パワーエレクトロニクス学
入門
基礎から実用例まで

ナ
社

（改訂版）
河村

篤男

【編著】

コ

ロ

横山 智紀・船渡星伸一・吉野
吉本貫太郎・小原
【共著】

コロナ社

寛人
輝雄
秀嶺

初版のまえがき
本書を書くことになったきっかけは，基礎パワーエレクトロニクス（ホフト先生原著，河村ほか訳，コロナ社，1988年）の本が 10刷を越えたので，新しい内容を追加して今後 20年は使える新しいタイプの教科書を書きたいと提案したことに始まる。パワーエレクトロニクスのパイオニアであるホフト先生の教科書は，基礎を中心に，何年経っても古くならない内容を丁寧にまとめてあったので，20年を越えるロングセラーとなった。著者もこの教科書で大学のナ
社

講義を続けた一人である。1980年代に米国ミズーリ大学でホフト先生と一緒に仕事をした著者とその研究室の卒業生でこのような教科書を書くことになるとは，感慨深いものがある。折しも，2008年は，パワーエレクトロニクス生
誕 51年といわれている。1957年に SCR（silicon controlled rectiﬁer）が出現した年を元年とするからである。

ロ

CO 削減や地球温暖化などの地球環境問題は，世界的な規模での関心事となっており，これを救う技術の一つが，パワーエレクトロニクスであるといわれている。この学問は，電気エネルギーをいかに有効に利用するかを追求するもている

コ

ので，省エネルギー（省エネ）技術といってもよい。言葉としても広く浸透しインバータ

は，パワーエレクトロニクスの産物である。現代生活を楽しみながら，エネルギーを節約した生活を送り，持続可能な社会を作るには，パワーエレクトロニクスの技術は必須である。1章の写真記事で紹介する
ように，蛍光灯照明，ハイブリッド車，新幹線，風力発電，インバータエアコ
ン，あらゆる情報通信電気機器の電源装置などを含め，日常生活の中でパワーエレクトロニクスの恩恵を被っていないものはないといっても過言ではない。
より一層の電化社会が到来すれば，パワーエレクトロニクス技術により，電気で物理的に動くものから，照明，通信，コンピュータ，IH 調理まで電気で静かに動くものまで，省エネで効率よく日常生活を支えることの重要性は増してくる。

この教科書は，電気，電子，情報系の 2年生から 3年生が初めてパワーエレ
クトロニクスを学ぶときに，入門書として基礎をわかりやすく説明することを念頭に置いて書いてある。電力増幅のえ方から始まり，直流‑直流変換，インバータ，整流器の順で説明してある。1学期で教える場合は，14回程度の講義で完結するように工夫してある。また，章末問題には，その章で学んだことのほかに，PSIM での演習問題も含んでいる。一部のより詳しい解答などは（株）コロナ社の web ページ（https://www.coronasha.co.jp/）の本書関連ページで公開してある。さらに，この教科書の特徴として，最終章である 7章に実用例紹介として，現場のエンジニアの視点から現実のパワーエレクトロニク

実の技術者のわざナ
社

ス技術について書いていただいた。ここだけは内容が高度なものが多いが，現を垣間見てほしい。特に，7.9節では，今，話題のパワーエレクトロニクス応用技術に関してまとめた。

著者の数が 5名になったが，2回の合宿と 4回の会合を実施し，意識あわせを行った。大学の教員（元エンジニア，国内外大学教員経験者）と現エンジニロアの多彩な経歴の組合せで異なる観点から原稿をまとめてある。また，著者らの人脈を利用して，いろいろな方々から写真や資料を提供していただいた。特に，写真を提供していただいた，原修次氏（JR 東海（株）），山下哲司氏（東コ芝キャリア（株）），坂本潔氏（（株）日立製作所），松本康氏（富士電機アドバ
ンストテクノロジー（株）），安田丈夫氏（東芝ライテック（株）），大森英樹氏（松下電器産業（株）），住吉眞一郎氏（松下電器産業（株）），および，写真と貴重な資料を提供していただいた寺谷達夫氏（トヨタ自動車（株））に厚く御礼申し上げる次第である。また，コロナ社の辛抱強い忍耐力のおかげでここまで仕上がった点も明記しておきたい。
この本の内容に関して，忌憚なきご意見を賜れば，講義に反映してよりよい教育を目指すことができますので，ご意見があれば是非お寄せください。
2008年 11月
著者代表 河村篤男

改訂版のまえがき
このまえがきを書いている時点で，東京 2020オリンピックは 1年遅れで開催され，日本は史上最大数のメダルを獲得した。かたやCOVID‑19はまだ抑えきれておらず，地球温暖化の影響で熱い夏の祭典となった。ここ 1年半は，空調の効いた空間で情報通信機器を利用したネット会議や，CO を削減する電気自動車を次世代移動手段としたいという世界的な要請の高まりなどのように，
電気エネルギーを利用する省エネ技術などを核として，人流，物流，情報流が急速に変化してきた。そして，パワーエレクトロニクスはこのように急変する

ナ社

現代社会の社会インフラを構成する基盤技術として必要不可欠となっている。
2009年に初版を発行し，おかげさまで 12年間で 12刷を発行するに到った。
過去 12年の間に，電気自動車が発売され，LED 照明は大幅に普及した。今後，新しいパワー半導体や再生可能エネルギー関連の新しい技術がますます発展していくと思われる。これからどのようにこの分野が発展しても，読者がこの教科書を使って，パワーエレクトロニクスの基礎を学習し，全体像を俯瞰す

ロることで将来にわたり広い視野を持って活躍できるようになってほしいとの意
図をもって，新しい内容の追加・修正を行い改訂版を発行することになった。
今回の主たる改訂は，4章のインバータの章を大幅に再構成し，実用化が広コまってきたマルチレベル電力変換技術の基礎をわかりやすく書き起こしたこと，および 7章に最新の電気自動車の技術動向を加えたことである。これに伴い各分野の分野の専門家 2名を著者に追加した。これ以外の修正は，1章での写真の追加，2章でのデバイスの追加説明，3章での電力変換の概念図の追加，
4章での変調技術の追加説明，6章でのマトリックスコンバータの追加説明，7
章でのディジタル制御機器や直流送電装置などの追加記述，付録での PSIMの追加・修正記述などである。
この改訂の作業はすべてインターネットを使ったオンライン会議で行った。
なお，この教科書に関して，忌憚のないご意見があれば，いつでも編集部まで
お知らせ下さいますようお願いします。
2021年 8月末日
著者代表 河村篤男

目次. パワーエレクトロニクスの役割と基礎知識【河村】

1.1 パワーエレクトロニクスの役割 ････････････････････････････････････････････････････････ 1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4

インバータ電車，ハイブリッド車，LED 照明
電力変換の四つの形
3
パワーエレクトロニクスの効果
3
パワーエレクトロニクスの要素分野
4

1

1.2 応用分野（動くもの，動かないもの） ･･････････････････････････････････････････････ 5礎知識 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 8

ナ
社

1.3 基

1.3.1 平 値と実効値
81.3.2 電力
81.3.3 三相交流，
線間電圧，
相電圧

章

末

問

1.3.4 フーリエ級数と歪率
91.3.5 力率118

題 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 12. 電力増幅と電力変換

ロ

【船渡】

2.1 電力増幅と電力変換の相違点と共通点 ････････････････････････････････････････････ 13
2.2 可変抵抗を用いた電力変換の原理とその効率 ･･････････････････････････････････ 15

コ

2.3 スイッチを用いた電力変換の原理とその効率 ･･････････････････････････････････ 16
2.3.1 理想スイッチによる電力の変換
162.3.2 実際のスイッチの動作と損失
182.3.3 スイッチを用いた電力変換回路の効率

202.4 スイッチとして用いる半導体デバイス ････････････････････････････････････････････ 24
2.4.1 スイッチの機能と分類
24
2.4.2 スイッチの移行条件と維持条件
28
2.4.3 ダ イ オ ー ド
29
2.4.4 トランジスタ，M OSFET，IGBT
31
2.4.5 組み合わせて逆電圧に対応したスイッチ
2.4.6 サイリスタ，GTO
42
2.4.7 スイッチのオンオフ判定
44

章

末

問

39

題 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 47

目

ii

次

. 直流‑直流変換【船渡】

3.1 LC の 働 き ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 52
3.1.1 LC の定常状態におけるふるまい
3.1.2 平 滑 作 用
55
3.1.3 フ ィ ル タ 作 用
5752

3.2 チ ョ ッ パ 回 路 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 58
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4

降圧チョッパ58
昇圧チョッパ69
昇降圧チョッパ
74
各種チョッパの比較
79

3.2.5 実際のチョッパにおける注意点
3.2.6 双方向チョッパ
82
3.2.7 出力象限の拡大
84

82

ナ
社

3.3 DC‑DC コンバータ ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 85
3.3.1 フォワードコンバータ
3.3.2 フライバックコンバータ

章

末

問

85
91

3.3.3 ほかの絶縁型コンバータ

92

題 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 9 3. 直流‑交流変換回路（インバータ)【星，小原】

ロ

4.1 インバータの種類 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 9 6
4.2 電圧形インバータの基本回路と基本動作 ･･･････････････････････････････････････ 100
4.3 単相電圧形インバータ ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 101

コ

4.3.1 ハーフブリッジインバータ
4.3.2 フルブリッジインバータ

101
104

4.4 三相電圧形インバータ ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 108
4.4.1 3レグインバータ

4.4.2 V 結線インバータ

109

4.5 マルチレベルインバータ

114･････････････････････････････････････････････････････････････

4.5.1 ダイオードクランプ方式
4.5.2 フライングキャパシタ方式

4.5.3 カスケード接続方式
116
118

115

118

4.6 出力電圧の振幅制御方法 ･････････････････････････････････････････････････････････････ 121
4.6.1 低次高調波消去方式PWM 制御
121 4.6.3 ヒステリシス制御
4.6.2 正弦波 PWM 制御
4.6.4 空間ベクトル変調
124

132
134

4.7 インバータの応用 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 138
4.7.1 CVCF

4.7.2 VVVF

138

139

4.8 モータドライブ ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 140
4.8.1 誘導電動機の制御

章

末

問

140

4.8.2 永久磁石同期電動機の制御

142

題 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 144

目

次

iii

. 交流‑直流変換回路（整流回路)【星】

5.1 整流回路の分類 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 146
5.2 他励式整流回路 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 147
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4

単相ダイオードブリッジ整流回路
三相ダイオードブリッジ整流回路
単相サイリスタブリッジ整流回路
混合ブリッジ整流回路
163

147
155
156

5.3 PWM 整流回路 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 166
5.4 複 合 整 流 回 路 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 168
末問

題 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 174

ナ社章. 交流‑交流直接変換回路【吉野，河村，小原】

6.1 サイクロコンバータ ････････････････････････････････････････････････････････････････････ 175
6.1.1 目的・手段・用途

6.1.2 実179

6.2.2 実ロ

6.2 交流位相調整回路

175

現

方

法

176

･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

6.2.1 目的・手段・用途

6.3.2 実

現

方

法

179

180

6.3 マトリックスコンバータ ･････････････････････････････････････････････････････････････ 184
6.3.1 目的・手段・用途

末

問

現

方

法

185

題 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 186

コ

章

184

. システムとしてのパワーエレクトロニクス【吉野，横山，河村，吉本】

7.1 組み合わせた変換回路 ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 187
7.1.1 間接交流‑交流変換
1877.1.2 チョッパとインバータの組合せ
187

7.1.3 多 重 化 変 換 器

189

7.2 IGBT 回路設計 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 189
7.2.1 IGBT の選定
19 0
7.2.2 IGBT の電圧・電流ストレス7.2.3 IGBT 回路設計概要
19 4

19 1

7.3 ゲート駆動回路 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 19 4
7.3.1 ゲート電圧・電流
19 47.3.2 ゲート回路の要素
19 8
7.3.3 ゲート回路によるオンオフ動作制御

19 9

目

iv

7.4 熱

次

設

計 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 200

7.4.1 IGBT 装置の発熱要素
7.4.2 IGBTモジュールの損失

7.5 保

護

回

ン

205
207

路 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 210

7.5.1 故障検出と除去

7.6 セ

7.4.3 冷 却 方 式
200
200 7.4.4 温 度 上 昇 計 算

2107.5.2 過大ストレスの抑制

212

サ ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 212

7.6.1 電 流 セ ン サ
7.6.2 電 圧 セ ン サ

212
214

7.6.3 温 度 セ ン サ

214

7.7 制御回路（コントローラ）と開発環境 ･･････････････････････････････････････････ 215
7.7.1 パワーエレクトロニクス用コントローラ
7.7.2 コントローラの構成
217
7.7.3 ソフトウェア開発環境
220

215

ナ
社

7.8 制御理論および制御アルゴリズム（制御手法)･･･････････････････････････････ 220
7.8.1 制 御 の 区 分
2207.8.2 制御理論と制御手法
220

7.9 応

222

例 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 222

UPS
222
系統連系インバータ
224
周 波 数 変 換225
MM C 変換器を用いた直流送電
230
プリウスや e‑POWER などの電動車両

231

ロ

7.9.1
7.9.2
7.9.3
7.9.4
7.9.5

用

7.8.3 制御ループの多重性

付録：PSIM ソフトウェアの紹介（サンプル回路例) ････････････････････････････ 242
文献 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 245

コ

引用・参

章末問題の略解 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 250
索引 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 253【本書ご利用にあたって】
・本文中に記載している会社名，製品名は，それぞれ各社の商標または登録商標です。本書では R や TM は省略しています。
・本書に記載の情報，ソフトウェア，URL は改訂版執筆時点のものを記載しています。
・章末問題の詳しい解答，本書で紹介している PSIM のサンプルプロ
グラムなど，本書に記載できなかった情報を下記(株)コロナ社のweb ページからダウンロードできます。ぜひご利用ください。
https://www.coronasha.co.jp/np/isbn/9784339009804/

Power. パワーエレクトロニクスの役割と基礎知識Electronics
本章では，パワーエレクトロニクスが暮らしの中でどのように役立ってい
るのかをわかりやすく説明することを目標にする。パワーエレクトロニクスという学問の特徴とその内容の概説を述べ，ついで，各種応用例を紹介す

ナ社

る。最後に，実効値，フーリエ級数など基本的な公式を述べておく。

1.1 パワーエレクトロニクスの役割
1.1.1 インバータ電車，ハイブリッド車，LED 照明

インバータ電車という名称で呼ばれるものが普及している。インバータで直流の電気を交流に変えて，それをモータに印加して，電気エネルギーを運動エロ

ネルギーに変え，駆動力を得て，電車を走らせる。電車の速度に応じて，交流の周波数を変える必要があり，また，その振幅の大きさも制御する必要がある
ので，インバータでこれを行う。在来線だけでなく，新幹線の新しい車両（例コ

えば，N 700系）は，すべてインバータ電車である。その最大の特徴は，エネ
ルギーの回生と呼ばれ，ブレーキをかけるときは，モータを発電機として使い，インバータを介して，その運動エネルギーを電気エネルギーとして回収できることである。こうすることにより，新幹線全体のシステムとしては，消費電気エネルギーを節約することができる。いわゆる，省エネと呼ばれている効果である。それまでは，ブレーキ時は，ディスクブレーキなどの機械的な摩擦力を用いて，発熱により，運動エネルギーを消費していた。ある意味では，エネルギーを浪費していたともいえる。2006年度当時，東海道新幹線の 1年間
消費電気エネルギーは前年よりも減少したが，運行便数は前年よりも増加したと聞いている。

2

1. パワーエレクトロニクスの役割と基礎知識

もう少し詳しくえると，新幹線の架線は交流であるので，インバータで回生して得られた直流電圧を，さらに，交流に変換して架線に戻す必要がある。
これは，PWM 整流器で実現する。専門的な用語（インバータ，周波数制御，
振幅制御，PWM 整流器) は，4章，5章で詳しく述べる。
2007年 12月当時は，原油の値段が高騰しており，1バレル当り 100ドルに近づいていた。これを受けて，ガソリンの値段も上昇を続けているので，燃費の良い車が売れていると聞く。特に，ハイブリッド車という名称で売られている車は，インバータ・電気モータでの駆動系と従来型の内燃機関型の駆動系を組み合わせ，停止時からの駆動時はインバータ・モータで駆動し，走行速度が

ナ社

向上して，内燃機関エンジンの効率が良い回転数になると，こちらで駆動する。また，電車と同じように，減速時に，機械ブレーキを使わないで，運動エネルギーを発電により交流電気エネルギーに変換し，インバータを用いて，さらに，直流の電気に変換し，バッテリーに蓄える。いわゆる，エネルギー回生と呼ばれている。始動時には，この蓄えたエネルギーを利用する。全体としえると，回生ロて，省エネを実現し，燃費を向上させている。もう少し詳しく

時にインバータの作った直流の電気を効率良くバッテリーに充電するために，直流の電圧を変化させるチョッパ回路と呼ばれるものが必要となってくる。まコ

た，高速域で駆動力を増加させるにはこのチョッパ回路は必須となる。専門的な用語（インバータ，チョッパ）は，3章，4章で詳しく述べる。
照明器具のパワーエレクトロニクス化も進んでいる。一昔前は，蛍光灯のス
イッチを入れても点灯するまでに時間がかかっていた。インバータを用いて数十 kHz の電圧を放電蛍光管に印加すると，瞬時に点灯し，また，電気エネル
ギーを光に変える効率も良いので省エネが実現できた。最近はさらに発光効率が良く，直流電圧で駆動できる LED 照明に変わりつつある。もう少し詳しくえると，電力会社から供給される電気は 50または 60Hz なので，これを整流器で直流に変換し，必要な電圧に変換する必要がある。専門的な用語（直流‑直流変換，インバータ，整流器）は，３，４，５章で詳しく述べる。
本書では，この例のように，電気エネルギーの形を変えて，省エネを実現し1.1 パワーエレクトロニクスの役割

3

たり，あるいは，いままでできなかった性能を実現したりする， パワーエレ
クトロニクスの基礎に関して順に述べていく。

1.1.2 電力変換の四つの形
電気エネルギーの形態を変化させる方法（電力変換）は，交流と直流の組合
せをえると 4通り存在する。それ

ぞれの変換に対して固有の名称が与えられている。表 1.1 に示したように，すでによく知られているインバ

電力変換の形名称DC‑DC 変換スイッチングレギュレータ，チョッパ

DC‑AC 変換インバータ

AC‑DC 変換整流器（コンバータ)

AC‑AC 変換

サイクロコンバータ，
マトリクスコンバータ

ナ社

ータは，直流の電気を交流に変換す

表 1.1 電力変換器の名称るもので，交流の周波数，振幅，位相の三つを変化させることができる。直流の電気を異なる大きさの直流に変化させるものは，DC‑DC スイッチ
ングレギュレータあるいはチョッパと呼ばれている。前者は，スイッチング周ロ

波数が数百 kHz 以上で小電力用途であるの対し，後者はスイッチング周波数が比較的低く大パワーであることが多い。整流器は，交流の電気を直流に変えるもので，インバータ動作の逆の動作をする。歴史的には，これが一番古く，

コ

通信機でも用いられるものである。インバータ動作も整流器動作もパワーの流れの方向が逆なだけであることから，二つをまとめてコンバータと呼ばれることもある。最後の組合せは，交流を別の交流に変換するものでサイクロコンバ
ータあるいはマトリックスコンバータと呼ばれている。これらの説明は，3章から 6章で順次行う。

1.1.3 パワーエレクトロニクスの効果
1.1.2項で述べた四つの変換を行うパワーエレクトロニクスの効果は，用途によって二つ程度に大別できる。
一つ目は，エネルギーの有効利用と，その結果省エネの効果が得られる点である。インバータ電車やハイブリッド車の回生運転は，この例にあたる。イン4

1. パワーエレクトロニクスの役割と基礎知識

バータ駆動をしなくても車としての移動手段としての機能を満足しているが，燃費を向上させるインバータ駆動は，ユーザの希望であり，また，エネルギーの有効利用は地球温暖化防止などの意味で効果がある。細かく見ていけば，チョッパによるインバータの直流端子とバッテリー間のエネルギーマネジメント
により，省エネ効果はさらに高まる可能性がある。モータの種類を変え，あるいは，トルク制御を最適化することにより，システム効率はさらに向上する可能性がある。このように，パワーエレクトロニクス技術は，電化社会において，電気エネルギーを効率良く使う技術の基礎となるものである。
二つ目の効果は，これまでできなかった機能を実現するためである。例えナ
社

ば，電気自動車の高速駆動性能向上などは，この例にあたる。これにより，トルク応答特性は，従来のガソリン車で実現できなかったような高速応答を実現できる。電気機器のワイヤレス化，例えば，コードレス掃除機はこの範疇に入る。バッテリーからモータ駆動までの高効率電力変換の技術により実現可能となり，さらに利便性も向上した。別の例では，ヒューマノイド型ロボットの実

ロ現が挙げられる。小型・軽量・高効率パワーエレクトロニクス技術に基づくアクチュエータの存在により，人間サイズのロボット，あるいはより小型のロボ
えられる。

コ

ットが実現できたと

1.1.4 パワーエレクトロニクスの要素分野
パワーエレクトロニクス技術を構成する要素技術としては，図 1.1 に示すよ
うに，スイッチングデバイス，回路，制御の三つの分野が挙げられる。まず，スイッチングデバイスとしては，半導体のスイッチを用いるのでその技術が一つ目の核となる。スイッチを用いて，オン，オフの動作を行わせる。つぎに，電気回路にこのスイッチを入れた非線形回路を用いてインバータや整流器などを構成するので，回路技術が二つ目の核となる。最後に，この電力変換器を制御し，あるいは，これと負荷を組み合わせたものを制御するための制御部が三つ目に核となる。これらの分野は，単独でも発展してきた分野であるが，パワ1.2 応用分野（動くもの，動かないもの)

5

図 1.1 パワーエレクトロニクスを構成する要素技術

ーエレクトロニクスではこれらの組合せ，および負荷の特性に応じた応用技術
により，独自の技術分野を形成している。これらに関して 2章以降で説明する。

ナ社

1.2 応用分野（動くもの，動かないもの)
パワーエレクトロニクスの応用分野は動くものと動かないものの二つに大別できる。すなわち，電力変換を行って電気エネルギーのまま利用する分野，および，その電気エネルギーを運動エネルギーなどに変換して利用する分野である。表にすると，表 1.2 のようになるが，具体例として図 1.2 に写真を掲げロた。これらはほんの一例であり，身の回りにはパワーエレクトロニクスの応用製品が数多く存在することに気づく。

コ

表 1.2 パワーエレクトロニクス応用分野★動くもの…主としてモータ駆動
家

電

エアコン，冷蔵庫，洗濯機，掃除機など

オフィス機器HDD，CD，プリンタなど

交

電気自動車，ハイブリッド電気自動車，電車，新幹線，エスカレー
タ，エレベータなど

通

産業用

工場内加工機械，産業用ロボット，クレーンなど

エンターテイメント

人間型ロボットなど★動かないもの…主として電気エネルギー源
電源

直流電源（コンピュータや各種電気機器用，充電器），無停電電源，
太陽光発電・系統連系，分散電源，風力発電など

産業用

直流送電，周波数変換，電力用アクティブフィルタなど

家

IH（調理用），照明など

電1. パワーエレクトロニクスの役割と基礎知識

コ

ロ

ナ
社

6

80kHz インバータで点灯する蛍光ランプ。全
光束は 60W 白熱電球と同等の 810lm（ルーメ ン），消 費 電 力 は 12W 。〔形 名：EFA 15/
12‑R，写真提供：東芝ライテック(株)〕(c‑1) 電球型蛍光ランプ

消費電力（直流駆動）を大幅に削減し，196lm/W を 実 現。〔LED ベ ー ス ラ イ ト
TENQOO シリーズ，写真提供：東芝ライテック(株)〕(c‑2) LED ベースライト

図 1.2 パワーエレクトロニクスの応用例

コ

ロ

ナ
社

1.2 応用分野（動くもの，動かないもの)

図 1.2 (つづき)78

1. パワーエレクトロニクスの役割と基礎知識

1.3 基 礎知識

パワーエレクトロニクスの勉強に必須な概念で，以下の章を理解するうえで必要となる基本的な数式をまとめておく。

1.3.1 平値と実効値

周期波形 ( ）に対して，その周期をとすれば，平値（ave）と実効値（rms）は，次式で与えられる。
1()
1［ ( )］ ＝

1.3.2 電

(1.1)

ナ
社

［ ( )］ ＝［ ( )］力(1.2)

電圧 ( )，電流 ( ) が与えられたとき，瞬時電力 ( ) と平ロ

たは，有効電力）は次式で求められる。ただし，周期を( )＝ ( ) ( )1( )( )

（ま

とする。
(1.3)
(1.4)

コ

＝

電力

1.3.3 三相交流，線間電圧，相電圧
A 相の相電圧が式（1.5）で与えられているとき，三相平衡している B お

よび C 相の相電圧

およびと，AB 相間の線間電圧は次式となる 。

＝

cos ω

(1.5)

＝

2
cos ω − π3(1.6)

日本の電力会社では，三相の名称を RST 相，UVW 相，ABC 相と呼んで会社により記号が異なっている。変圧器を介する場合は，一次側（高圧側）を大文字で，二次側（低圧側）を小文字（例えば，rst 相など）で表記することが多い。

7.9

応

用

例

231

を，実際の交流系統を用いて検証した 。

7.9 .5 プリウスや e‑POWER などの電動車両(1 ) 電動車の駆動系

電動モータを用いて駆動する自動車の歴史は古く，ガソリン自動車の誕生よりも前，1800年代後半に電気自動車が開発され，1900年代初頭には多くの電気自動車が実用化されていた。近年では環境問題に対して，自動車の駆動系（パワートレイン）の効率向上のためにエンジンと電動モータを持つハイブリッド電気自動車（HEV）が広く普及し，純粋な電気自動車（EV）の普及も本格化している。モータ，バッテリー，パワーエレ

ナ社

クトロニクスの進化が，電動パワートレインの効率向上と部品の小型化を実現
し，車両への搭載性を向上させるとともに HEV や EV などさまざまな種類の電動車の低コスト化と普及に貢献している。

電動車の駆動系はエネルギーを蓄えるバッテリー，駆動用の電動モータと，モータを駆動するインバータがおもな構成部品である。永久磁石型同期モータ

ロが小型であり高効率であるという点から広く用いられており，ほかには誘導モータや巻線界磁型同期モータを用いた EV も普及している。
ガソリンエンジンやディーゼルエンジンを搭載する HEV では，エンジンのコ

出力とモータの出力が車輪に対して並列に接続される。どちらでも駆動できる構成のことをパラレル HEV と呼び，エンジン出力が電力に変換され，その電力でモータを駆動する出力が直列に変換される構成のことをシリーズ HEV と呼ぶ。パラレル HEV ではエンジンで直接駆動することもできるが，シリーズ
HEV ではエンジンは発電のみに用いられ，モータのみで駆動する構成となる。また，その両方の機能を併せ持つシリーズ・パラレル HEV の構成もある。
表 7.4 に電動車の駆動系について，バッテリーへの外部充電の有無，車輪をモータのみで駆動するかエンジンでも駆動できるかで分類したものを示す 。
外部充電を行う EV とプラグイン HEV では商用電源からバッテリーを充電するための車載充電器を持ち，外部設備としての急速充電器から直流でバッテリ

232

7. システムとしてのパワーエレクトロニクス

コ

ロ

ナ
社

表 7.4 電動車の駆動系の種類

ーを充電する機能を持つものもある。HEV で外部充電が可能なプラグイン
HEV は，HEV よりも大きな容量のバッテリーを持ち，充電したエネルギー
で EV 走行が可能な距離を HEV よりも大幅に伸ばしている。一方で，外部充電 を し な い 構 成 と し て は，前 述 の HEV と し て シ リ ー ズ HEV，パ ラ レ ル
HEV，シリーズ・パラレル HEV の構成がいずれも普及しており，燃料電池で発電した電力で駆動する燃料電池電気自動車（FCEV）も実用化されている。構成車両の大きさ，使われ方，搭載性やコストなどの制約条件などにより，電動モータとエンジンのさまざまな最適な組合せ，さまざまな電動車の駆動系が開発されている。

索
ゲート制御信号アーム100
安全動作領域36
位相シフト量
105
位相制御角
158
一次冷却
207
インバータ
1,2
上アーム
100
埋込磁石同期電動機
142
永久磁石同期電動機140,142
オンオフ可制御デバイス 26
オン可制御デバイス
26

【か】

【こ】
降圧チョッパ
降伏現象
効 率
混合ブリッジ整流回路
コンバータ

コ
【き】

機械スイッチ27
基本波力率
11
逆阻止スイッチ
41
逆導通型スイッチ
39
キャパシタインプット形
整流回路
149
キャリア周波数
126
強制風冷
205

【く，け】
135
236

58
30
15
146
3

【さ】
サイクロコンバータ 3,175
サイリスタ
42
サイリスタ整流回路 146,156
サイリスタバルブ
227
サーミスタ
215
サーモスタット214
三角波比較法62
三相ダイオードブリッジ
整流回路
155
三相電圧形インバータ 108

スイッチングデバイス
水 冷
スナバ回路

4
205
19 1

【せ】
制 御
4
正弦波パルス幅変調
98
正弦波 PWM
235
正弦波 PWM 制御
124
整流回路
146
整流器
2,3
絶縁アンプ
214
センタータップ式整流回路172

【そ】

総合力率
11
双方向スイッチ
41,185
双方向チョッパ83
ソフト CPU コア
216
ソフトスイッチング
36

【し】

【た】

しきい電圧
19 6
下アーム
100
実効値
8
周波数制御
2
主回路
25
循環形サイクロコンバータ 176
昇圧コンバータ
237
昇圧チョッパ71
昇降圧チョッパ
74
シリーズ HEV
231
シリーズハイブリッドシステム
234シリーズ・パラレル HEV 231
自 冷
205
振幅制御
2

ダイオード
29
ダイオードクランプ方式 115
ダイオード整流回路
146
多重化変換器
189
ターンオフ
21
ターンオフ損失
21
ターンオン
20
ターンオン損失20
単相混合ブリッジ
整流回路
163
単相サイリスタブリッジ
整流回路
156
単相全波整流回路
147
単相ダイオードブリッジ
整流回路
147
単相電圧形インバータ 101
単相倍電圧整流回路
173

ロ

回 生
2,83,233
階調制御方式
119
回 路
4カスケードＨブリッジ方式 119
カスケード接続方式 115,118
可制御スイッチ
26
可制御デバイス
26
過電流
19 2
過負荷
19 2
過変調 PWM
235
可変電圧システム
236
可変電圧制御238
環流ダイオード
99

62

ナ
社

【あ行】

空間ベクトル変調
矩形波電圧位相制御

引【す】
スイッチング
14
スイッチング周波数 20,126
スイッチング損失 22,202【ち，つ】
中性点クランプ方式

116

引

チョークインプット形
整流回路
149 ,152
直接トルク制御法
143
直流リンク
99
直列多重インバータ
119
チョッパ
2,3
ツェナー電圧
30【て】非可制御スイッチ
26
非可制御デバイス
26
非循環形サイクロコンバータ
176
ヒステリシスコンパレータ方式
222
ヒステリシス制御
132
非同期式 PWM
132
表面磁石同期電動機
142【ふ】フォワードコンバータ
86
複合整流回路168
プッシュプルコンバータ 9 3
フライバックコンバータ 9 1
フライングキャパシタ方式
115,118
フルブリッジインバータ 104

【へ，ほ】

平 値
ベクトル制御
変換効率
変調度
飽和電圧
ホール CTコロ

低次高調波消去方式
PWM 制御123
ディジタル制御221
定常オフ損失21
定常オン損失21
定常状態
53
ディレーティング
19 0
デッドタイム108
デューティ比16
デューティ比制御
17電圧形インバータ96
電圧ベクトル109
電圧利用率の改善法
128
電気自動車
82,231
転 流
147
転流重なり角160
電流形インバータ
96
電流増幅
33
電流平滑作用
55
電力増幅
14
電力変換
14

【ひ】

【と，に】
同期式 PWM
トライアック
トランジスタ
二次冷却

132
179
31
207

【は】
倍電圧整流回路173
ハイブリッド電気自動車82,231
バイポーラ波形
126
ハーフブリッジインバータ101
パラレル HEV
231
パラレルハイブリッドシステム 234
パルス幅制御105
パルス幅変調制御
17

レ グ
レベル数
ローパスフィルタ

8
140,142
14
104
201
212

【ま行】

マトリックスコンバータ 3,184
マルチレベルインバータ 115
マルチレベルコンバータ 115
マルチレベル電力変換器 115
ミラー効果
19 7
無停電電源
138,222
モジュラーマルチレベル
カスケード方式
120
モード
64

【ゆ】
誘導電動機
ユニポーラ波形

139
127

【ら行】
理想スイッチ

16

100
115
57

【数字】
3倍調波注入法130
3レグインバータ 108,109
12パルス変換器
225【英語】
ANPC 方式
117
AVAF
138
CVCF
138
DC‑DC コンバータ
85
DC‑DC スイッチング
レギュレータ3
DSP
124,215,218
FPGA
215,220
FWD
99
GTO サイリスタ
43
HDL
219
IGBT
31
IM
139
IPMSM
142
MMC 方式120
MOSFET
31
NPC 方式
116
レベルダイオード
クランプ方式
116
PAM
133
PMSM
140
PWM
17,133
PWM 整流回路
166
PWM 整流器
2
SPM SM
142
SPWM
98
SVM
135
T 形方式
117
UPS
138,222
/ 制御
140
VVVF
138
Ｖ結線インバータ 108,114
V2L
233
V2H
233

ナ
社

索

254

編著者・著者略歴

横山
1988年
1994年

1994年
1998年
1999年
2000年
2007年
2009年

星
1992年
1997年

1997年
2005年
2008年
2014年

吉本
1997年
1999年
1999年
2001年
2010年
2020年

智紀（よこやま ともき)

船渡

横浜国立大学工学部電気工学科卒業
横浜国立大学大学院工学研究科博士課程後期修了（電子情報工学専攻)
博士（工学）
株式会社東芝勤務
東京電機大学助手
東京電機大学講師
東京電機大学助教授
東京電機大学准教授
東京電機大学教授
現在に至る

伸一（ほし のぶかず)

1987年
1989年
1989年
〜91年
1995年

寛人（ふなと ひろひと)
横浜国立大学工学部電気工学科卒業
横浜国立大学大学院工学研究科博士課程前期修了（電子情報工学専攻)
東京電力株式会社勤務
横浜国立大学大学院工学研究科博士課程後期修了（電子情報工学専攻)
博士（工学）
宇都宮大学助手
宇都宮大学助教授
宇都宮大学准教授
宇都宮大学教授
現在に至る

ナ
社

1981年
1983年
1986年
1996年
2019年

東京大学工学部電気工学科卒業
東京大学大学院工学研究科博士課程修了（電気工学専攻）
工学博士
米国ミズーリ大学電気工学科 Post‑Doctoral‑Fellow
米国ミズーリ大学 Assistant Professor
横浜国立大学助教授
横浜国立大学教授
横浜国立大学名誉教授
横浜国立大学寄付講座教授
現在に至る

ロ

1976年
1981年

篤男（かわむら あつお)

横浜国立大学工学部電子情報工学科
卒業
横浜国立大学大学院工学研究科博士課程後期修了（電子情報工学専攻)
博士（工学）
茨城大学助手茨城大学講師
東京理科大学准教授
東京理科大学教授
現在に至る

コ

河村

貫太郎（よしもと かんたろう）
横浜国立大学工学部電子情報工学科
卒業
横浜国立大学大学院工学研究科博士課程前期修了（電子情報工学専攻）
東日本旅客鉄道株式会社勤務
日産自動車株式会社勤務
博士（工学）（横浜国立大学）
東京電機大学准教授
現在に至る

1995年
2001年
2007年
2012年

吉野

1976年
1978年
1978年
2003年
2003年

小原
2010年
2015年

2015年
2016年
2019年
2021年

輝雄（よしの てるお)
横浜国立大学工学部電気工学科卒業
横浜国立大学大学院工学研究科修士課程修了（電気工学専攻)
株式会社東芝勤務
博士（工学）（横浜国立大学）
東芝三菱電機産業システム株式会社
勤務
現在に至る

秀嶺（おばら ひでみね）
千葉大学工学部電子機械工学科卒業
千葉大学大学院工学研究科博士後期課程修了（人工システム科学専攻）
博士（工学）
首都大学東京特任研究員
横浜国立大学助教
横浜国立大学寄附講座講師
横浜国立大学准教授
現在に至るパワーエレクトロニクス学入門（改訂版）
基礎から実用例まで

ナ社

Introduction to Power Electronics (Revised Edition)from Fundamentals to Applications
Kawamura, Yokoyama, Funato, Hoshi, Yoshino, Yoshimoto, Obara 2009, 2022
2 09年２月 27日
2 22年４月 30日

編 著 者
著
者

印 刷 所
製 本 所

河
村
篤
男
横
山
智
紀
船
渡
寛
人
星
伸
一
吉
野
輝
雄
吉
本
貫 太 郎
小
原
秀
嶺
株式会社
コ ロ ナ 社
代 表 者
牛 来 真 也新日本印刷株式会社
有限会社
愛千製本所

112‑0011
発 行 所

東京都文京区千石 4‑46‑10
株式会社
コ ロ ナ 社ロ

検印省略

初版第 １ 刷発行
初版第 13刷発行（改訂版）

コ

発 行 者

CORONA PUBLISHING CO., LTD.
Tokyo Japan

振替 00140‑8‑14844・電話(03)3941‑3131(代)
ホームページ https://www.coronasha.co.jp
ISBN 978‑4‑339‑00980‑4 C3054 Printed in Japan(松岡)＜出版者著作権管理機構 委託出版物＞
本書の無断複製は著作権法上での例外を除き禁じられています。複製される場合は，そのつど事前に，出版者著作権管理機構 (電話 03‑5244‑5088，FAX 03‑5244‑5089，e‑mail: info＠jcopy.or.jp) の許諾を得てください。
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