首都大学東京のパワーエレクトロニクス研究室での研究について教えてください。
和田教授｜パワーエレクトロニクスの回路、回路、要素技術の応用を幅広く扱っています。特定の分野に特化するのではなく、基礎技術をできるだけ幅広くカバーし、その技術がどのように応用できるかを考えています。企業との共同研究も行っていますが、研究室独自の研究も日々行っています。
他大学との共同研究も行っているのですか？
和田教授｜はい、もちろん他大学との共同研究も行っています。ただ、他の研究室と共同研究をする場合は、専門分野が違う先生方と一緒にやるようにして、分担できるようにしています。
共同研究をしている教授はどのような専門分野を持っていますか？
和田教授｜モーターや集積回路、パワーデバイスを専門に研究している先生や、数値計算や生物学を研究している先生など、電気とはまったく関係のない先生など、幅広い人たちと共同研究をしています。
研究室では現在、どのような研究テーマがトレンドになっていますか？
和田先生｜SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）のコンバーターには、現在進行形の研究テーマがたくさんあると感じています。単に回路図通りに回路を組むのではなく、性能を引き出すために何をすべきかを考えることが重要だと思います。最近は学際的な融合を考えており、今後はパワーデバイスや受動部品など、自分の専門以外の分野の人たちとも協力して、新しい研究テーマを切り開いていきたいと考えています。
関口｜私の専門は太陽光発電（PV）の研究なので、電力系統関連の動向をチェックしています。最近注目されているのは、分散型電源（DER）を大量に導入した場合の系統全体の不安定性です。分散型電源の大量導入は系統の慣性不足につながるので、慣性を生み出す分散型電源用の系統形成インバーターの研究が多いように感じます。
分散型電源用のグリッド形成インバーターに関する研究は多い。
関口さんの研究内容について教えてください。
関口氏｜私の専門は太陽光発電の研究で、太陽光発電用インバーターの効率向上と長寿命化に注力しています。PVシステムで起こりうる問題のひとつに、発電効率に影響を与えるPVアレイ上の部分影の問題があります。私の研究目標は、電解コンデンサの寿命を延ばすアクティブパワーデカップリングと制御方法を統合することで、高いPV効率と長いシステム寿命を達成することです。
HIL（Hardware-in-the-Loop）について初めて知ったのはいつですか？
和田教授｜10年ほど前、海外の大学の研究室を訪問したときのことです。そこでHILが盛んに使われているのを見て、パワーエレクトロニクスの分野でも応用できることを知った。当時から、SIL（Software-in-the-Loop）による回路シミュレーションから物理デバイスへのジャンプはハードルが高いと感じていましたが、正直なところ、当時はHILを試す機会がありませんでした。
ところが少し前、コロナウイルスのパンデミックによる研究室封鎖で、学生が大学の研究室に入れない時期が2、3カ月続いた。それまでは、回路シミュレーターでシミュレーションを行い、それを実機で実験を繰り返すというのが通常の研究の流れだったのですが、研究室へのアクセスが安定しないため、その時は実機での実験ができませんでした。清水先生が購入されたTyphoon HIL装置があったので、自宅でやってみようと思ったんです。
自宅では実機を使った実験ができず、シミュレーションしかできなかったので、HILシステムにもっと頼っていいタイミングだと思いました。当時、関口は博士課程の1年で、ある意味、新たな挑戦をするタイミングでもあった。
自宅で仕事をしているときは）実機での実験ができず、シミュレーションしかできなかったので、HILシステムにもっと頼るようになるいい機会だと思いました。
HILはパワーエレクトロニクス・システムの検証に有効なツールだと思いますか？
和田教授｜はい。
研究の種類によってはHILでの対応が難しい場合もありますが、基礎研究や主要なアイデアの検証にはHILが非常に有効だと思います。近年、学会でもHILを使った論文が増えています。学会誌の中には、HILの有用性を認める方針が明記されているものもあります。
以前は、パワーエレクトロニクスは実機でしか検証しないという風潮がありましたが、今は "HILテストはここまでで十分 "というように、HILを使える線引きをどこでするのか、関口さんと話をしています。
近年、学会でHILを使った論文が増えている。
関口さんは、ご自身の研究でTyphoon HILをどのように活用していますか？
関口氏｜PVアプリケーションにおけるアクティブパワーデカップリング回路の手法については、すでにさまざまな研究が行われているので、私は制御部分に注目しています。回路シミュレータの通常の問題点は、シミュレーションに時間がかかることです。回路側が完成しているのであれば、HILで制御を検証し、反応を見て、すぐに新しい試みをした方が良いので、このような理由から、現在はTyphoon HILを使っています。
HILで基本的な検証ができていれば、制御プログラムは実機で問題なく動作する。実機で動作しない場合は、回路側に問題があると考えることができ、問題があると思われる部分をHILで再現することで、迅速に修正することができる。Typhoon HILは、シミュレーション環境から実機での実験にスムーズに移行するために使用されます。
Typhoon HILは、シミュレーション環境から実機での実験にスムーズに移行するために使用されます。
実機に移行する前に、SILだけでなくHILで検証した方がいいと思いますか？
関口｜そうですね。
シミュレーションで制御を検証する学生は、マイコンの物理的な仕組みを理解していないことが多い。シミュレーションからそのまま移行するよりも、より実機に近い環境でHILによる制御検証を始めた方が、学生にとってもスムーズだと思います。
HILの最大の利点は、リアルタイムで反応することだ。
Typhoon HILセットアップを使い始めるまでにどのくらい時間がかかりましたか？
関口｜Typhoon HILをゼロから使い始めるには、回路シミュレーションなどに慣れていることが前提ですが、1週間もあれば十分だと思います。マイコンの学習も含めれば、1～2ヶ月程度で一通りの工程を終えることができると思います。HILとマイコンのI/Oの接続も含みます。
Typhoon HILの打ち上げで何かトラブルはありましたか？
関口さん｜使用するマイコンのI/Oを調べるのに時間がかかり、接続に少し苦労しました。ただ、Typhoon HILデバイス自体のデジタルとアナログのI/Oはわかりやすかったです。
Typhoon HILを使う利点は何でしたか？
関口氏｜HILの最大のメリットは、リアルタイムに反応することです。太陽光発電の最大電力点追従制御（MPPT制御）の検証は、シミュレーションに長い時間を要するため、HILによるシミュレーションを半日程度かけて行いました。SILで半日のシミュレーションを行おうとすると、計算に膨大な時間がかかってしまう。その点、HILは工数的にも時間的にも非常に有利です。リアルタイムで応答するため、検証にかかる時間も大幅に短縮できる。
HILは工数と時間の節約という点で非常に有利です。リアルタイムで応答するため、検証にかかる時間が大幅に短縮されます。
パワーエレクトロニクスの中でHILが最も活用されるのはどのようなアプリケーションだと思いますか？
和田先生｜HILを使った検証は、電力系統やグリッドに接続（統合）する際に非常に有益だと思います。これまでは、単純に電圧と電流を検出して計算し、使用するインバータを決定するのが一般的でした。
今後、大規模システムの研究はさらに広がり、将来のインバータ設計に活かされていくと思います。通信速度の高速化に伴い、時間遅れや通信の途絶など様々な問題が重要になってくるため、実際の計算資源や通信資源を使いながら、インバータに制御を適用できるかどうかを検証するHILは非常に適しています。特に電力の有効利用は、日本だけでなく欧米でも今後避けて通れない課題であるため、HILが果たす役割は非常に大きいと思います。
クレジット
インタビュアー ｜杉山勇（マイウェイ）
翻訳｜セルジオ・コスタ、デボラ・サント
ビジュアル ｜写真はマイウェイが撮影、カール・ミッケイが脚色。
編集｜デボラ・サント
