インバータ機器は高性能・省エネ効果の面から幅広く採用されている。今回は各種半導体デバイスの構成、図記号、特性、特徴などインバータ利用機器の概要を解説。
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(1)ダイオード
- ダイオードに関する概要を第１図に示す。
- 主な特徴は以下のとおりである。
- ｐｎ接合
- 順方向は電流が流れ、逆方向は流れない（交流の場合、片側だけ流れる）。
- 図記号は図のように表す（端子はアノードＡ、カソードＫ）。
- 特性は図のとおり、順方向電圧では流れ（順方向電流ＩＦ）、逆方向電圧では流れない（逆方向電圧が降伏電圧を超えると大きな電流が流れる）。
(2)トランジスタ
- トランジスタに関する概要を第２図に示す。
- 主な特徴は以下のとおりである。
- ｎｐｎまたはｐｎｐ接合
- ベース電流（IB）を流すとコレクタ電流（IC）が流れる。
この場合、ＩBの大きさによってＩCの大きさが変化する。
- 図記号は図のように表す（端子はコレクタＣ、ベースＢ、エミッタＥ）。
- 特性は図のとおり、ベース電流（IB）が大きいほどコレクタ電流（IC）は大きくなる。
(３)サイリスタ
- サイリスタに関する概要を第３図に示す。
- 主な特徴は以下のとおりである。
- ｐ形とｎ形を４層に接合
- ゲート電流（IG）が流れるとターンオンし、アノード電流が流れる。
| ターンオン |
： |
オフからオンになることをターンオンという。 |
| |
： |
ターンオンすると、順方向電圧の場合、アノード電流が流れ
る。 |
| |
： |
いったんターンオンし電流が流れると継続する（保持電流）。
このためターンオフするには転流回路が必要である。 |
- 図記号は図のように表す（端子はアノードA、ゲートG、カソードK）。
- 特性は図のとおり、ゲート電流（IG）が流れていると順方向電圧でオン
状態になる（IGが大きいほど順方向電圧が小さくてもオン状態になる）。
(４)ＧＴＯ
- ＧＴＯに関する概要を第４図に示す。
- 主な特徴は以下のとおりである。
- ゲート信号でターンオフできるサイリスタ（転流回路不要）といえる。
- すなわち、正のゲート電流でターンオン、負のゲート電流でターンオフ。
- 図記号は図のように表す（端子はアノードA、ゲートG、カソードK）
（図記号はサイリスタと似かよっている）。
- 特性は正のゲート電流（ゲートオン）でアノード電流が流れはじめ、負のゲート電流（ゲートオフ）でアノード電流がゼロになる。
- 電流波形はゲートオン、オフに伴い（特性３（波形例））のようになる。
- その他の特徴
- サイリスタの欠点である転流回路が不要である（サイリスタを改良）。
- 参考として、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯの場合の波形例を第５図に示す。
(５)ＭＯＳＦＥＴ
- ＭＯＳＦＥＴに関する概要を第６図に示す。
- 主な特徴は以下のとおりである。
- ベースに加える電圧により出力電流を制御する（前述のトランジスタはベー
スに加える電流によって制御する）。
（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）
- 図記号は図のように表す（端子はドレインD、ゲートG、ソースS）。
- 特性は図のとおりトランジスタの場合と似ている（ただし、トランジスタのIBに対し、VGSになっている。すなわち、ドレイン電流IDはVGSが大きいほど大きくなる）。
- その他の特徴
- スイッチング周波数が極めて高い（機能向上面で有利）が、一方で大型化が難しい、ロスが多い。
(６)ＩＧＢＴ
- ＩＧＢＴに関する概要を第７図に示す。
- 主な特徴は以下のとおりである。
- トランジスタで、ゲートにMOSFETを組み込んだ複合素子である（一般のトランジスタはベースに加える電流によって制御する）。
（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）
- 図記号は図のように表す（端子はコレクタＣ、ゲートＧ、エミッタＥ）。
- 特性は図のとおりトランジスタの場合と似ている（ただし、トランジスタのIBに対し、VGEになっている）。
- その他の特徴
- スイッチング速度はMOSFETより遅いが、トランジスタより早い。
- インバータ機器として中心的な素子である。
(７)各素子の比較
- 今までの各素子の比較を第1表に示す。
- 主な特徴は以下のとおりである。
- 駆動信号はサイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタが電流、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ
ＦＥＴが電圧である。
- サイリスタ以外の素子は自己消弧能力がある(電流遮断の制御ができる)。
- 右側に行くほど動作周波数（スイッチング周波数）が高い（MOSFET、ＩＧＢＴ、トランジスタ、GTO、サイリスタの順）。
- その他の特徴
- ＩＧＢＴの特性はトランジスタとＭＯＳＦＥＴの中間的な特性である。
(1)インバータ回路の原理
- インバータの原理概要を第８図に示す。
- 特徴
- 原理的には方形波になる。
- インバータ：直流電力を交流電力に変換（逆変換装置）
- コンバータ：交流電力を直流電力に変換（順変換装置）
- その他は図で説明（図面に一通り記載）
- 参考
半導体素子・サイリスタ（転流回路）・トランジスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等特徴
変換方式・電圧形、電流形（一般には電圧形）
出力波形 ・正弦波出力、方形波出力、ＰＷＭ波出力など
(2)ＤＣチョッパ回路
- ＤＣチョッパ回路の原理概要を第9図に示す。
- 特徴
- ＤＣチョッパ回路：オンとオフの時間で出力電圧を調整
- チョッパ（Chopper）とは「切り刻む道具」の意味
- オンとオフの時間で出力電圧Voを調整
(3)ＰＷＭ制御
- PWM制御の事例を第10図に示す。
- 特徴
- インバータ回路の出力は方形波なので、これを正弦波に近づくようにする。
- コンパレータの出力を例えばトランジスタのベースとして使い、図のように
平均すると正弦波に近くする。
- ＰＷＭ：Pulse Width Modulation Control
(4)インバータ回路例（スイッチングレギュレータ）
- PWM制御の実態を第11図に示す。
- 特徴
- 直流をいったん交流にし、希望する直流電圧にする（多くの方式がある）。
- 直流入力をいったん20〜500ｋHｚの交流にして変圧し、整流回路で変圧し
DC−DC変換する。
- 中間に（高周波）トランスを用いる（出力電圧は5、15、24Ｖなど）。
- 電子回路の直流電源装置として数多く用いられている。
(5)インバータ回路例（誘導電動機）
- PWM制御の実態を第１2図に示す。
- 特徴
- モータの種類としては同期電動機と誘導電動機がある。
- 同期電動機は磁極が必要である。
- 誘導電動機は巻線形とかご形がある。
- 制御としては、磁束を一定にしている（V /F比一定制御、VVVF制御）
- その他は図で説明（図面に一通り記載）。
(6)インバータ回路例（直流電動機）
- PWM制御の実態を第１3図に示す。
- 特徴
- モータの種類としては、他励式、直巻式、分巻式などがある。
- 速度制御としては、電機子電圧と界磁電流を変化させる。
- 逆転も簡単に可能である。
- ＧＴＯサイリスタによる電車のチョッパ制御などがある。
(7)インバータ回路例（エアコン）
- PWM制御の実態を第１4図に示す。
- 特徴
- 従来のエアコンが圧縮機をオン・オフさせて制御するのに比べ、インバータエアコンは滑らかである。
- その他、回路の効率化、小型化などが進んでいる。
