マトリクスコンバータ

マトリクスコンバータは、入力AC電圧を、設定可能な振幅、周波数、および位相をもつ出力AC電圧に変換する高度なAC/ACコンバータの一種です。中間のDCリンクとエネルギー貯蔵部品を含む標準的なAC/ACコンバータとは異なり、マトリクスコンバータは、直接変換を実行するために双方向制御されたパワー半導体スイッチのグリッドを使用します。このセクションでは、マトリクスコンバータの基本、動作、および実用的意義について説明します。

マトリクスコンバータの基礎

マトリクスコンバータは、入力位相と出力位相をリンクする双方向電源スイッチのマトリクスで構成されています。三相から三相へのマトリクスコンバータには、9つの双方向スイッチが含まれており、各スイッチは一般に、IGBTやMOSFETなどの2つの背中合わせにつながった半導体デバイスと、逆並列ダイオードで構成されています (図7)。

図7 : フライバックコンバータ トポロジー

マトリクスコンバータの動作

マトリクスコンバータは、双方向スイッチを選択的にシャットダウンおよびオープンすることにより、入力位相から出力位相に電力を転送します。コンバータは、スイッチのデューティサイクルとタイミングを調整することで、必要な振幅、周波数、および位相シフトの出力電圧波形を生成することができます。スイッチング動作は入力電流波形にも影響を与え、入力電圧と正弦波を維持し、その結果、高い力率が得られます。

利点と課題 :

マトリクスコンバータは、標準的なAC/ACコンバータトポロジーに比べて、次のようなさまざまな利点を提供します。

• エネルギー貯蔵部品や直接電力変換がないため、効率が高い
• 大型のDCリンクコンデンサやインダクタが不要なため、コンパクトな設計と少ない部品数を実現
• 優れた入力力率制御と高速動的応答

ただし、マトリクスコンバータには次のような欠点があります。

• 制御アルゴリズムは、必要な出力電圧と入力電流波形を達成するために、スイッチング状態を完全に調整する必要があるため複雑
• シュートスルー故障は、同じ行または列の2つのスイッチが同時に閉じたときに発生し、その結果、入力または出力フェーズ間で短絡をもたらす可能性がある
• 三相マトリクスコンバータの出力電圧幅は限られており、一般に入力電圧の最大86.6%まで

マトリクスコンバータのアプリケーション

マトリクスコンバータは、モータ駆動、再生可能エネルギーシステム、電力品質向上など、さまざまな分野で使用されています。これらは、モータ駆動アプリケーションにおけるACモータの正確な速度とトルク制御を実現し、コンパクトな設計と高効率の利点を追加します。マトリクスコンバータは、風力タービンや太陽光パネルなどの分散型エネルギー資源を電力グリッドに接続する再生可能エネルギーシステムで使用することができ、柔軟な電力変換と管理が可能です。

ソフトスイッチング技術

AC/ACコンバータでは、ハードスイッチング動作に伴うスイッチング損失と電磁障害 (EMI) を低減するために、ソフトスイッチング方式が使用されています。ハードスイッチングは、電流と電圧の両方がゼロではない状態でパワー半導体スイッチをオンまたはオフにするプロセスであり、結果として高いエネルギー損失とデバイスのストレスを増やします。ソフトスイッチング方式は、スイッチング遷移中に電圧または電流をゼロに維持することで、これらの影響を低減または排除しようとします。このセクションでは、ソフトスイッチングの原理、主要なソフトスイッチング方式、およびコンバータの性能と設計に与える影響について説明します。

ソフトスイッチングの基礎

ソフトスイッチング方式には、ゼロ電圧スイッチング (ZVS) とゼロ電流スイッチング (ZCS) の2種類があります。

ゼロ電圧スイッチング (ZVS) : 電源スイッチをオンまたはオフにする場合に、ZVSの手順が、電源スイッチの両端の電圧がゼロになることを保証します。ZVSは、スイッチング遷移中の電圧と電流のオーバーラップを低減することで、スイッチング損失とデバイスのストレスを大幅に最小限に抑えます。特に、スイッチング損失が全体的な損失の大きな原因となる高電圧、高周波のアプリケーションで役立ちます。

ゼロ電流スイッチング (ZCS) : 電源スイッチがオンまたはオフになった場合に、ZCSの手順が、そこを流れる電流がゼロになることを保証します。これにより、急速な電流変化によるスイッチング損失とEMI生成が減少します。ZCSは、スイッチング損失が大きくなる可能性のある大電流アプリケーションで特に役立ちます。

主なソフトスイッチング技術の実装

AC/ACコンバータでZVSまたはZCS機能を実現するために、いくつかのソフトスイッチング方式が考案されています。最も重要な技術は次のとおりです。

共振コンバータ : これらのコンバータは、インダクタとコンデンサで構成される共振タンク回路を使用して、スイッチング動作中に電圧または電流をゼロにする共振遷移を生成します。共振コンバータは、より高い効率と低いEMIを提供することができますが、高度な制御技術とより大きな受動部品が必要になる場合があります。

補助回路 : ソフトスイッチング環境を提供するために、スナバ回路またはアクティブクランプ回路とも呼ばれる、補助回路がプライマリコンバータアーキテクチャに追加されます。これらの補助回路には通常、追加のスイッチ、インダクタ、およびコンデンサが含まれており、電圧と電流の波形を形成し、ZVSまたはZCSの動作を可能にします。

コンバータの性能と設計への関わり

ソフトスイッチング方式を実装することで、AC/ACコンバータの効率、EMI、およびデバイスのストレスが大幅に改善されるかもしれません。ただし、これらの利点には欠点がないわけではありません。

複雑さの増大 : ソフトスイッチング方式では、より複雑な制御方式と追加の部品が必要になることがあり、コンバータの全体的な複雑さとコストが増大します。

部品の選択と定格 : これらの取り組みは、高速スイッチングデバイス、低損失コンデンサ、高品質インダクタなどのコンバータ部品に独自の要求を課す可能性があります。

安定性と過渡応答 : 共振部品や補助回路の統合はコンバータの安定性や過渡応答に影響を与える可能性があり、慎重な検討と設計が必要です。

共振コンバータ

共振コンバータは、共振回路を使用して電圧と電流の波形を変更するパワーエレクトロニクスコンバータの一種です。これらは、ソフトスイッチング動作を行い、標準的なハードスイッチングトポロジーに関連するスイッチング損失を低減します。

このコンバータは、インダクタやコンデンサなどの共振部品を組み合わせることで、高効率、電磁障害 (EMI) の低減、さまざまなアプリケーションでの性能向上を実現します。このセクションでは、共振コンバータの基本概念、主要なトポロジー、設計上の考慮事項、およびこれらのコンバータに関連する問題について説明します。

共振コンバータの基礎

インダクタとコンデンサを直列または並列に結合した共振タンク回路の使用は、共振コンバータの基本原則です。特定の共振周波数では、これらの共振デバイスは発振電圧波形と電流波形を生成し、ゼロ電圧スイッチング (ZVS) またはゼロ電流スイッチング (ZCS) 動作を保証します。ソフトスイッチングにより、共振コンバータはスイッチング損失を低減し、効率を向上し、パワー半導体デバイスのストレスを低減することができます。

主な共鳴コンバータトポロジー

AC/AC変換アプリケーションでは、さまざまな共振コンバータトポロジーを使用できます。次は最も一般的なトポロジーの一部です。

直列共振コンバータ (SRC) : SRCは共振タンク回路と負荷を直列につなぎ、コンバータは直列共振周波数またはその近くで動作します。これらはZVSモードで動作し、強力な出力電圧制御を提供します。

並列共振コンバータ (PRC) : 共振タンク回路をPRCの負荷と並行につなぎ、コンバータは並列共振周波数またはそれに近い周波数で動作します。PRCはZCSモードで動作し、出力電流リップルが最小限に抑えられます。

直列・並列共振コンバータ (SPRC) : SPRCは直列共振回路と並列共振回路を組み合わせ、SRCとPRCの両方を利用します。これらのコンバータは効率と出力電圧調整を向上できますが、より高度な制御技術が必要になる場合があります。

設計に関する検討事項と計算

共振コンバータの設計には、次のような、さまざまな懸案事項や障害があります。

部品の選択 : 最適なコンバータ性能を達成するためには、共振インダクタとコンデンサの選択が重要です。これらの部品は、損失を最小限に抑え、コンバータの電圧および電流圧力に耐えることができなければなりません。

共振周波数制御 : 共振周波数制御は、コンバータのソフトスイッチング動作と出力電圧調整にとって重要です。複雑な制御アルゴリズムと共振周波数のリアルタイムモニタリングが必要になる場合があります。

安定性と過渡応答 : 共振コンバータの複雑な動的挙動は、コンバータの安定性と過渡応答性を損なう可能性があります。さまざまな負荷状況下で安定した動作を保証するために、設計者はコンバータの小さな信号および大きな信号性能を評価する必要があります。

センサレス制御戦略

センサレス制御技術はパワーエレクトロニクスの新しい研究分野です。これらの戦略は、特定センサの必要性を排除することで、AC/ACコンバータの性能、信頼性、および費用対効果を向上させることを目的としています。センサは、電圧、電流、位相角、周波数などのコンバータ特性をモニタおよび調整するために、従来の制御システムで使用されています。ただし、これらのセンサは、システムに複雑さ、コスト、および故障を追加する可能性があります。

センサレス制御方式では、コンバータの固有の電気的特性と動的反応性を使用してこれらの値を推定するため、個別のセンシングデバイスを必要としません。このセクションでは、センサレス制御技術の基礎、その長所と短所、およびAC/ACコンバータでの使用について説明します。

センサレス制御の基礎

センサレス制御技術は、コンバータの入出力信号を介して、またはコンバータ部品の固有の電気的特性を利用して、必要なシステムパラメータを予測します。よく使用されるセンサレス制御メカニズムには、次のものがあります。

モデルベース手法 : 必要なパラメータを決定するために、これらの戦略はコンバータシステムの数学的モデルに依存します。カルマンフィルタやスライディングモード観測器のような状態観測器は、リアルタイムでシステムの状態やパラメータを推定するためにモデルベースのアプローチで頻繁に使用されます。

信号注入技術 : これらの手順では、既知の信号がコンバータシステムに注入され、その応答が観察されて適切なパラメータが決定されます。これは、コンバータの制御信号を変調するか、高周波信号を回路に直接挿入することで実現できます。

パラメータ推定手法 : これらの方法は、コンバータの入出力信号を調べることによって必要なパラメータを推定し、しばしばフーリエ解析、ウェーブレット変換、適応フィルタリングアルゴリズムなどの高度な信号処理技術を使用します。

利点と課題

センサレス制御システムは、一般的なセンサベース制御方式よりもさまざまな利点を提供します。その他の利点は次のとおりです。

コスト削減 : センサレス制御技術は、専用のセンサを必要とせず、コンバータシステムの総コストを削減することができます。

信頼性の向上 : センサレス制御戦略の助けを借りて、潜在的な障害ポイントを軽減し、コンバータの全体的な信頼性と堅牢性を向上させることができます。

設計の簡素化 : センサレス制御方式では、多数の部品や連携を必要としないため、コンバータ設計の簡素化に役立ちます。

それにもかかわらず、センサレス制御戦略を採用することにはいくつかの欠点があります。

複雑さ : センサレス制御方式は、複雑なアルゴリズムを必要とする場合があり、そのために大きな計算リソースが必要となり、コンバータの制御システムのコストと複雑さが増大します。

堅牢性と精度 : これらの手法は、パラメータの変動、ノイズ、外乱の影響を受けやすく、制御システムの精度と回復力に影響を与える可能性があります。

過渡応答と安定性 : センサレス制御方式の動的性能は、標準的なセンサベースのシステムとは異なる可能性があり、その結果、コンバータの過渡応答性と安定性が損なわれる可能性があります。

AC/ACコンバータのアプリケーション

センサレス制御技術は、位相制御コンバータ、サイクロコンバータ、マトリクスコンバータなど、さまざまなAC/ACコンバータで効果的に使用されています。これらの方法は、位相角、周波数、負荷インピーダンスなどの特性を推定するために使用され、コンバータの性能と制御を向上することができます。