新型共振DC-DCコンバータでEV急速充電効率96.1%を達成
電気自動車（EV）の急速充電技術と再生可能エネルギー統合において画期的な進展が報告された。中国の研究チームが次世代共振型DC-DCコンバータを開発し、従来を大幅に上回る電圧範囲で96.1%という驚異的な効率を実現した。この技術は電力変換システムの長年の課題を克服し、コンパクトかつ信頼性の高い充電インフラの構築に新たな可能性を拓く。
電力変換技術の革新背景
世界的な電化の加速に伴い、高速充電ステーションから車載充電器、太陽光インバータまで、広範囲な電圧変換を高効率で実現するパワーエレクトロニクスの需要が急増している。従来のLLC共振コンバータはソフトスイッチング特性と高電力密度が利点だが、EVバッテリーの充電状態の大幅な変動や太陽光発電の照度変動に対応する際、動作周波数の調整に伴うスイッチング損失や電磁ノイズの増加が課題だった。特に負荷変動時の電圧ゲイン特性の不安定性は、制御システムの設計を複雑にしていた。
革新的なデュアルモード制御の核心
上海電力大学の龔春陽氏を中心とする研究チームは、この課題を解決するため共振ネットワークと制御戦略を根本から再設計した。開発された二つの新トポロジー（LLC_LC型とLLCLC型）は、二次側にマルチモードPWM（パルス幅変調）電圧増倍整流回路を採用し、負荷変動に依存しない電圧ゲイン制御を可能にした。
第一のLLC_LC型コンバータは一次共振周波数に固定された動作周波数で作動。従来の周波数変調（PFM）方式ではなく、二次回路の整流モードをFD（全波整流→倍電圧）とDQ（倍電圧→四倍電圧）の二種類で動的に切り替える。これにより磁気部品の設計を簡素化し、コア損失を最小化。負荷状態に関わらず安定した単調増加のゲイン特性を実現した。
第二のLLCLC型コンバータでは、PFMとPWMを複合したハイブリッド制御を採用。低ゲイン領域ではPFMによる周波数調整、中・高ゲイン領域では二次側PWM整流を適用することで、1:6.2という広範な電圧変換範囲を獲得した。この幅はEVの充電プロセス全般（高電流充電から高電圧仕上げ充電まで）を単一コンバータで処理可能にする。
高効率の秘密：高調波の積極利用
両システムの最大の特徴は、従来はノイズと見なされていた高調波成分を積極的に電力伝送に活用する点にある。三次高調波成分の伝送経路を最適化することで、基本波成分への負荷を軽減。特にLLC_LC型では全ゲイン領域で三次高調波伝送量を最適化し、LLCLC型では品質係数（Q値）の厳密な設計により無効循環電流を大幅に抑制した。
実験プロトタイプでの検証では、LLCLC型がPWM_DTモードで96.1%のピーク効率を記録。電力損失の主要因であるスイッチング損失については、全アクティブスイッチでゼロボルトスイッチング（ZVS）を達成し、放熱負荷の低減と信頼性向上を両立させた。
実用化に向けた優位性
- 制御の簡素化：各動作モードごとに1組のスイッチ制御のみを要する
- 磁気部品の小型化：狭帯域周波数特性に対応した最適設計が可能
- 熱管理の容易化：高効率化により冷却システムの簡略化を実現
- 電磁ノイズ低減：固定周波数動作とZVSの組み合わせによる
EV車載充電器（OBC）への適用例では、従来システムに比べ30%以上の小型化と15%の軽量化が見込まれる。直流急速充電器では異なるグリッド電圧への柔軟な対応が可能となり、太陽光発電システムでは部分影条件での発電効率向上が期待される。
社会実装への展開可能性
この技術はモジュラー設計の特性を活かし、産業用高電力システムからスマートグリッド用ソリッドステート変圧器まで幅広い応用が想定される。特にエネルギー貯蔵システム（ESS）との連携では、充放電サイクルの効率改善によるシステム寿命延伸効果が期待できる。
研究チームは今後、L3C共振ネットワークや周波数適応型位相シフト制御などの新手法を検証し、無効電流の更なる低減を目指すと表明。今回の成果は、カーボンニュートラル社会実現に向けた電力変換技術の重要なマイルストーンとなると評価されている。
著者：
龔春陽（上海電力大学）
夏暁（上海交通大学）
鮑軍、鄭健、陳輝、陳暁林、王志新、黄冬梅（上海電力大学／シュナイデルエレクトリック中国／上海西龍科技／上海正泰電源）
掲載誌：
Power System Protection and Control
DOI：
10.19783/j.cnki.pspc.230666