基礎から学ぶコンバータ回路におけるEMI対策

パワーエレクトロニクスの要であるスイッチング電源回路（インバータやコンバータ）は，配電系の電力を負荷が必要とする電力形式（電圧や電流の振幅，周波数，相数など）に変換する役割を担っている。この電源回路は，組み込まれている部品の種類（半導体スイッチ，コイル，コンデンサ，トランス，制御ICなど）が多種多様であるため，パワエレ技術者は電気回路，半導体デバイス工学，制御理論，電子回路，熱伝導工学，実装技術，電磁気学など多岐にわたる知識が必要となる。なかでも，最近のパワエレ技術の爆発的な普及には，その頭脳にあたる制御用マイクロプロセッサの発展が大きく関わっている。制御回路ICが低コストで提供され，スイッチング電源回路の普及が進むことで，ますます高度なディジタル処理技術の知識も必要になってきた。 そこで，無駄なエネルギーを使わず，少しの努力で最大の効果を得るべく分野横断型の基礎学問の習得に重点を置いた勉強をして，しっかりと基礎を固めてより高いレベルで議論できるパワエレ技術者を目指してほしいとの思いから「シリーズ 基礎から学ぶスイッチング電源回路とその応用」を刊行する運びとなった。 本シリーズは、大学における工学教育と企業における実務教育の橋渡しを想定しており、物理現象のイメージや理論面をやや重視した内容になっている。シリーズ全体を通して学ぶことで、インバータやコンバータなどの設計はもちろん、機器の故障・動作不良に際して科学的な方法で原因を究明し問題解決にあたる高度な技術者になることを期待している。 シリーズ第4巻の本書は，前半の1章から7章で，パワーエレクトロニクス回路で特に配慮すべきスイッチングによる電磁界ノイズ（EMI: electromagnetic interference）の発生原因とその解決法を電磁気学の理論に基づいて説明する。スイッチング電源回路の電力損失を抑える最善の方法は，回路の無駄な動き（電圧・電流の振動）を極力排除することにある。電磁界発生の少ない配線を心掛けるだけでも電流・電圧に無駄な動き（振動）が減り（電磁界放射の低減），必然的に省エネになる。後半の8章以降では，回路技術の視点から，パワー素子の電力損失や過剰ストレスの低減法，コイルやトランスに関係する発熱要因とその解決法など，実践的な省エネ・スイッチング電源の部分回路技術を扱う。 電磁気学にまで立ち戻って基礎を勉強し直し，原理・原則に基づくEMIの原因究明とその対策を知ることは，より高度な設計者への近道である。まずは，基本となるマクスウェルの電磁界方程式を基にノイズ発生のメカニズムとその伝搬現象を理解するところから始めよう。