する技術を開発し，大口径(30)で高品質の基板が低コストで供給される製造技

平成20年３月に経済産業省がまとめた「Cool術，従来よりも高い温度に耐える実装技術，ソEarth－エネルギー革新技術計画」において，

フトスイッチング（電子開閉）や高調波対策な2050年に向けて重点的に取り組むべき21技術のどの周辺技術の確立を目指すとしている。

一つとしてパワエレが取り上げられている。

図5－4に，SiC単結晶とインバータの例を示

発電，送配電，蓄電，電気機器などで用いら

図5－3

す。

世界のSiC研究開発機関（出典：荒井和雄他，新規半導体（SiC，GaN）のパワーエレクトロニクスの展開，季報エネルギー総合工学，Vol.29
No.３，2006年10月）－ 29 －

日本における具体的取組事例(1)5.6

日本における新材料取組みの動きとして，国家プロジェクト「超低損失電力素子基盤技術開発」（1998年度～2002年度）により，日本におけるSiCパワーデバイスの開発の基盤技術が構築された。その後，各機関・企業がNEDO提案公募型の研究開発によりデバイス開発を進展させた。
世界の開発動向に合わせて，SiCパワーデバ
イスのパワエレへの適用を展望するNEDOプロジ
図5－4

SiC単結晶とインバータの例

ェクト「パワーエレクトロニクス・インバータ（出典：Cool Earth－エネルギー革新技術計画，経済基盤技術開発」が2006年度から始まった。同プ
ロジェクトにおける，各メーカ・研究機関とテ

産業省，平成20年３月）

ーマの関係を表5－2に示す。
GaNについては，SiC以上の高周波数パワーデバイスとしての期待もあり，通信，電力変換，

表5－2

基盤技術開発の概要

航空・宇宙分野への応用に向けて研究開発が進められているが，大電力用としてのデバイス（縦型デバイス）開発も期待される。
ダイヤモンドデバイスは，米国はその実現のパワーエレクトロニクス・インバータ

項目

メーカ・研究機関

テーマ

SiC イ ン 三菱電機

14kVA の SiC イ ン バ

バータ

ータ試作及び既存

困難さから開発を断念しているといわれるが，

技 術 に 比 し 70 ％ 低

究極のデバイスともいわれ，日本においては

減実証

SiCやGaNとともにその研究が続けられている。
スケジュール的には，SiC，GaN系パワーデバ

SiC パ ワ 産総研，(財)新機 信 頼 性 と 大 容 量 化
ー デ バ イ 能素子研究開発協 の 可 能 性 を 明 確 化ス （ MOS 会 （ FED ） 及 び 民 する研究イスについて2015年頃の実用化を目指すとされ

対象）

ている。

ウ エ ハ 製 産総研，電中研及 単 結 晶 基 板 上 へ のまたダイヤモンドデバイスについては，2020

造技術

間企業（６社）び昭和電工

薄膜形成技術の実用機への適用研究

年頃の実用化を目指すとされている。
国際的な技術競争に関しては，日米欧で熾烈な技術開発競争が行われるとの認識の下，世界的にトップレベルにあるわが国の半導体分野におけるプロセス技術，デバイス，実装技術の優
位性を活かしながら，コンソーシアム方式で効率的にリソース（資金，設備，人）を投入し，関係者をネットワーク化しながら技術開発を推進することが必要であるとしている。また技術開発と合わせて，技術の国際標準化に向けた取り組みの必要性も指摘している。

－ 30 －

６ パワーエレクトロニクスの課題と将来

ま ず SiC が パ ワ ー デ バ イ ス と し て 従 来 型（Si）より優れている材料面の特徴を図6－2左に示す。また応用するシステムによって求めら

6.1

概要(1)(31)(49)

れるパワーデバイスの特徴的な性質を図6－2右

前章にて材料面を中心とした新技術の開発状に示す。図6－2右図は，パワーデバイスの用途

況を述べたが，パワエレの改良・開発とりわけ（システム）に応じて重要視される特性が異な新型半導体をパワーデバイスとして実用化するることを，同左図の各特性（放射軸上に記載）

までには，材料（ウエハ），プロセスを含むパとの対応にて示したものである。同図で示されワーデバイス（製造）技術において様々な課題

るように，低損失特性は，全てのシステムで必がある。一方，パワエレの全体の発展のために要とされるが，その他の性能はシステムによっは，第１章で述べたように総合的技術分野の開て異なる。例えば，高い信頼性が必要とされる

発・発展が必要である。したがって，実際の開輸送・電力応用では，高い破壊耐量が，家電機

発，実用化をはかるためには，各分野それぞれ器や分散電源では，高周波化による小型・低コに課題と目標設定を明確にして取り組むことが，スト化が，さらにハイブリッド電気自動車

当然必要とされる。図6－1にその概要を示す。

（HEV）や電気自動車（EV）では，高信頼・低ここではそのうち最も基礎となる新型のパワーコストに加え，冷却系が簡単になる高温動作がデバイス技術を対象として，まずその課題と開要求される。

発の方向を説明し，次に実用化が図られた時のパワエレの将来への期待を述べる。

電車・圧延機駆動、高圧配電系
分散電源、家電機器
SiC物性限界
低損失

Si物性限界高耐圧

大電流

高速ｽｲｯﾁﾝｸﾞ

EV/HEV

高温動作

高破壊耐性過負荷耐量

電力系統､新幹線地上設備
汎用INV,SW電源

図6－2

パワーデバイスに求められるSiとSic
との比較

図6－1

パワーエレクトロニクスのコア技術と（出典：荒井和雄他，新規半導体（SiC，GaN）のパワー

主な応用分野エレクトロニクスの展開，季報エネルギー総合
工学，Vol.29 No.３，2006年10月）（出典：小山正人，パワーエレクトロニクスの技術と展
望，三菱電機技報，Vol.79・No.７，2005年）(2) 半導体チップ実装技術の開発(1)6.2

パワーエレクトロニクスの課題(1)

デバイスの性能を十分発揮させるためには，(1) システムとしての特徴発揮

それに対応する集積回路（IC）用の半導体チッ

新型のパワーデバイス技術としては，前章でプ実装技術の開発が必要である。例えば，コス述べたように，SiCやGaN等のデバイスの開発をト低減と高周波特性の改善のためにはチップ面考える。同デバイスの実用化のカギは，システ

積を小さくすることが有利とされるが，一方でムとしてのメリットが引き出せるかどうかにかはチップでの新たなる放熱技術，配線技術の性かっている。

能向上面からの開発を必要とする。なお，現状－ 31 －

では電力変換器においては，変換効率は現状90％を超えており，その飛躍的な向上はかなり困難となってきており，今後の方向としては変換器のパワー密度の向上が重要な開発の指標と指摘されている。その点からも，パワー密度の飛躍的な向上が可能と見られるSiCへの期待は大きい。図6－3にその開発展開を示す。

図6－4

デバイス性能を阻害する欠陥密度（出典：荒井和雄他，新規半導体（SiC，GaN）のパワー
エレクトロニクスの展開，季報エネルギー総合工学，Vol.29 No.３，2006年10月）(4) その他(25)電源系統に多くのパワエレ機器が接続される
図6－3

場合の課題があり，それぞれに対策が必要であ

電力変換器のパワー密度の展開（出典：荒井和雄他，新規半導体（SiC，GaN）のパワる。一般的に，パワエレでは，前述のように電ーエレクトロニクスの展開，季報エネルギー

流，電圧を高速で電子的に開閉する操作が伴う総合工学，Vol.29 No.３，2006年10月）ことが多いが，それに伴い配線ケーブル上及び周囲空間に対して高調波成分を持つ電流，電磁(3) パワーデバイスの信頼性向上と大容量化(1)波，騒音を発生する場合がある。これが，他のパワーデバイスの大容量化には，デバイスの機器に対して，加熱，振動，騒音の増大などの性能を劣化させる結晶欠陥をその発生メカニズ

影響を与える可能性がある。また，周囲空間へムの解明とともに正しく計測し，さらにその発の電磁波の放出は，他の電子機器や通信機器に生を低減することが不可欠である。図6－4に大対して電磁ノイズや誤動作などの影響を与える

容量化と欠陥密度の関係を示す。信頼性につい懸念も指摘される。これらの発生のメカニズムても同様な観点から取り組む必要がある。パワや影響の程度を明らかにし，その対策を講じるーデバイスは，前述のように基本的特性としてことが必要とされている。

低抵抗化が要求され，改善されてきたが，これ重点的な課題と対策の例を表6－1に示す。

を活用し，またこれまで開発してきたパワーエ
レクトロニクス統合化技術を駆使して，SiCパ

6.3

省エネルギー効果(1)(34)

パワエレは，経済産業省資源エネルギー庁に

ワーデバイスによる高パワー密度化の可能性とよる｢省エネルギー技術戦略｣（平成18年９月）

開発方向を明確化することが必要である。
そのためにも，材料（ウエハ）製造技術，パにおいて，省エネルギーを達成する重要な共通

ワーデバイス製作技術，およびプロジェクト全基盤技術として位置づけられ，とりわけSiCデ体としての管理・評価体制を含む，全体としてバイスの実用化への期待が述べられている。図

の統合能力が重要とされる。

6－5にSiCパワーデバイスの導入によるわが国における省エネルギー効果の期待値を示す。
－ 32 －

表6－1
現

象

原

パワーエレクトロニクス化に伴う課題と対策
因

電源高調波

整流回路，アーク炉

電磁ノイズ

伝導，誘導，放射

電磁気騒音

ＰＷＭ制御

漏れ電流
サージ電圧

影

響

力率改善コンデンサ／変圧器加熱，リレー誤動作
通信回線，放送機器へのノ
イズ
高周波騒音

電磁アンバランス，
コモンモード電圧変動
電圧の高速スイッチング，
インバータ・電動機間配線

対策

高調波フィルタ，変圧器の二次側巻線位相シフト
ノイズフィルタ，シールドケーブル，配線方法の改善
周波数アップ，周波数分散，
吸音構造

軸受損傷（電食）

ＣＭＴ，軸絶縁，等電位接地

電動機巻線絶縁損傷

出力フィルタ，絶縁強化（出典：斎藤涼夫他，パワーエレクトロニクスの技術動向と今後の展望，東芝レビューVol.57 No.８（2002-8））面における活用にも大きな期待が掛けられている。将来の電力ネットワークシステムは，更なる分散電源導入の増大，電力消費量増大と電力品質の向上ニーズに対し，電力ネットワークとして一層の性能向上が必要とされることによる。
特に，将来再生可能エネルギー導入による分
散電源の拡大が想定されるが，その際需要端での高品質電力を確保するとしたら，既存の電力会社の系統に依存するのみでは制約が多く，マイクログリッドの採用が提案されている。その
図6－5

SiCパワーデバイスの普及による国内で一例は，第4.2.4にて述べたところであるが，の省エネ効果の予想

今後更なる発展が期待される。例えば，日本の（出典：省エネルギー技術戦略2007，資源エネルギー庁
省エネルギー対策課，2007年４月）

地球温暖化対策の2050年に向けた一つの目玉として，太陽光発電の導入規模拡大（例，2020年
ま で に 現 状 （ 2005年 ， 約 140万 kW） の 10倍 ，

現在のSiデバイスの代替効果だけでなく，2030年には40倍等）が期待されているが，そのSiCデバイスの実用化により，コストパフォー

ような規模になると系統安定化あるいは高品質

マンスの高いパワーエレが実現し，これまで普電力確保上もマイクログリッドの採用が考えら及していなかったシステム分野までインバータれる。その検討においては，系統（グリッド）などの導入・加速が進むものと期待されている。

との電力潮流制御，各種電力貯蔵との組合せにこれによると，省エネルギー量は，2010年でよる特性把握と最適制御，重要負荷に対する供は，原油換算50万kl程度であるがその後急激に給電力品質の維持などが検討課題として挙げら効果が拡大し，2015年で800万kl，2020年で約れている (19) 。そして，その際のカギを握るの

1,800万kl，さらに2030年で約4,500万klと見込が，システムの中に多数存在するインバータをまれている。

主体とした電力変換装置の統合的制御，換言す
るとパワエレであるといわれる。

6.4

将来の電力ネットワークシステム(15)(19)(33)

なお，NEDOにおいて平成16年から19年に「新以上は，パワエレの将来への期待を材料面か

電力ネットワークシステム実証研究」が実施さら述べたが，将来の電力ネットワークシステム

れたが，まさにその狙いは分散型電源が大量に－ 33 －

適用例

系統連系した場合の電力品質を維持するための変電所

系統制御技術，分散型電源を利用した場合の需変電所

要家ニーズに応える電力品質確保の技術開発，
およびその有効性を検証するための実証試験を行なうものであった。

電圧

具体的には，次に３点からの研究開発を行っ

高→低

た(33)。
①

SVR
電圧低→ 高電力ネットワーク技術実証研究
新エネルギー等の分散型電源，模擬負荷装置，系統制御機器から構成される模擬配電系統により，新エネルギー等の分散型電源が大量に導入された際の電力系統側の電力品質維持対策とし

電圧低→高配電線ループ用需給
バランスコントローラて，系統制御機器の開発及びシステムとしての実証研究を行なう。
②

図6－6

品質別電力供給システム実証研究
新エネルギー等の分散型電源とインバータ，

SVC
電圧低→高

NEDO電力ネットワーク技術実証研究（出典：NEDOホームページ（新エネルギー技術開発部，二次電池，高速遮断器等から構成される需要家

系統連系技術グループ））

側の品質別電力供給システムにより，電力系統に瞬時電圧低下や停電が生じた場合でも，無瞬パワエレの活用がその成否に係ると見られ，そ断から標準品質までの多品質の電力を実需要家の活用に関しては，次の２段階で考えていくこに供給する実証研究を行う。

とが適切であるとされている(15)。

③

新電力ネットワーク技術に係る総合調査(1) 個々の分散型電源に設置されたパワーエレ

本事業の研究項目の効率的・効果的進捗を図

クトロニクスを情報通信網で結び付け，個々るため，各種調査及び実証研究のデータ分析・の分散型電源の協調制御を実現することで，評価・研究へのフィードバック等を図るための合理的な電力品質制御を行うレベルで，主と総合調査研究を行う。

して制御方式の開発が課題であり，分散制御

図6－6にその一例を示す。

と集申制御の役割分担，分散制御への自律性

ネットワークに関する将来のあり方に関して付与などについての適正化が必要とされる。

は，欧米においても積極的に研究開発が進めら(2) 上記では対応不可となって始めて，系統側れており，各地域ごとにいくつかの構想が提唱に必要最小限のパワーエレクトロニクス機器

され，実現に向けた研究開発が進められている。

を導入し，情報通信網を活用して，個々の分

例えば，日本の需要地系統，米国のインテルグ

散型電源とも協調のとれた電力品質制御を実

リッドやグリッドワイズ，欧州のスマートグリ

現するレベルで，分散型電源の中長期的な動ッドなどが挙げられている。これらの構想は電向を見通した上で，ネットワーク用のパワー

力供給に係る将来課題に対応するための広範なエレクトロニクス機器の導入計画手法，高効概念であり，いずれにおいても分散型電源大量率・コンパクトハードウェアと制御方式の開導入への対応が想定され，個別の対策だけでは発が課題とされる。

不充分な状況が生まれてくると見られている。

この第２段階までを見据えた需要地系統の構

その際の重要要素技術は情報通信技術，センシ

成概念を図6－7に示す。

ング技術を含めた電カシステムの知能化であり，－ 34 －

その際，ハードウェア開発に関しては，NEDO

プロジェクトの成果，特に高効率・コンパクトなループコントローラの開発に期待している。

図6－7

需要地系統の構成概念図（出典：高崎昌洋，石川忠夫，パワーエレクトロニクスを利用した分散型電源等の系統連系，電気評論，2007年６月）－ 35 －

あ と が きサなど核となる独自技術の発展，あるいは半導体全般にわたる韓国，台湾，中国などの途上国

かつて鉄鋼が産業の米といわれた時期があっの激しい追い上げなどによって，今や日本の半たが，今や半導体がそれに代わって呼ばれるよ導体産業はかつてのシエアをなくし，各メーカうになった。その半導体の発展とその応用技術が生き残りをかけて選択と集中を余儀なくされであるパワエレ技術の発展，およびその制御回てきている。

路と部品を半導体チップに集積した集積回路

パワエレの開発と適用においても，半導体ほ（IC）の発展とあいまって，パワエレが飛躍的

どではないにしても，その開発と適用の拡大にに発達してきた。特に，集積回路に関しては，際し，更なる発展が求められている。とはいえムーアの法則（＊米国インテル社の創設者の一

世界最高の省エネルギー技術を有している日本人であるゴードン・ムーア博士が1965年に経験のエネルギー産業・機器は，その背景にはパワ則として提唱した『半導体の集積密度は，18～

エレとの連係があり，パワエレの応用特にエネ

24ヶ月倍増する』という法則。最近は集積密度

ルギー分野における適用と経験は，まさに日本は鈍化してきており，2010年ごろには微細化が，の特徴を発揮し，世界に貢献するものといえよ

原子レベルまで到達してしまい，同法則は成立う。

しなくなると予想されている）による集積密度

パワエレの応用範囲を改めてみてみると，陸の飛躍的な向上があったこともその背景にあっ上の設備・機器はもとより，船舶，航空，宇宙たといえる。

にわたる設備・機器まで，人々の活動が及ぶ限なお，半導体には長らくシリコン（Si）が，中心となって使われてきたし今後とも基本的にり実にさまざまなところで，利用され浸透しつつあるといえる。

は主流となると思われるものの，シリコンより鉄腕アトムのような意志を持った人間型ロボ

もさらに優れた特性を有する新材料の開発が進ットの完成は，未だ夢物語かもしれないが，現められている。その代表的なものが炭化珪素

実には産業用ロボット，介護ロボット，愛玩用（SiC）である。その特長は，電力変換損失がロボットの出現等において，今や産業界及び人

小さく，小型で低コスト化が可能で，さらに使間社会の一員となり，いずれ多くの場合で不可

いやすいことである。

欠となる場面もそれ程遠くない時期に実現しそ

例えば，SiCは，Siに比べ，絶縁破壊電界でうである。

８～10倍，その電界を支えるチャージの最大密このような，さまざまな分野で利用されまた度は100倍にも達し，そのためある半導体デバ

動きの激しい技術開発と競争下におかれている

イスを作ると，通電時に発生するオン電圧（小パワエレの全体を小冊子で紹介することは困難

さい程電力損失が小さい）がシリコン型の約であるが，本書が読者におかれてのパワエレへ

200分の１となり，低損失デバイスが実現するの興味誘引あるいはその理解の助けになれば，ことが知られている。実用化に際しては未だい

望外の幸いである。

くつかのハードルがあり，関連各社がその開発最後に，本書執筆に際し多くの方々に，情報にしのぎを削っているところであり，その完成

提供，内容上の助言，あるいはレビューを頂いが待たれる。

た。紙面からではありますが，それらの方々に日本は，かつて1980年代には半導体製造に関心からの謝意を表します。

して，世界を席巻し，日米半導体摩擦などの原因ともなった時があった。しかし，最近は，ア
メリカにおけるパソコンの発展に伴うプロセッ－ 36 －

参 考 資 料

SANYO TECHNICALREVIEW Vol.36 No.２，2004
年12月

１

荒井和雄他，新規半導体（SiC，GaN）のパ

19

ワーエレクトロニクスの展開，季報エネルギ
ー総合工学，Vol.29 No.３，2006年10月
２

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ロニクスの技術開発と利用，電気評論，2007

パワーエレクトロ

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エレクトロニクスの技術開発と利用，電気評

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斎藤涼夫他，パワーエレクトロニクスの技

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パワーエレクトロニクス

術動向と今後の展望，東芝レビューVol.57

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Wikipedia

ダイオード

No.８（2002-8）

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武田秀雄他，自励式変換器による電力系統

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古関庄一郎，産業用機器でのパワーエレク
トロニクスの技術開発と利用，電気評論，

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No.８（2002-8）
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省エネルギー技術戦略2007，資源エネルギ
ー庁省エネルギー対策課，2007年４月

新エネルギーの展望
既刊一覧

燃 料 メ タ ノ ー ル 編

1987年１ 月発 行

低品位炭の改質技術

1997年３ 月発 行

太

陽

燃

料

風

力

石

炭

電

編

1987年２ 月発 行

メタノール発電技術

1997年３ 月発 行

電

池

編

1987年３ 月発 行

電 力 負 荷 平 準 化

1998年３ 月発 行

発

電

編

1988年１ 月発 行

非 在 来 型 天 然 ガ ス

1998年３ 月発 行

化編

1988年３ 月発 行

(メ タ ン ハ イ ド レ ー ト 編 )自動車用エネルギー編

1988年３ 月発 行

石 炭ガス 化複 合発電 技術

1999年３ 月発 行

地

球

二

次

高

温

地

熱

燃

料

光

発

ガ

ス

化

編

1989年２ 月発 行

廃 棄 物 発 電 （ その３ ）1999年３ 月発 行

池編

1989年３ 月発 行

原 子 力 発 電 技 術

2000年３ 月発 行

導編

1989年３ 月発 行

原子燃料サイクル技術

2000年３ 月発 行

電編

1990年２ 月発 行

固体高分子形燃料電池

2001年３ 月発 行

1990年３ 月発 行

マイクロガスタービン

2001年３ 月発 行

燃 料用メ タノ ール（ 改訂 版）

1990年３ 月発 行

コージェネレーション技術

2002年３ 月発 行

太 陽 光 発 電 （ 改訂版 ）1991年３ 月発 行

循 環 型 社 会 の 構 築

2002年３ 月発 行

地 球 温 暖 化 （ 改訂版 ）1991年３ 月発 行

バ イ オ マ ス 発 電

2003年３ 月発 行

エネルギー有効利用

1991年３ 月発 行

廃 棄 物 発 電 （ その４ ）2003年３ 月発 行

水 素 エ ネ ル ギ ー

1992年３ 月発 行

地 球 温 暖 化（ 再改訂 版）

2004年３ 月発 行

風力

1992年３ 月発 行

風2004年３ 月発 行

電

気

車

1992年３ 月発 行

省 エ ネ ル ギ ー 技 術

2005年３ 月発 行

非 在 来 型 天 然 ガ ス

1993年３ 月発 行

太 陽 光 発 電（ 再改訂 版）

2005年３ 月発 行

地 球 温 暖 化 対 応

1993年３ 月発 行

バイオマスエネルギー

2006年３ 月発 行

石 炭 の 高 度 利 用

1993年３ 月発 行

燃2006年３ 月発 行

水 素エネ ルギ ー（改 訂版 ）1995年３ 月発 行

ガ ス タ ー ビ ン 技 術

2007年３ 月発 行

廃電

1995年３ 月発 行

自 動車用 エネ ルギー (改訂 版)

2007年３ 月発 行

石 炭 灰 の 有 効 利 用

1996年３ 月発 行

パワーエレクトロニクス

2008年３ 月発 行

廃 棄 物 発 電 （ その２ ）1996年３ 月発 行

二2008年３ 月発 行

棄

温

暖
電

超

電
発

電

池 （ 改訂版 ）発電 （ 改訂版 ）
自

物

動

発

力

料

次

発

電

電

電（ 再改訂 版）

池（ 再改訂 版）

池（ 改訂版 ）2008年３月発行

編集発行

財団法人

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