はじめに

現代の電子システムは、DC電力を振幅、周波数、位相差を調整可能な三相AC電力に変換する三相インバータなしでは機能しません。これらは、配電ネットワーク、再生可能エネルギーシステム、産業用モータドライブなど、いくつかのアプリケーションで不可欠です。このセクションでは、単相インバータよりも三相インバータの主な機能と利点について説明します。

以下のセクションで、多くの三相インバータタイプとその必須部品、回路トポロジーについて説明します。

回路トポロジー

一般的に、フルブリッジトポロジーは三相インバータに使用されます。

モータ駆動、UPS、グリッド接続ソーラーインバータなどの三相アプリケーションでは、三相フルブリッジインバータトポロジーがよく使用される設計です。このアーキテクチャは以下です。

図19 : 三相フルブリッジインバータのトポロジー

120度通電モードと180度通電モードは、それぞれ三相フルブリッジインバータの基本動作モードです。

120度通電モード

図20 : 120度通電モードのゲートおよびニュートラル電圧への位相波形

図20は、平衡Y接続の抵抗負荷を120度通電モードで使用した場合の、位相とニュートラル間電圧とゲート信号を描いています。トランジスタは次の順序で動作します : 61、12、23、34、45、56、61。すべてのスイッチは120度の間通電します。各フェーズレッグでは、常に2つのスイッチのみが動作し、それぞれが基本期間の3分の1の間動作します。ニュートラル電圧への出力位相のパターンは簡単にわかります。例を挙げると、g1とg6がアクティブの場合の時間間隔 (0～π/3) を考ると、Vsがノードaとbに出現し、結果としてVan = vs/2とVbn = -vs/2になります。これと同様に、他の電圧パターンは簡単に推定して判断できます。

180度通電モード

図21 : 180度通電モードのゲートおよび相間電圧波形

図21は、180度通電モードで動作する平衡抵抗負荷の位相間電圧とゲート信号を示しています。3個のトランジスタが常時オンになっており、各スイッチは基本出力電圧波形の180度を通電します。

180度通電モードでの出力位相間電圧パターンは簡単に判断できます。g1、g5、およびg6がアクティブになり、ノードaとb、およびノードcとbにわたってVsが発生する最初の時間間隔 (0からπ/3) で、g1、g5、およびg6がアクティブの場合を考えます。同じく、他の電圧パターンの推定と判断も簡単にできます。

同様に、ゲート信号パターンから平衡Y接続負荷用のニュートラル電圧への位相を計算することができ、最終的にステップ方形波形になります。3つのトランジスタが同時にアクティブになるため、ステップサイズはVs/3になります。例えば、g1、g5、g6がオンの場合の最初の期間 (0からπ/3) を考えてみましょう。VsはノードA/cとBの間に現れます。したがって、Van = vs * (RL/2) / (3Rl/2) = vs/3 となります。同様に、図22のVanに示すように、他の電圧パターンを簡単に推定して判断することができます。

図22 : 三相インバータのニュートラル電圧への代表的な位相

図23 ： RL負荷付き三相インバータの代表的な位相電流

フリーホイールダイオードは、RL負荷の三相インバータで重要な役割を果たすことに注意しましょう。図23によると、各インバータのアームの電流は、基本電圧に達するまで遅延します。電流は本質的に誘導性であるため、電圧極性が逆になっても急速に変化することはありません。例として、Q1がオンになり、正の負荷電流が発生した場合を考えてみましょう。負荷電流の誘導性と、D4が電流の通り道を提供するため、負荷電流は即座に崩壊しません。トランジスタとダイオードの通電時間は負荷力率に依存するため、トランジスタは継続的にゲートを制御しなければないことに留意する必要があります。

120度と180度の通電モード

負荷端子のうち2つは入力電源に接続されており、3つ目は120度通電モードで開いたままになっています。オープン端子の予期しない電位は、負荷特性によって決まります。各トランジスタの120度の通電モードは、同一の負荷状態の180度の通電モードと比較して、使用率が低くなります。これらの理由により、三相インバータは180度導通電モードで動作することが好まれます。