損失機構 — ヒステリシス損・渦電流損・抵抗損・スイッチング損失と低減策

電力変換回路やトランスにおける損失はシステム効率・発熱・冷却設計を直接左右する重要パラメータである。損失は大きく「鉄損（Iron Loss）」と「銅損（Copper Loss）」に二分され、さらにスイッチング素子固有のスイッチング損失が加わる。各損失の物理的メカニズムを理解することが低損失設計の出発点となる。情報カットオフ 〜2025-08、confidence: medium 固定。

ヒステリシス損：磁化反転によるエネルギー散逸

**ヒステリシス損（Hysteresis Loss）**は磁性体の磁化が交流サイクルごとに反転する際に消費されるエネルギー損失であり、鉄損の主要成分の一つである。

発生機構：強磁性体（鉄心）は磁区（磁気モーメントが揃った小領域）の集合体であり、外部磁場の変化に応じて磁区の向きが整列・反転する。この磁区壁の移動・消滅・生成に機械的エネルギー（格子振動＝熱）が消費される。B-H ループ（磁束密度 B vs 磁場強度 H のグラフ）の面積がヒステリシス損のエネルギーに対応する。

スタインメッツの式（近似）：ヒステリシス損 Ph は磁束密度の最大値 Bmax の乗数乗と周波数 f に比例する。

• Ph ∝ f * Bmax^n（n ≈ 1.6〜2.0、スタインメッツ指数）

低減策：

• 保磁力（Hc）の低い軟磁性材料を選択する（珪素鋼板、アモルファス合金、フェライト）。
• 動作磁束密度 Bmax を飽和磁束密度以下に抑えつつ余裕を持たせる。
• 周波数が高くなるほどヒステリシス損は増加するため、高周波用にはフェライト（Hc 極小）を選ぶ。

渦電流損：導電体内の誘起電流による発熱

**渦電流損（Eddy Current Loss）**は磁性体内部に磁束の時間変化によって誘起される渦状の誘導電流（渦電流）が、材料の固有抵抗によってジュール熱となる損失である。

発生機構：ファラデーの電磁誘導法則により、磁束が変化すると鉄心内の導電性閉ループに起電力が生じ電流が流れる。この電流は鉄心を流れる誘起電流であり、その抵抗 R と電流 I の関係（P = I^2 * R）によって熱が発生する。鉄心全体が一体の大きな導体であれば渦電流ループが大きくなり損失が激増する。

近似式：渦電流損 Pe は板厚の 2 乗・周波数の 2 乗・磁束密度最大値の 2 乗に比例する。

• Pe ∝ (t * f * Bmax)^2（t：積層板厚）

低減策：

• 薄板積層：鉄心を薄い電磁鋼板（0.3〜0.5 mm 厚が商用変圧器標準）に分割して積層し、渦電流のループを小さく分断する。積層間の絶縁皮膜（酸化皮膜・ニス）が渦電流を遮断する。
• 高抵抗材料：珪素鋼（Si 添加で電気抵抗率向上）やフェライト（セラミック系で電気抵抗率が金属の 10^6 倍以上）は渦電流が流れにくい。
• 高周波用薄コア：スイッチング電源（数十 kHz 以上）では鉄心を薄いフェライト粉末の圧粉体やナノクリスタルリボン積層体で構成し、渦電流損を大幅に低減する。

抵抗損（銅損）：巻線と配線の抵抗による熱損失

**抵抗損（Copper Loss / I^2 R 損）**は電流が流れる導体（コイル巻線・配線）の電気抵抗によってジュール熱として散逸する損失であり、トランスおよびインダクタの実損失の重要な成分である。

発生機構：オームの法則 V = I * R より、導体の抵抗 R（Ω）に電流 I（A）が流れると電力損失 P = I^2 * R（W）が熱として発生する。負荷電流が増加するほど損失は電流の 2 乗に比例して増大する。

直流抵抗（DCR）と交流抵抗（ACR）：直流では単純に導線の抵抗率・長さ・断面積で決まる DCR が支配的だが、交流では表皮効果（Skin Effect）と近接効果（Proximity Effect）により実効的な電流通路が狭くなり、ACR が DCR を大幅に上回る場合がある。

• 表皮効果：高周波交流では電流が導体の表面近傍（表皮深さ δ = sqrt(ρ / (π * f * μ))）に集中し、中心部の導体が有効に利用されなくなる。
• 近接効果：隣接する巻線の磁場が互いに影響し、コイル内部で不均一な電流分布が生じる。高周波トランス設計での主要課題の一つ。

低減策：

• 巻線に大断面積の導体（太い電線・銅板・リッツ線）を使用する。
• 高周波用にはリッツ線（Litz Wire：多数の細い絶縁銅線を撚り合わせたもの）を用いて表皮効果を抑制する。
• 低抵抗率の高純度銅（無酸素銅）を選択する。

スイッチング損失：MOSFET・IGBT のオン/オフ遷移損

**スイッチング損失（Switching Loss）**はパワースイッチング素子（MOSFET・IGBT・SiC-MOSFET・GaN-HEMT）がオン/オフ切り替わる瞬間に生じる損失であり、整流回路やコンバータ・インバータ（tech-350）に固有の損失成分である。

発生機構：スイッチング素子が理想的なスイッチなら、オン状態（電圧 ≈ 0）でも、オフ状態（電流 = 0）でも電力損失はゼロである。しかし現実には遷移時間（ターンオン時間・ターンオフ時間）が存在し、電圧と電流が同時に有意な値を持つ期間に損失 P = V * I が生じる。この損失はスイッチング周波数に比例して増大する。

• スイッチング損失 Psw ∝ (t_on + t_off) * V * I * f

導通損失（Conduction Loss）：スイッチがオン状態のときの抵抗（MOSFET の RDS(on) や IGBT のコレクタ−エミッタ飽和電圧 Vce_sat）による損失も無視できない。電流の 2 乗に比例する（P = I^2 * RDS(on)）。

損失の種類・発生箇所・低減策のまとめ

受動素子の損失特性（インダクタ・コンデンサの ESR など）の基礎は tech-336（受動素子）で扱われている。

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