第 204 号・2024 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

環境エネルギー

強制空冷式150kW 絶縁型
双方向 DC-DC コンバータの小型化

Downsizing of Forced Air-Cooled 150-kW Isolated Bidirectional DC-DCConverter
＊

小倉正嗣

高山雄利

Masashi Ogura

前地洋明

栗尾信広

Hiroaki Maeji

Yuto Takayama

清水健介

松原克夫

Kensuke Shimizu

Nobuhiro Kurio

Yoshio Matsubara

強制空冷式150kW 絶縁型双方向 DC-DC コンバータを、水冷式と同等な電力密度2kW/L を目指し開発した。主要コンポーネントである変圧器の冷却性能の向上を図ると同時に、パワー半導体と変圧器の冷却器の共通化を行い、さらに、パワー半導体のスイッチング損失の低減、全体損失を最小化する独自制御の開発などによって、日新電機㈱の水冷式絶縁型双方向 DC-DC コンバータと同等の小型化を達成した。

We have successfully developed a forced air-cooled 150-kW isolated bidirectional DC–DC converter, aiming to achieve apower density of 2 kW/L, equivalent to a water-cooled system. This was achieved by improving the cooling performanceof the transformer, a major component, integrating the cooler for the power semiconductor and transformer, reducing theswitching loss of the power semiconductor, and implementing a novel control system that minimizes the overall loss.
These efforts have led to the miniaturization of our converter, comparable to our water-cooled isolated bidirectional DC-DCconverter.
キーワード：絶縁型双方向 DC-DC コンバータ、小型化、高周波変圧器、強制空冷、3レベル位相シフト制御

1.

緒言（図1）。日新電機㈱（以下、日新電機）では、水冷式を採2050年カーボンニュートラルの達成に向け、太陽光発用した DAB コンバータ（以下、水冷式 DAB コンバータ）

電を中心とした再生可能エネルギーに加えて蓄電池が大量を開発し（2）、日新電機の「日新アカデミー研修センター」導入されつつある（1）。蓄電池を直流配電システムとして接において長期信頼性を検証中である（3）、（4）。

続する場合、充放電に必要な双方向の電力伝送機能と、局部地絡などの全系波及事故を防ぐための絶縁機能を備えた

今回、水冷式よりニーズが高い強制空冷式の DAB コンバータを開発したので、詳細を紹介する。

DC-DC コンバータが必要である。また、蓄電池システムがビルなどのスペースが限られた施設に設置されることを考えると、DC-DC コンバータの小型化も重要である。
このような背景から、双方向の電力伝送機能と絶縁機能を

2.

強制空冷式150kW DAB コンバータの概要2－1

開発コンセプトとターゲット具備する Dual Active Bridge 方式の絶縁型双方向 DC-DC

高い冷却性能を有する方式として水冷式が知られるが、コ ン バ ー タ（以 下、DAB コ ン バ ー タ）が 期 待 さ れ て い

DAB コンバータ本体は小さいものの、冷媒を循環させるポる。DAB コンバータは、中間に変圧器を有し、左右双方ンプや冷媒の冷却装置などの補機を必要とするため、装置にパワー半導体がフルブリッジ接続された回路構成をもつ全体としての小型化は難しい。
今回、装置全体の小型化および保守の容易性を考慮し、「強制空冷式を用いた DAB コンバータの小型化」を開発コ

12ンセプトとした。小型化の指標には電力密度※1を用いた。
日新電機の水冷式 DAB コンバータの電力密度は2.0kW/L程度（ポンプ等の補機を除く）であったことから、今回開発する強制空冷式 DAB コンバータ（冷却装置全体を含む）も水冷式と同等の電力密度2.0kW/L を目標とした。
2－2外観と仕様

開発品の外観を写真1に、仕様を表1に示す。定格電力150kW に対し、体積を75.6L と開発目標2.0kW/L を達成できた。次に、DAB コンバータの小型化の要点について述
図1

一般的な DAB コンバータの回路構成べる。
強制空冷式150kW絶縁型双方向DC-DCコンバータの小型化

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差 X のみで簡便に制御することができるが、出力電圧が2値であり、印加電圧幅は180°に固定される。変圧器の鉄損は印加電圧幅に応じて増減し、2レベル位相シフト制御では低出力時においても定格出力時と同等の鉄損が発生するため、低出力時の効率が低下するという課題がある。

480mm

本課題を解決するため、独自の3レベル位相シフト制御を開発した。これは、レグ1とレグ2の位相差 Y、およびレグ3とレグ4の位相差 Z を調整し、0V 区間を含む3値の電圧を出力する（図2）もので、制御対象の位相差が X、Y、Z450mmの3つとなるため制御は複雑化するが、印加電圧幅の調節350mm

写真1が可能となる。
低出力時における、印加電圧幅に対する変圧器とパワー強制空冷式150kW DAB コンバータの外観

半導体の損失特性の概念図を図3に示す。短い印加電圧幅で出力する場合、変圧器の鉄損は小さいが、パワー半導体
強制空冷式150kW DAB コンバータの仕様の損失は大きくなる。一方、長い印加電圧幅で出力する場

項目

仕様

合、変圧器の鉄損は大きいが、パワー半導体の損失は小さ

定格電力

150kW

定格電圧

750V：750V

定格電流200A：200A

スイッチング周波数15kHz

回路構成

DAB構成
（高周波変圧器方式）

冷却方式

強制空冷

外形寸法
（幅・奥行き・高さ）

350×450×480mm（キャスター除く）

体積75.6L

電力密度

2.0kW/L

表13.

くなる。つまり、位相差 X、Y、Z の組み合わせは無数に存

123Eb

Eavavb1

DAB コンバータの小型化への要点

DAB コンバータを高周波化することにより変圧器の小型化を追求した。しかしながら、高周波化に伴ってパワー半2va

2+Ea+Ebvb

0

導体のスイッチング損失※2が増加し、変圧器では鉄損や巻-Eb-EaX線損失が増加する。したがって、開発目標を達成するためには、強制空冷の冷却性能を向上するとともに、発生損失を低減することが必要である。以上を考慮し、次のような小型化のための取組みを行った。
3－14va3vb

02相流循環型冷却器の採用

Y

3,4ZX

冷却器には2相流循環型ヒートシンクを採用した。これ
により、冷媒の沸騰／凝縮を利用し、効率よく冷却する構

1,2

図2

DAB コンバータの等価回路と位相シフト制御造となっている。また、この製品の両面冷却できる特徴を活かし、後述のように、パワー半導体と変圧器をそれぞれの冷却面に配置して冷却し、冷却器の共通化を図った（3－3参照）。
3－2

3レベル位相シフト制御による損失最小化

まず、パワー半導体には、高速スイッチング特性に優れた V 溝型 SiC トレンチ MOSFET（5）を採用した。
DAB コンバータの基本的な制御方式として、2レベル位相シフト制御が挙げられる。これは、左右のブリッジ接続からの出力電圧間の位相差 X を調整することにより双方向の電力伝送を行うものである。この場合、制御対象は位相

図3

印加電圧幅（位相差）と損失の関係
強制空冷式150kW絶縁型双方向DC-DCコンバータの小型化

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在するが、合計損失が最小となる条件が存在する。今回開発した3レベル位相シフト制御では、常に合計損失が最小となるようにそれぞれの位相差の値を決定している。
3－3

強制空冷式高周波変圧器の開発

A-A

DAB コンバータのコンポーネントで大きな割合を占めるものとして、冷却器のほかに、リアクトルや変圧器等の巻線機器が挙げられる。そこで、強制空冷式高周波変圧器の小型化開発を行った。
まず、高周波特性に優れる鉄芯、巻線を採用し、損失低減を図ると同時に、鉄芯や巻線の損失を効率よく外部に放（a）全体図熱する冷却構造を開発した。パワー半導体と変圧器の冷却器を共通化することにより（図4）、スペースを有効活用している。さらに、DAB コンバータの動作上必要となるインダクタンス成分を変圧器の漏れインダクタンスで代用することにより、リアクトルを省略した。今回開発した強制空冷式高周波変圧器の仕様を表2に示す。
（1）冷却構造
パワー半導体と変圧器の冷却構造と放熱経路を図4に示す。開発した変圧器では、鉄芯および巻線の発熱部に、銅やアルミ等の熱伝導率が高い金属製の伝熱板を押し当て、伝熱板を経由して各部の発熱を冷却器に伝える構造を採用した。この冷却構造には、置く向きに制約がない、密閉空間へ配置できる、および冷却器の冷却方式は問わない（水（b）A-A 断面図冷式にも適用可能）、という特徴がある。
各損失の放熱経路は以下のとおりである。

図4

パワー半導体と変圧器放熱経路

表2強制空冷式高周波変圧器の仕様（a）鉄損
 鉄芯にはカットコアを採用し、中央部で2分割したものにそれぞれ独立した伝熱板を張り付け、左右の冷却器へ均等に放熱している。

項目

仕様（b）巻線損失

定格容量225kVA

周波数15kHz

絶縁階級

F種

定格電圧

750V：750V

定格電流300A：300A

冷却方式

強制空冷

外形寸法（幅・奥行き・高さ）

262×217×178mm

体積10L

重量32kg

電力密度22kVA/L 図4（b）に示すように、内側巻線と外側巻線に分け、それぞれが左右の冷却器へ巻線損失を放熱している。
（2）巻線の絶縁冷却
高電位部の巻線に伝熱板を押し当てる際には、間に絶縁物を挟んで電気絶縁する必要がある。ただし、通常絶縁物は、熱伝導率が小さく、熱抵抗が大きい。そこで、本変圧器では、伝熱板に高熱伝導樹脂を薄く塗布することで、絶縁性能と冷却性能を両立する絶縁冷却構造を採用した。また、巻線および伝熱板を最終的に絶縁性樹脂でモールドすることにより、絶縁の信頼性を確保した。図5に巻線と伝熱板間の主絶縁部の模式図を示し、表3に変圧器の絶縁仕様を示す。絶縁耐圧は JIS C 8980を参考に3,000Vdc とした。また、本開発品は高周波で使用するため、定格電圧で部分放電が発生すると、急速に絶縁材料の劣化が進み最終的には絶縁破壊に至る。そこで、定常運転時に、確実に部分放電が発生しないよう、DAB コンバータの定格電圧（表1）の倍電圧1,500Vdc でコロナフリーとした。

図5

主絶縁部

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表3

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絶縁仕様

100項目

判定値

絶縁耐圧

3,000Vdc（1min）

部分放電

1,500Vdcでコロナフリー

4.

[%]

90

実機試験

図6に 試 験 回 路、図7に 定 格 電 圧750V で 定 格 電 力150kW を出力した時の試験波形、図8に電力変換効率を示す。
定格電力150kW 出力（電力密度2.0kW/L）で連続運転

80し、各部の温度を測定した結果、全て設計範囲内であり、50100[kW]問題ないことを確認できた。
電力変換効率は、定格出力時97.7％、最高効率98.0％

図8150

電力変換効率（70kW 出力時）を達成した。出力された電圧波形に0V 区間を含んでおり、電力変換効率も負荷率5％出力時から90％以上と高い値を示し、提案する3レベル位相シフト制御による損失最小化の適用効果を実証した。なお、ここで示し

以上、強制空冷式で水冷式並みの電力密度2kW/L のた電力変換効率は制御回路やファンなどの補機損を含む。

DAB コンバータを開発し、問題なく運転できることを検証できた。

5.

結

言

強制空冷式150kW 絶縁型双方向 DC-DC コンバータをia開発した。実機試験にて定格電力150kW 出力（電力密度2.0kW/L）を達成し、強制空冷式で水冷式並みの小型化を750[V]達成した。
提案した3レベル位相シフト制御は、再生可能エネルギーvbva
図61,000

発電や蓄電池のように出力電圧変動が大きい場合に、損失低減効果が高い特長を有する。直流配電システムにおいても非常に有効な DC-DC コンバータ技術と考えられる。

試験回路

[V]va

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーvb

※1

電力密度

単位体積あたり取り出せる電力。電力密度＝定格電力÷体

00V

0V

0V

500[V/div]

積。単位は W/cc、kW/L。
※2-1,000

20[usec/div]

[A]
200

スイッチング損失

パワー半導体がオン／オフ（スイッチング）する際に発生する損失。スイッチング周波数が高いとスイッチング回数が増え、スイッチング損失も増加する。

ia

0200[A/div]-200020

図74060[usec]

80

100

定格電力150kW 出力時の試験波形
強制空冷式150kW絶縁型双方向DC-DCコンバータの小型化

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参 考 文 献（1）	経済産業省資源エネルギー庁、「2050年カーボンニュートラルの実現に向けた検討」（2021年1月）		https://www.enecho.meti.go.jp/committee/council/basic_policy_subcommittee/036/036_005.pdf（2）	小倉正嗣 他、「絶縁型双方向 DC-DCコンバータの開発」、日新電機技報 Vol.65 No.1、pp.47-51（2020年4月）（3）	黒田和宏 他、「直流配電システムの開発」、日新電機技報 Vol.65 No.1、pp.33-41（2020年4月）（4）	藤原基伸 他、「持続的な成長を支えるスマート電力システム（SPSS）」、
日新電機技報 Vol.66 No.2、pp.46-59（2021年11月）（5）	金田達志 他、「V 溝型 SiCトレンチ MOSFET 搭載パワーモジュール」、住友電工テクニカルレビュー第202号、pp.95-99（2023年1月）

執 筆 者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
小倉正 嗣＊ ：日新電機㈱前地

洋 明 ：日新電機㈱清水健 介 ：日新電機㈱高山雄 利 ：日新電機㈱博士（工学）

栗尾

信 広 ：日新電機㈱松原克 夫 ：日新電機㈱ 技監
博士（工学）

主任

参与

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＊主執筆者

出典元
小倉 正嗣 他、
「強制空冷式150kW 絶縁型双方向 DC-DCコンバータの小型化」日新電機技報 Vol.68、No.2、pp.57-62（2023年12月）

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