2024年度学院等開講科目工学院電気電子系

パワーエレクトロニクス

開講元: 電気電子系
担当教員: 鈴木裕生 / 藤田英明 / 佐野憲一朗
授業形態: 講義 (対面型)
メディア利用科目: -
曜日・時限 (講義室): 火5-6 (M-124) / 金5-6 (M-124)
クラス: -
科目コード: EEE.P311
単位数: 200
開講時期: 2024年度
開講クォーター: 1Q
シラバス更新日: 2025年3月14日
使用言語: 日本語

シラバス

授業の目的（ねらい）、概要

　パワー半導体デバイスのスイッチング作用を利用した電力変換装置とその応用を扱う分野は，パワーエレクトロニクスと呼ばれている。本講義では，パワーエレクトロニクスの基礎としての各種電力変換装置の動作原理と応用を講述する。具体的には，パワーエレクトロニクスの基礎，変換器の電圧源・電流源動作，受動素子（変圧器，コンデンサ，インダクタ）の役割，各種電力用半導体素子（パワーデバイス）の特徴と特性，直流チョッパ（降圧，昇圧，昇降圧），絶縁形DC-DCコンバータ，ダイオード整流器，チョークインプット形整流器，コンデンサインプット形整流器，インバータの基礎と動作原理，単相インバータ，三相インバータ，電流形インバータ，NPCインバータ，パワーエレクトロニクスの応用に関して講述する。
　パワーエレクトロニクスは多様な分野で電力を効率よく利用するためのキーテクノロジーであり，エネルギー問題や環境問題への対応が迫られている中で，その重要性がこれまでにも増して高まってきている。また，パワーエレクトロニクスは電気機器（電気回路），制御工学，エレクトロニクスの複合学問であり，パワーエレクトロニクスを学習することで，電気機器（電気回路），制御工学，エレクトロニクスの知識の深化が同時に達成できる。パワーエレクトロニクスの重要性を認識した上で，積極的な態度で講義に臨むことを期待する。

到達目標

　本講義を履修することによって次の能力を修得する。
１）各種パワー半導体デバイス（ダイオード，サイリスタ，IGBT，MOSFET等）のスイッチとしての特性を理解し，得失を比較できる。
２）パワーエレクトロニクスにおける受動素子（変圧器，コンデンサ，インダクタ）の役割と必要性を理解し，電圧源・電流源を形成する為に使用できる。
３）各種DC-DC変換器の動作原理，特長を理解し，電圧比・リプル電圧幅・リプル電流幅を求めることができる。
４）各種AC-DC変換器（整流器）の動作原理を理解し，直流電圧値を計算できる。
５）各種DC-AC変換器（インバータ）の動作原理を理解し，変調波方式・高調波分布の得失を比較できる。

キーワード

パワーエレクトロニクス，パワー半導体デバイス，直流チョッパ，絶縁型DC-DCコンバータ，ダイオード整流器，インバータ

学生が身につける力

専門力
教養力
コミュニケーション力
展開力 (探究力又は設定力)
展開力 (実践力又は解決力)
・電気電子分野の応用専門力

授業の進め方

毎回の講義は，基本的にはパワーポイントを使用して行います。パワーポイントの内容は教科書の内容を補完する物であり，毎回の講義資料はT2SCHOLAにアップロードします。全ての授業は対面で行います。

授業計画・課題

	授業計画	課題
第1回	パワーエレクトロニクスの基本　－半導体電力変換器の基礎，半導体スイッチ，受動素子の役割，電源と負荷，電圧源と電流源，電力変換の各種形態	パワーポイント資料と，教科書１ページから14ページ目を精読し，半導体電力変換器の基礎，電源と負荷の関係，電圧源と電流源の動作を理解する。
第2回	パワー半導体デバイス1 　－半導体シリコンの物性，pn接合とダイオード，ダイオードの過渡特性，スナバ回路	パワーポイント資料と，教科書16ページから27ページ目を精読し，ダイオードの基礎特性，パワーデバイスの保護手法を理解する。
第3回	パワー半導体デバイス2 　－パワートランジスタ，サイリスタ，GTO・GCTサイリスタ	パワーポイント資料と，教科書27ページから38ページ目を精読し，パワートランジスタ，サイリスタ，MOSFETの基礎特性を理解する。
第4回	パワー半導体デバイス3 　－MOSFET, IGBT，PM・IPM，ゲート駆動回路，次世代パワーデバイス（SiC，GaN）	パワーポイント資料と，教科書38ページから54ページ目を精読し，MOSFET, IGBT, 次世代パワーデバイスの基礎特性を理解する。
第5回	直流-直流変換1 　－直流-直流変換器の概要，降圧チョッパと昇圧チョッパの動作原理	パワーポイント資料と，教科書66ページから70ページ目を精読し，直流-直流変換の動作原理を理解する。
第6回	直流-直流変換2 　－双方向チョッパ，昇降圧チョッパ, 四象限チョッパの動作原理	パワーポイント資料と，教科書70ページから71ページ目, および88ページから99ページを精読し，各種チョッパ回路の原理を動作理解する。
第7回	直流-直流変換3 　－絶縁型DC-DCコンバータ(フライバックコンバータ&フォワードコンバータ)の動作原理	パワーポイント資料と，教科書100ページから107ページ目を精読し，絶縁型DC-DCコンバータの動作原理を理解する。
第8回	理解度確認演習，講義内容の流れの説明　－第1回から第7回までの内容の演習形式による確認	第1回から第7回までの理解度確認と到達度自己評価
第9回	交流-直流変換（整流器）1 　－整流器の概要，純抵抗負荷時の整流器, インダクタの作用	パワーポイント資料と，教科書177ページから184ページ目を精読し，純抵抗負荷時の整流器動作，およびインダクタの作用を理解する。
第10回	交流-直流変換（整流器）2 　－環流ダイオードの作用，交流条件と直流偏磁, 電流の重なり	パワーポイント資料と，教科書185ページから192ページ目の精読し，環流ダイオードの作用, 電流の重なりを理解する。
第11回	交流-直流変換（整流器）3 　－コンデンサインプット整流回路，12パルス整流回路, サイリスタ整流器，PWM整流器，PFC整流回路	パワーポイント資料と，教科書192ページから218ページ目を精読し，各種整流回路を理解する。
第12回	直流-交流変換（インバータ）1 　－インバータの概要，インバータの分類，単相フルブリッジインバータ	パワーポイント資料と，教科書115ページから122ページ目を精読し，インバータの動作原理を理解する。
第13回	直流-交流変換（インバータ）2 　－PWMの原理，単相・三相フルブリッジPWMインバータ，NPCインバータ	パワーポイント資料と，教科書165ページから168ページ目を精読し，PWMの原理を理解する。
第14回	直流-交流変換（インバータ）3 －三相PWM変換器の電流制御，高圧・大容量パワーエレクトロニクス，モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器	パワーポイント資料と，教科書126ページから135ページ目を精読し，電流制御の原理と最新の高圧・大容量パワーエレクトロニクス技術を理解する。

準備学修(事前学修・復習)等についての指示

学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する予習と復習（課題含む）をそれぞれ概ね100分を目安に行うこと。

教科書

金東海『パワースイッチング工学[改訂版]』電気学会,　ISBN 978-4-88686-296-9 C3054

参考書、講義資料等

特になし

成績評価の方法及び基準

パワーエレクトロニクスの基礎，パワー半導体デバイス，直流-直流変換，整流器，インバータについて，課題（30%），理解度確認演習（35%）, 期末試験（35%）によりその理解度を評価。

履修の条件・注意事項

電気回路第一，電気回路第二，電気機器工学，制御工学などを履修しておくことが望ましい。

その他

T2SCHOLAによりクイズ、試験、宿題、アンケートなどを行います。ネットに接続するモバイル機器を持参してください。