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社団法人日本電気技術者協会 電気技術解説講座 文字サイズ変更ヘルプ
Presented by Electric Engineer's Association
インバータ機器(1)基礎 高岳製作所 監査役 松田高幸

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。
※テキスト中の図はクリックすると大きく表示されます

01 各種素子(電力用半導体デバイス)

(1)ダイオード

  1. ダイオードに関する概要を第1図に示す。
  2. 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

  1. トランジスタに関する概要を第2図に示す。
  2. 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、Bの大きさによってC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

  1. サイリスタに関する概要を第3図に示す。
  2. 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

  1. GTOに関する概要を第4図に示す。
  2. 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

  1. MOSFETに関する概要を第6図に示す。
  2. 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IDVGS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

  1. IGBTに関する概要を第7図に示す。
  2. 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

  1. 今までの各素子の比較を第1表に示す。
  2. 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。


02 インバータの利用状況

(1)インバータ回路の原理

  1. インバータの原理概要を第8図に示す。
  2. 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)
  3. 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

  1. DCチョッパ回路の原理概要を第9図に示す。
  2. 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

  1. PWM制御の事例を第10図に示す。
  2. 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)

  1. PWM制御の実態を第11図に示す。
  2. 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)

  1. PWM制御の実態を第12図に示す。
  2. 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)

  1. PWM制御の実態を第13図に示す。
  2. 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)

  1. PWM制御の実態を第14図に示す。
  2. 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。