RESEARCH

本研究室の研究分野は「パワーエレクトロニクス (power electronics)」です。

パワーエレクトロニクスは、パワー半導体デバイスのスイッチング動作を活用し、電力の形態(直流や交流，振幅や周波数)を用途に応じて効率良く変換する技術です。優れた制御性や省エネルギー性から、産業のみならず、家電や自動車、さらには航空機まで適用分野を広げ続けています。現在、パワーエレクトロニクス技術は、電気を扱うほぼすべての製品・システムで使用されており、まさに「縁の下の力持ち」として、現代社会において重要な役割を果たしています。

The research field of this laboratory is "power electronics".

Power electronics is a technology that utilizes the switching operation of power semiconductor devices to efficiently convert the form of electrical power (direct current, alternating current, amplitude, frequency) according to the application. Due to its excellent controllability and energy efficiency, its application fields continue to expand, not only in industry, but also in home appliances, automobiles, and even aircraft. Today, power electronics technology is used in almost all products and systems that handle electricity, and it plays a vital role in modern society as the "unsung hero".

家庭用太陽光発電システムにおけるパワーエレクトロニクスの活用例

（太陽光パネルの発電電力(直流)を、インバータにより交流に変換し、家庭のコンセントに連係している）

一方で、パワー半導体デバイスの高速スイッチングによる急峻な電圧・電流の変動により、高周波電磁ノイズが生じます。電磁ノイズは、周辺の通信機器に電磁干渉を及ぼし、パワーエレクトロニクス機器と通信ネットワークが協調して動作するシステム全体の破綻を招きます。

On the other hand, high-frequency electromagnetic noise is generated by the rapid fluctuations in voltage and current caused by the high-speed switching of power semiconductor devices. Electromagnetic noise causes electromagnetic interference with the surrounding communication devices, and can lead to the collapse of the entire system, in which power electronics devices and communication networks operate in coordination.

パワーエレクトロニクス機器と通信ネットワークの電磁干渉

そこで本研究室では、パワーエレクトロニクス機器における電磁ノイズの発生メカニズムの解明、およびそれらに基づく効率的なノイズ抑制手法の確立、あるいはパワーエレクトロニクス機器の情報通信技術との連携による高性能化などを目指した研究をおこなっています。

以下に代表的な研究内容を紹介します。

In this laboratory, we are conducting research aimed at elucidating the generation mechanisms of electromagnetic noise in power electronic devices, establishing efficient noise suppression methods based on these mechanisms, and improving the performance of power converters through collaboration with information and communication technology.

The following is an introduction to some of our typical research topics.

入出力コモンモードノイズのパッシブキャンセレーション

Passive Cancellation of Input and Output Common-Mode Noise

モータドライブシステムにおいて，三相PWMインバータが発生するコモンモード電圧が，EMI(electromagnetic interference: 電磁障害)の主要因となります。また，パワー半導体デバイスとヒートシンク間の浮遊容量に起因して，コモンモード電圧はインバータの入出力に分圧されて現れます。

本研究では，インバータの入出力双方においてコモンモード電圧を同時にキャンセルする手法を提案しています。提案手法では，インバータの各相電圧を検出し，コモンモードトランスを介して足し合わせることで逆位相のコモンモード電圧を生成します。ノイズ源であるコモンモード電圧をキャンセルできるため，既存のノイズ抑制手法と比較して大きなノイズ減衰量を得ることが期待できます。また，コモンモード電圧の検出には，正弦波フィルタなど，大型の部品を必要とせず，従来手法と比較して小型・軽量なノイズキャンセル手法を実現しています。

本研究成果は，単相PWMインバータやAC-DC変換器など，他のアプリケーションにも幅広く適用が可能です。

In motor drive systems, the common-mode voltage generated by three-phase PWM inverters is a major cause of electromagnetic interference (EMI). In addition, due to the stray capacitance between the power semiconductor device and the heat sink, the common-mode voltage appears as a voltage divider between the inverter's input and output.

In this study, we propose a method for simultaneously canceling common-mode voltages at both the input and output of the inverter. In the proposed method, the phase voltages of the inverter are detected and summed via a common-mode transformer to generate a common-mode voltage in the opposite phase. Since the common-mode voltage, which is the source of noise, can be canceled, it is expected to achieve a greater amount of noise attenuation compared to existing noise suppression methods. In addition, the detection of common-mode voltages does not require large components such as sine wave filters, and the proposed noise cancellation method is smaller and lighter than conventional methods.

The results of this research can be applied to a wide range of other applications, such as single-phase PWM inverters and AC-DC converters.

アクティブEMIフィルタリング技術の開発

Development of Active EMI Filtering Method

EMIフィルタ構成部品の中で，フィルタインダクタは非常に大きな体積・重量を占めます。しかし，フィルタインダクタの小型化には，透磁率や飽和磁束密度といった使用する磁性材料の磁気特性による制限が存在します。

そこで本研究では，オペアンプなどの能動素子を用いて，検出したノイズ電圧が零となるように、逆位相の補償信号を印加するアクティブフィードバック(AFB)回路をEMIフィルタに適用しました。AFB回路の補償動作により，高周波領域においてフィルタキャパシタの静電容量は等価的に増加します。これにより，小型のインダクタを使用しても，受動素子のみで構成したEMIフィルタの減衰量と同等の減衰量を得ることができます。

Among the components of an EMI filter, the filter inductor accounts for a very large volume and weight. However, there are limitations on the miniaturization of the filter inductor due to the magnetic properties of the magnetic materials used, such as permeability and saturation flux density.

In this study, we applied an active feedback (AFB) circuit to an EMI filter that uses active elements such as operational amplifiers to apply a compensating signal of opposite phase so that the detected noise voltage becomes zero. The compensation operation of the AFB circuit causes the capacitance of the filter capacitor to increase equivalently in the high-frequency range. This allows the same level of attenuation as an EMI filter composed of passive elements alone to be achieved even when using a small inductor.

磁気部品の統合によるEMIフィルタの小型化

Miniaturization of EMI Filters through the Integration of Magnetic Components

パワーエレクトロニクス機器の各部に取り付けられる複数のフィルタインダクタを磁気的に結合させ、1つの部品に統合した構造のEMIフィルタを提案しました。提案構造により、減衰特性を大きく変化させることなく、EMIフィルタの部品点数と体積の削減を実現しています。

We have proposed an EMI filter with a structure that integrates multiple filter inductors that are attached to various parts of power electronics equipment into a single component by magnetically coupling them. The proposed structure reduces the number of parts and volume of the EMI filter without significantly changing the attenuation characteristics.