非制御整流器

非制御整流器は、パワーエレクトロニクスにおける最も単純なAC/DC変換回路の1つである。これらの回路は、ダイオードなどの制御されていないパワー電子デバイスを使用するため、「非制御」と呼ばれます。非制御整流器では、ACからDCへはダイオードを介して変換されます。ダイオードは受動的な電子機器で、電流を一方向にのみ流すことができます。

単相半波整流器と全波整流器は、非制御整流器の中で最も単純なタイプです。これらは、効率があまり重要でない低消費電力アプリケーションで一般的に使用されます。一方、三相半波整流器と全波整流器は、三相AC電源が利用可能な高電力アプリケーションで採用されています。センタータップ整流器、電圧ダブラ整流器、および電圧マルチプライヤ整流器は、その他の非制御整流器の中でも、さまざまなアプリケーションで使用されています。これらの回路の出力は通常かなりの量のACリップルを持つため、非制御整流器ではフィルタリングが重要な要素です。コンデンサやインダクタなどのフィルタを使用することで、ACリップルを軽減し、より安定したDC電圧出力を提供します。非制御整流器は、より精巧な制御整流器よりも効率は低いですが、そのシンプルさと信頼性のために、多くのパワーエレクトロニクスシステムにとって不可欠な部品であり続けています。

三相ダイオード整流器の主要回路トポロジーは、トランスの二次巻線の三相それぞれに接続された3つのダイオードで構成されています。ダイオードは通常、非制御ブリッジ配置で構成され、AC電圧源の3つの位相に接続されています。ダイオードは入力AC電圧を整流し、出力にDC電圧をもたらします。

回路は、ダイオードの特性に基づいて動作します。ダイオードは電流を一方向にのみ流すことができる半導体デバイスです。アノードに印加される電圧がカソードに印加される電圧よりも大きい場合に起こる、順方向バイアスのダイオードの場合、ダイオードは低抵抗として機能し、電流を流すことができます。逆に、ダイオードが逆バイアスの場合、つまりカソードに印加される電圧がアノードに印加される電圧よりも大きい場合、ダイオードは高抵抗として機能し、電流の流れを防ぎます。ダイオードのこの特性は整流回路の動作にとって重要です。

単相半波整流器

単相半波整流器は、設計が簡単な基本的非制御整流器です。この回路は、単一のダイオードとAC電源に直列接続された負荷抵抗で構成されています。AC電圧の正のハーフサイクルの間、ダイオードは順方向バイアスされて電流を伝導し、電流が負荷抵抗に流れるようにします。ただし、負の半周期の間、ダイオードは逆バイアスになり、負荷抵抗に電流は流れません。したがって、負荷抵抗の両端の出力電圧はDCパルスであり、入力AC波形の半分しか使用されません。

単相半波整流器にはいくつかの欠点があり、これには効率が低いことがあり、通常約40％です。これは、AC電圧の負の半周期中にダイオードが導通していない場合、入力電力の半分が失われるという事によります。また、整流器で生成される出力電圧はリップル電圧が高く、電子機器にとって課題となることがあります。

図2 : 余談半波ダイオード整流器の効率

抵抗R両端のピーク電圧がV_maxであると仮定します。

平均DC電圧は次のように計算されます。

$$V_{dc} = \frac{1}{2\pi - 0} \left( \int_0^\pi V_{\text{max}} \sin x \, dx + \int_\pi^{2\pi} 0 \, dx \right)$$ $$V_{dc} = \frac{1}{2\pi} \int_0^\pi V_{\text{max}} \sin x \, dx$$ $$V_{dc} = \frac{1}{2\pi} V_{\text{max}} (-\cos \pi - (-\cos 0))$$ $$V_{dc} = \frac{V_{\text{max}}}{\pi}$$

したがって

$$I_{dc} = \frac{V_{\text{max}}}{R} \frac{1}{\pi} = \frac{I_{\text{max}}}{\pi}$$

Ac回路のRMS電流は次のように計算されます。

$$I_{rms} = \sqrt{\frac{1}{2\pi-0} \left( \int_{0}^{\pi} I_{\text{max}}^2 \sin^2 x \, dx + \int_{\pi}^{2\pi} 0 \, dx \right)}$$ $$I_{rms} = \sqrt{\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{\pi} I_{\text{max}}^2 \sin^2 x \, dx}$$ $$I_{rms} = \sqrt{\frac{I_{\text{max}}^2}{2\pi} \int_{0}^{\pi} \frac{1-\cos 2x}{2} \, dx}$$ $$I_{rms} = \sqrt{\frac{I_{\text{max}}^2}{4\pi} [(π-0)-\frac{1}{2} (\sin 2π-\sin 0)]}$$ $$I_{rms} = \frac{I_{\text{max}}}{2}$$

入力AC電源と出力DC電源は次のとおりです。

$$P_{ac} = I_{rms}^{2} \cdot (R_{s} + r_{D} + R)$$ $$P_{dc} = I_{dc}^{2} \cdot R$$

R_S – トランスの二次巻線抵抗

r_D – 負荷ダイオード抵抗

R – 負荷抵抗

半波整流器の効率は、入力AC電源に対する負荷で利用可能なDC電力の比率として定義されます。

$$\eta = \frac{P_{dc}}{P_{ac}} = \frac{I_{dc}^{2} \cdot R}{I_{rms}^{2} \cdot (R_s + r_D + R)} \approx \frac{I_{dc}^{2} \cdot R}{I_{rms}^{2} \cdot R} = \left(\frac{I_{max}}{\pi}\right)^{2} \left(\frac{2}{I_{max}}\right)^{2} = \frac{4}{\pi^{2}} = 40.53\%$$

単相半波整流器は、低効率で高いリップル電圧にもかかわらず、低コストが重要で出力リップル電圧を許容できる小型電源や回路でのアプリケーションがいくつかあります。

三相半波整流器

三相半波整流器は、三相AC電源からDC電源への変換が必要なパワーエレクトロニクスアプリケーションで使用されています。これらは、AC電源の三相すべてを利用するため、単相で同等のものよりも効率的です。ただし、出力DC電圧には依然としてパルスが発生し、安定したDC電圧を得るために追加のフィルタリングが必要です。

三相半波整流器は、ダイオードが3個しか必要ないため、シンプルという利点があります。しかし、一度に3つの位相のうち1つしか使用されないため、他の整流器よりも出力電圧が低くなります。

図3 : 半波三相ダイオード整流器

位相電圧V_Aが0°から始まると仮定します。0°～30°の時間間隔では、ダイオードD3のアノードの電圧が最も高くなります (V_C> V_A > V_B)。したがって、ダイオード3は導通し、ダイオード1と2は導通しません。その後、30°～150°の時間間隔では、ダイオードD₁のアノードの電圧が最も高くなります (30°~ 90° : V_A > V_C > V_B ; 90°~150° : V_A > V_B > V_C)。したがって、ダイオードD₁は導通し、ダイオードD₂とD₃は導通しません。また、整流器の出力 (負荷上) の電圧波形を下図に示します。

図4 : 半波三相ダイオード整流器の出力電圧波形

ピーク入力電圧をV_Pと指定すると、出力電圧波形の平均値は次のようになります。

$$V_{DC} = \frac{3\sqrt{3}}{2\pi} V_{P} = 0.83 \cdot V_{P}$$

これにより、特により高いDC電圧が必要な場合に、アプリケーションが制限される可能性があります。また、三相半波整流器は、入力電流に高調波歪みも発生させ、送配電システムの損失の増加や電磁障害の増加などの問題を引き起こす可能性があります。

三相半波整流器は、出力電圧が低く、ダイオードが3個しか使用できないため、シンプルさや低コストなどのメリットがあります。しかし、入力電流の高調波歪みが大きいため、送配電システムの電力損失や電磁障害などの問題につながる可能性があります。したがって、パワーエレクトロニクスシステムを設計する際には、さまざまな整流器タイプの長所と短所の間のトレードオフを考慮することが不可欠です。

三相全波整流器

図5は、6個のダイオードからなる全波ブリッジ構成を利用した非安定化三相ダイオード整流回路を示しています。回路の入力は三相AC電源に接続され、出力はDC負荷に接続されます。回路の機能については以下で述べます。

図5 : 非制御全波三相ダイオード整流器

位相Aの電圧が0°から始まると仮定します (下図参照)。

図6 : 全波三相ダイオード整流器の出力電圧波形

0°～30°の時間間隔
V_C > V_A > V_B ⇒ ダイオードD₅とD₄がオン
ダイオードD₁はオフ (アノード電圧V_Aはカソード電圧V_Cより低い)
ダイオードD₂はオフ (アノード電圧V_Bはカソード電圧V_Aより低い)
ダイオードD₃はオフ (アノード電圧V_Bはカソード電圧V_Cより低い)
ダイオードD₆はオフ (アノード電圧V_Bはカソード電圧V_Cより低い)

したがって、負荷電圧は次のようになります : V_load = V_C - V_B

2) 30°～90°の時間間隔
V_A > V_C > V_B ⇒ ダイオードD₁とD₄がオン
ダイオードD₂はオフ (アノード電圧V_Bはカソード電圧V_Aより低い)
ダイオードD₃はオフ (アノード電圧V_Bはカソード電圧V_Aより低い)
ダイオードD₅はオフ (アノード電圧V_Cはカソード電圧V_Aより低い)
ダイオードD₆はオフ (アノード電圧V_Bはカソード電圧V_Cより低い)

したがって、負荷電圧は次のようになります : V_load = V_A - V_B

また、整流器の出力 (負荷上) の電圧波形は上図に示されます。

その他の単相整流器タイプ

パワーエレクトロニクスシステムでは、様々な非制御整流器が使用されていますが、その中には、低電力設定で一般的に使用されているセンタータップ整流器があります。このタイプの整流器は、センタータップトランスと2つのダイオードを使用してパルスDC電圧出力を生成します。一方、ブリッジ整流器は非制御整流器のもう1つのタイプであり、全波整流出力を生成する能力により多くのアプリケーションで頻繁に採用されています。ブリッジ整流器は、DC出力を生成するためにブリッジ構成に配置された4つのダイオードからなっています。

電圧ダブラ整流器は、代表的な整流器よりも高いDC電圧出力を必要とするアプリケーションで使用される非制御整流器のもう1つの形態です。この整流器は、2つのダイオードと2つのコンデンサを使用して、単相AC電源の出力電圧を高めます。さらに、特定のアプリケーションには、高電力DCアプリケーション用のグレッツ回路や高電圧DCアプリケーション用のコッククロフト・ウォルトンマルチプライヤなど、他の制御されていない整流器トポロジーが採用されています。これらの整流器は、ダイオードとコンデンサの組み合わせを使用して、高電力または高電圧のDC出力を生成します。使用されている非制御整流器の種類にかかわらず、出力波形に存在するリップル電圧を最小限に抑えるためにフィルタリングが一般的に必要です。出力波形を平滑化し、リップル電圧を最小限に抑えるために、コンデンサ、インダクタ、またはその両方の組み合わせを使用します。

フィルタリング

フィルタリングは、出力電圧を平滑化し、リップル電圧を低減するのに役立つため、制御されていない整流器を設計する際に考慮すべき重要な要素です。リップル電圧とは、整流されたAC信号のパルス特性によって生じる出力電圧波形のわずかな変動を指します。このようなばらつきは、電子システムの精度低下、電磁障害の増大、電子部品の信頼性低下などの問題につながる可能性があります。

リップル電圧を最小化するために広く使用されているアプローチは、コンデンサフィルタを採用することです。コンデンサフィルタは、負荷抵抗と並列に接続されたコンデンサで構成されています。電圧が上昇すると、コンデンサは電荷を蓄積し、回路からエネルギーを吸収します。逆に、負荷抵抗の両端の電圧が低下すると、コンデンサは蓄積されたエネルギーを回路に放電し、電圧が低くなりすぎることを防ぎます。リップル低減の程度は、フィルタコンデンサの容量値によって決まります。容量値が大きいほど、フィルタの性能が向上します。

最後に、LCフィルタと呼ばれるコンデンサとインダクタフィルタの組み合わせを使用することもできます。LCフィルタは、コンデンサまたはインダクタフィルタのみを使用するよりも優れたフィルタ性能を提供しますが、設計と実装はより複雑です。フィルタの種類と設計は、リップルの削減レベル、コスト、物理サイズの制限など、特定のアプリケーション要件に基づいて選択されます。

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