部品の選択と定格

効果的で信頼性の高いAC/ACコンバータを設計する際には、コンバータ回路に使用される部品を慎重に検討する必要があります。コンバータの最適な性能、安全性、および寿命を維持するためには、部品の選択と定格が重要です。このセクションでは、部品を選択し、AC/ACコンバータアプリケーションの定格を決める際に考慮すべきいくつかの要素について説明します。

半導体デバイス : ダイオード、サイリスタ、トランジスタなどの半導体デバイスは、AC/ACコンバータには欠かせません。これらのデバイスを選択する前に、これらのデバイスの電圧および電流定格、スイッチング速度、および熱特性を考慮することが重要です。過渡的な電圧スパイクの可能性を考慮すると、電圧定格は、動作中にデバイスが直面する最大電圧よりも大きくなければなりません。同様に、電流定格は、安全性と温度定格低減のために適切なマージンをもち、デバイスが運ぶ最大電流よりも大きくなければなりません。

受動素子 : AC/ACコンバータのフィルタリングや制御回路には、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動素子が使用されています。これらの部品を選択する際には、これらの部品の電力定格、温度係数、および許容値をすべて考慮する必要があります。電力定格は、通常動作時の部品の予測電力消費量を超えている必要があります。コンデンサとインダクタの電圧と電流の定格、リップル電流や高周波動作の処理能力を考慮して選択する必要があります。

トランスとカップリングデバイス :トランスとカップリングデバイスは、電圧スケーリング、絶縁、およびインピーダンスマッチングのためにAC/ACコンバータで頻繁に使用されます。これらの部品を選択する際には、電力定格、電圧定格、回転比、および効率を評価することが重要です。定格電力は、飽和状態や過度の温度上昇を発生させずに、トランスを通過する最大電力を処理するのに十分である必要があります。

冷却および熱管理部品 : 前のセクションで述べたように、AC/ACコンバータの信頼性の高い動作には適切な冷却が必要です。ヒートシンク、ファン、サーマル・インタフェース・マテリアルなどの冷却部品を選択するには、特定のコンバータアプリケーションの熱要件を使用する必要があります。最適な放熱を実現するには、これらの部品のサイズ、形状、材料、性能特性を慎重に考慮する必要があります。

保護デバイス : 故障や異常な状態が発生した場合にコンバータとその負荷の安全を確保するために、ヒューズ、回路ブレーカ、サージサプレッサなどの保護デバイスをAC/ACコンバータの設計に実装する必要があります。これらのデバイスの定格は、コンバータの電圧と電流のニーズ、および、それらが保護する特定の故障状況に応じて慎重に選択する必要があります。

保護および故障処理

AC/ACコンバータの設計は、コンバータとリンクされた負荷の両方の安全性と信頼性を保証するため、保護と故障処理がない状態では不完全です。故障は、部品の障害、短絡、過負荷、過渡的な外乱など、さまざまなイベントの結果として発生する可能性があります。このセクションでは、AC/ACコンバータで使用されるさまざまな保護メカニズムと故障処理戦略について説明します。

過電流保護は、AC/ACコンバータの一般的な保護技術です。これには、短絡、部品の障害、または過負荷によって引き起こされる高電流を検出する必要があります。過電流保護は、一般にヒューズとサーキットブレーカーによって提供されます。電流が所定のしきい値に達すると、これらのデバイスは電流の流れを遮断し、コンバータ部品や関連する負荷への損害を防止することを目的としています。

過電圧保護は、スイッチング動作、負荷変化、またはAC/ACコンバータとその負荷を損傷する可能性のある外乱によって引き起こされる電圧サージや過渡電圧スパイクを防止するために重要です。サージサプレッサ、金属酸化物バリスタ (MOV)、および過渡電圧サプレッサ (TVS) ダイオードは、一般的な過電圧保護デバイスです。これらのデバイスは、電圧を安全なレベルにクランプまたは制限し、コンバータとその部品の損傷を防ぎます。

AC/ACコンバータの温度が過度に上昇すると、効率と熱管理の前のセクションで説明したように、部品の損傷や故障につながる可能性があります。過熱防止と、半導体デバイスやトランスなどの必須部品の温度をモニタリングすること、温度が安全なレベルを超えた場合に是正措置をとることが必要です。これには、温度が安全なレベルに戻るまでコンバータの出力電力を下げたり、シャットダウンすることが含まれます。

絶縁不良、部品の故障、またはその他の困難によって引き起こされるAC/ACコンバータの出力とグランド間の意図しない電流経路を検出するには、接地故障保護が重要です。この保護は、多くの場合、入力電流と出力電流の差を継続的にモニタする残留電流デバイス (RCD) または地絡回路遮断器 (GFCI) によって提供されます。地絡が特定されると、これらのデバイスは電流を遮断し、追加の損傷を制限し、感電のリスクを低減します。

前述の保護対策に加えて、新しいAC/ACコンバータは、潜在的な問題を早期に検出して削減できる包括的な制御およびモニタリング機能を備えていることがよくあります。機能の一部には、電圧、電流、温度、およびその他のデータのリアルタイムモニタリング、問題検出アルゴリズムの展開、および自己診断が含まれます。誤動作が検出されると、制御システムはコンバータの出力を下げる、制御設定を変更する、保護装置を有効にするなどの是正措置を講じることができます。

EMIおよびノイズ低減技術

ノイズおよび電磁障害 (EMI) は、AC/ACコンバータやその他の電気システムの性能と信頼性を低下させる可能性のある望ましくない現象です。EMIは、コンバータのスイッチング部品によって生成された電磁界と他の電子デバイスとの相互作用によって引き起こされますが、ノイズは部品の変動、寄生素子、外乱など、さまざまなソースから発生する可能性があります。このセクションでは、AC/ACコンバータの設計でよく使用されるEMIおよびノイズ低減戦略について説明します。

シールドおよび接地 : シールドとは、AC/ACコンバータまたはその部品コンポーネントを導電性物質にカプセル化して電磁界を減衰し、EMIを低減するプロセスです。シールドには、アルミニウムやスチールなどの金属製エンクロージャがよく使用されます。一方、接地は、ノイズ電流が通過するための低インピーダンス経路を作成し、コンバータと他のデバイスとの電位差を低減します。グランドプレーンやシングルポイントグランドを使用するなど、適切な接地技術を使用すると、AC/ACコンバータシステムのEMIとノイズを大幅に最小にすることができます。

フィルタリング : フィルタは、不要な高周波信号を低減しながら、有用な信号が流れるようにするため、EMIとノイズの低減に重要です。LCフィルタやRLCフィルタなどのパッシブフィルタは、AC/ACコンバータシステムの伝導電磁障害とノイズを低減するために頻繁に使用されます。送信された電磁障害による高周波ノイズを最小限に抑えるために、フェライトビーズまたはコアをケーブルやワイヤに追加することができます。アクティブフィルタは、不要な信号をキャンセルする補償電流または電圧を注入することで、EMIとノイズを低減することもできます。

レイアウトと部品の配置 : AC/ACコンバータシステムでは、適切なレイアウトと部品の位置がEMIとノイズ性能に大きな影響を与える可能性があります。高周波電流チャネルのループ面積を最小限に抑え、高周波部品を繊細な部品から遠ざけ、適切な接地手順を使用することで、EMIとノイズを低減できます。さらに、専用のグランドプレーンとパワープレーンを備えた多層プリント基板 (PCB) を採用することで、寄生インダクタンスと静電容量を低減し、EMIとノイズ感度をさらに低下することができます。

スイッチング周波数および変調技術 : AC/ACコンバータの電源部品のスイッチング周波数は、EMIやノイズの発生に影響を与える可能性があります。スイッチング周波数が高いほど、スイッチング遷移が高速になるためEMIが増加しますが、スイッチング周波数が低いほどEMIが最小限に抑えられます。しかし、コンバータの効率とコンパクト性が損なわれるかもしれません。そのため、最適なスイッチング周波数の選択は、EMIとノイズ性能を他の設計目標とバランスをとる上で非常に重要です。さらに、スペクトラム拡散変調やランダムスイッチング周波数変調のような最新の変調技術は、より広い周波数範囲にEMIエネルギーを分配することができ、フィルタリングと減衰が容易になります。

スナバおよびダンピング : スナバは、AC/ACコンバータの電圧または電流過渡を低減し、電圧または電流の変化率 (dv/dt) を低下させ、EMIとノイズの放出を制限する回路です。スナバは、半導体デバイスを使用して過渡的な挙動を制御し、抵抗、コンデンサ、インダクタを使用してパッシブになることも、アクティブになることもできます。ただし、減衰技術を使用すると、誘導性素子や容量性素子などのコンバータ部品の発振と共振を低減し、EMIとノイズをさらに低減できます。

AC/ACコンバータアプリケーションのケーススタディ

このセクションでは、AC/ACコンバータがさまざまな業界や状況でどのように使用されるかを示す多数のケーススタディを見ていきます。これらのケーススタディでは、AC/ACコンバータ技術のメリットを享受できる幅広いアプリケーションと、実際の設計上の考慮事項と問題点を示しています。

産業用モータ制御の可変周波数ドライブ (VFD) : VFDは、交流 (AC) 誘導モータの速度とトルクを管理するために、産業用モータ制御アプリケーションで一般的に使用されています。これらのドライブは、AC/ACコンバータを使用してモータに供給される周波数と電圧を変更することができ、モータの性能を細かく制御することができます。代表的なVFDシステムでは、三相交流電圧を整流して直流電圧を生成し、それをインバータを使用して可変周波数交流電圧に変換します。このケーススタディでは、エネルギー効率の高いモータ制御におけるAC/ACコンバータの重要性にハイライトを当て、さまざまな産業アプリケーションにおけるエネルギー消費の低減とプロセス制御の向上を実現しています。

スマートグリッドアプリケーション用ソリッドステートトランス (SST) : SSTは、スマートグリッドアプリケーションで使用できる高機能のパワーエレクトロニクスデバイスで、標準的なトランスを置き換えることができます。複数の電圧レベルと周波数の間で柔軟かつ効率的な電力変換を提供するために、SSTは AC/ACコンバータと最新の制御アルゴリズムを組み合わせています。このケーススタディのAC/ACコンバータは、双方向の電力フロー、電圧管理、高調波補正、および太陽光や風力などの分散型エネルギーリソース (DER) の統合を可能にします。SSTは、信頼性、効率性、グリッドサポートサービスを向上させることで、配電ネットワークを変革する可能性があります。

鉄道トラクションシステム : 電車の電動モータに供給される電圧と周波数を変えるために、現代の鉄道トラクションシステムはしばしばAC/AC変換を必要とします。このケーススタディでは、AC/ACコンバータを使用して、架空架線電力を列車の推進システムに適した電圧レベルと周波数に変換します。また、コンバータは回生ブレーキも可能で、電動モータが発電機として機能し、エネルギーを再生して電力網に戻します。このアプリケーションは、鉄道輸送システムのエネルギー効率と性能を向上させるAC/ACコンバータの重要性を実証します。

臨界負荷用無停電電源装置 (UPS) : UPSシステムは、データセンター、医療機器、通信ネットワークなどの重要な負荷に、途切れずに、クリーンで信頼性の高い電力を供給します。このケーススタディでは、AC/ACコンバータを二重変換UPSトポロジーで使用します。入力AC電源はDCに変換されてからACに変換されるため、入力条件が変動しても一定でクリーンな出力電圧が保証されます。AC/ACコンバータは、電力品質を確保し、電圧低下、サージ、およびその他の電力障害から繊細な負荷を保護するために重要です。

これらのケーススタディは、現在のエンジニアリングシステムにおけるAC/ACコンバータ技術の適応性と有用性を示しています。技術者は、各アプリケーションの個々のニーズと難しさを知ることで、性能、効率、信頼性を向上させる効果的なAC/ACコンバータシステムを開発し、実行することができます。