はじめに

インバータは、DC入力電圧をAC出力電圧に変換するため、パワーエレクトロニクスの重要な部品です。単相インバータといえば、これらはDC入力ソースを単相AC出力に変換します。これらのインバータは、さまざまな設定やアプリケーションで頻繁に使用されています。

単相インバータの主な目的は、理想的な状況では、電力系統によって供給されるAC電力の共通波形である高調波成分の少ない正弦波波形に似たAC出力波形を生成することです。高調波歪みを低減し、繊細な電子機器や電気モーターなどの様々な負荷を適切に動作させるためには、高品質の正弦波波形を実現することが不可欠です。

単相インバータの種類、その本質的な部分、回路トポロジー、および動作理論について説明します。

基本的な回路トポロジー

以下に、単相インバータに使用される基本的な回路トポロジーを示します。

ハーフブリッジドライバ :

図1 : 一般的なハーフHブリッジインバータ

図1に示すように、ハーフブリッジインバータアーキテクチャは基本的な単相インバータの構造です。これは、直流電圧源に直列接続された2つのスイッチング部品 (通常はトランジスタ、IGBT、MOSFET)、2つのフィードバックダイオード、およびソースと負荷を接続する2つのコンデンサで構成されています。負荷は、コンデンサの中間点 (Aノード) とダイオードとスイッチの中間点 (Bノード) の間に取り付けられます。この配置では、スイッチの相補的な動作によって負荷を横断するAC出力電圧が生成されます。フィードバックダイオードは誘導負荷で使用されます。ハーフブリッジインバータはかなり簡単で安価ですが、必要な電圧を供給するには、センタータップDC電圧源またはスプリットコンデンサが必要です。

ハーフブリッジインバータの負荷は、抵抗 (R) または抵抗と誘導 (RL) です。RL負荷の電流波形は電圧波形に位相シフトされますが、R負荷の出力波形と同じです。この位相シフトは、負荷の誘導性の影響を受ける負荷の力率によって決まります。

R負荷での動作

R負荷のハーフブリッジインバータの2つの動作モードは、以下のとおりです。

図2 : ハーフHブリッジインバータのR負荷用モード1

図2は、ハーフHブリッジインバータにおける抵抗負荷のモード1を示しています。このモードの出力電圧はDC電源電圧の半分に等しく、負荷と上部スイッチ (S1) を電流が流れ、下部スイッチ (S2) がオフになります。負荷を横断する出力電圧は、次のように測定できます。

$$VO = V_{dc}/2$$

同様に、出力電流は次のように測定されます。

$$VO / RL$$

図3 : ハーフHブリッジインバータのR負荷用モード2

図3は、ハーフHブリッジインバータの抵抗負荷に対するモード2を示しています。このモードの出力電圧はDC電源電圧の負の半分に等しく、電流は負荷と下部スイッチ (S2) を通って流れ、上部スイッチ (S1) はオフになります。

負荷全体の出力電圧は以下のようになります。

$$VO = -V_{dc}/2$$

負荷全体の出力電圧は以下のようになります。

$$VO / R_L$$

図4 : R負荷時ハーフHブリッジインバータの波形

抵抗負荷のハーフブリッジインバータの場合、図4はスイッチを通るスイッチング信号、出力電圧、電流の波形を示しています。

出力の基本成分のRMS値は0.45V_dcであることを簡単に示すことができます。

RL負荷による動作

ハーフブリッジインバータには、RL負荷用の4つの動作モードがあります。このタイプのインバータでは、フィードバックダイオード (D1とD2) が重要な役割を果たします。スイッチがオフの場合、誘導負荷電流がソースに戻る経路を提供します。この機能は、電圧スパイクを防ぎ、スイッチング遷移中に負荷を横切る安定した電流ストリームを保証します。

図5 : ハーフHブリッジインバータのRL負荷用のモード1

図5は、ハーフHブリッジインバータにおけるRL負荷のモード1を示しています。このモードでは、上部スイッチ (S1) がオンになり、下部スイッチ (S2) がオフになります。ここでは、出力電圧はDC電源電圧の半分に等しく、負荷とS1を電流が流れます。最大値まで、電流は徐々にゼロから上昇します。電流と電圧の極性が同一であるため、インダクタはエネルギーを蓄えます。

図6 : ハーフHブリッジインバータのRL負荷用のモード2

図6は、ハーフHブリッジインバータにおけるRL負荷のモード2を示しています。D2はこのモードでオンになり、出力電圧はDC電源電圧の負の半分に等しくなり、インダクタが急激な電流変化に抵抗するため、モード1と同じ方向で負荷を流れます。インダクタが放電すると、負荷電流ILがゼロになるまで電流が徐々に低下します。

図7 : ハーフHブリッジインバータのRL負荷用のモード3

図7は、ハーフHブリッジインバータにおけるRL負荷のモード3を示しています。このモードでは、インダクタが負荷を通して完全に放電された後、下部スイッチ (S2) がオンになり、出力電圧がDC電源電圧の負の半分に等しいため、負荷と下部スイッチ (S2) に電流が流れます。モード1および2と比較して、負荷を流れる電流の方向が逆になります。S2の点弧後、電流は上昇し始め、負のピークに達します。電荷は再びインダクタによって保存されます。

図8 : ハーフHブリッジインバータでのRL負荷のモード4

図8はハーフHブリッジインバータにおけるRL負荷用のモード4を表しています。D1がオンのとき、このモードの出力電圧はDC電源電圧の半分になり、インダクタの急激な電流変化に対する抵抗により、モード3と同じ方向に電流が流れます。インダクタが放電すると、負荷電流ILがゼロになるまで電流が徐々に低下します。

図9 : RL負荷によるハーフHブリッジインバータの波形

図9に、RL負荷のハーフブリッジインバータの出力電圧と電流、スイッチとダイオードに流れる電流の波形を示します。図は、オンダイオードとスイッチと共に、動作モードM1 ～ M4も示しています。

フルブリッジインバータ

図10 : フルブリッジインバータ

図10は、4つのスイッチングデバイス (トランジスタ、IGBT、MOSFET、またはサイリスタ) と、フルブリッジインバータトポロジーで使用される4つのフィードバックダイオードの「Hブリッジ」配置を示しています。ハーフブリッジアーキテクチャと比較して、このトポロジーはより大きな出力電圧能力を提供します。フルブリッジインバータは部品数が多く複雑であるにもかかわらず、性能が向上するため、モータドライブ、ソーラーインバータ、UPSシステムなど、多くの単相インバータアプリケーションでよく使用されています。

フルブリッジインバータの負荷は、抵抗 (R)、または抵抗と誘導 (RL) です。R負荷の電流波形と出力電圧波形は同じです。ただし、負荷の誘導性により、RL負荷の電流波形は電圧波形に位相シフトされます。負荷の力率は位相シフトの大きさに影響します。

R負荷による動作

図11 : フルブリッジインバータゲート信号およびR負荷の出力電圧

図11では、出力電圧とインバータのゲーティング信号が表示されています。出力の基本成分のRMS値は0.9Vdcであり、これはハーフブリッジインバータの2倍であることが容易にわかります。

R負荷のフルブリッジインバータの場合、2つの主な動作モードは次のとおりです。

図12 : R負荷によるフルブリッジインバータのモード1

図12は、フルブリッジインバータにおけるR負荷用のモード1を示しています。左上スイッチ (T1) と右下スイッチ (T2) をオンにし、右上スイッチ (T3) と左下スイッチ (T4) をオフにした場合、出力電圧はDC電源電圧と等しくなります。電流は負荷、左上のスイッチ (T1)、右下のスイッチ (T2) に流れます。

負荷全体で、出力電圧は以下のようになります。

$$VO = V_{dc}$$

同様に、出力電流は以下のようになります。

$$VO / RL$$

図13 : R負荷によるフルブリッジインバータのモード2

図13は、フルブリッジインバータにおけるR負荷用のモード2を示しています。右上スイッチ (T3) と左下スイッチ (T4) をオンにし、左上スイッチ (T1) と右下スイッチ (T2) をオフにした場合、出力電圧は負のDC電源電圧と等しくなります。この場合、電流は負荷、右上のスイッチ (T3)、左下のスイッチ (T4) に流れます。

負荷全体で、出力電圧は以下のようになります。

$$VO = -V_{dc}$$

同様に、出力電流は以下のようになります。

$$VO = R_L$$

RL負荷による動作

RL負荷のフルブリッジインバータは、4つの動作モードを備えています。2つの追加モードは、フリーホイール操作を反映しています。ダイオードのフリーホイール動作のため、負荷にかかる電圧の極性はすぐには変化しません。RL負荷を含むアプリケーションでは、フルブリッジインバータのフリーホイールダイオード (D1、D2、D3、およびD4) が最適な機能用に不可欠です。これらは、誘導負荷電流に低インピーダンスチャネルを与え、スイッチがオン状態とオフ状態の間でシフトします。フリーホイールダイオードは、スイッチング遷移時に負荷を流れる電流を連続的に流すことができ、誘導負荷によって生じる電圧スパイクからスイッチを保護することで、インバータ全体の性能と信頼性を向上させます。RL負荷のフルブリッジインバータとその4つの動作モードは次のとおりです。

図14 : RL負荷によるフルブリッジインバータのモード1

図14は、フルブリッジインバータのRL負荷に対するモード1を示しています。この場合、スイッチT1とT2はソースから負荷への輸送電流を伝導します。入力電圧Vdc全体の負荷に正極性が存在し、電流は最大値に達するまで徐々に増加します。このモードでは電圧と電流が同じ極性であるため、インダクタはエネルギーを蓄えます。

図15 : RL負荷によるフルブリッジインバータのモード2

図15は、フルブリッジインバータのRL負荷に対するモード2を示しています。フィードバックダイオードD3およびD4は、負荷の蓄積エネルギーをモード2でソースに伝達します。サイリスタT1とT2はフィードバックダイオードによって整流され、すぐに導通を開始します。さらに、これらのダイオードはdi/dtスパイクを低減し、負荷全体に負の電圧が発生します。しかし、電流の極性は同じままで、ゼロに達するまで着実に減少していきます。

図16 : RL負荷によるフルブリッジインバータのモード3

図16は、フルブリッジインバータのRL負荷に対するモード3を示しています。T3およびT4サイリスタは、誘導負荷が完全に放電されると、モード3で即座に有効になります。電流はそれに対して流れ始め、負のピークに達するまで徐々に速度を上げていきます。モード3では、電流と電圧は両方とも負です。したがって、インダクタは再びエネルギーを蓄えます。

図17 : RL負荷によるフルブリッジインバータのモード4

図17は、フルブリッジインバータのRL負荷に対するモード4を示しています。フィードバックダイオードD1とD2は、以前にトリガーされたT3とT4が整流するとすぐに導通を開始するモード4で使用されます。

図18 : LおよびRL負荷時のフルブリッジインバータの出力電圧および電流

図18は、LおよびRL負荷を持つ完全なブリッジの出力電圧と電流を示しています。電流の基本成分は、電圧の基本成分よりも遅れているように見えるかもしれません。図は、各モードのアクティブダイオードとサイリスタを示しています。