パワーエレクトロニクス回路

パワーエレクトロニクス回路の要点

はじめて学ぶ人へ: インバーターとは? エアコンやEVで電気を自在に変えるしくみ / ACアダプターのしくみ: 充電器はどう100Vを5Vにする?

パワー半導体の素子は、それだけでは電力を変換できません。ダイオードやサイリスタ、MOSFET、IGBTを、インダクタやコンデンサ、変圧器と組み合わせて回路にし、決まったタイミングでスイッチすることで、交流を直流に、直流を別の電圧の直流に、直流を交流に変えられます。ここでは、そうした電力変換の回路と、それで駆動する電動機の基本を学びます。

まず、単相と三相の整流回路、全波整流の平均値、平滑コンデンサの脈動の見積もり、サイリスタの位相制御と点弧角、電源転流、ひずんだ電流の力率を扱います。続いて、降圧・昇圧・昇降圧チョッパの変換比を、インダクタの電圧と時間の積のつり合いから確かめ、インダクタ電流の脈動、電流連続モードと電流不連続モードの境界、出力電圧の脈動、同期整流とデッドタイムの間の電流、スイッチング損失、軽い負荷での効率を計算と合わせて学びます。絶縁形のコンバータは、フライバックとフォワードの動作の入口だけを扱います。後半では、ハーフブリッジとフルブリッジのインバータ、正弦波PWMと変調率、三相インバータの線間電圧、過変調、搬送波の周波数の選び方、デッドタイムによる電圧の誤差、ブートストラップ回路のコンデンサ、昇圧形の力率改善回路を扱い、最後に、誘導電動機の同期速度とすべり、V/f制御、直流電動機の逆起電力とトルク、ブラシレスDCモータ、減速時の回生、理想変圧器の電流の比を確かめます。第三種電気主任技術者試験(電験三種)の「機械」のパワーエレクトロニクスと電動機、電気工事士の学科の電気理論、韓国の電気技士(전기기사)の「電気機器」の学習の入口としても使えます。計算問題の値は、誤りの選択肢の値も含めて、Python(NumPy)で計算して確かめています。MOSFET・IGBT・SiC・GaNなどの素子の構造と特性、ゲートドライバ、スナバ回路、ソフトスイッチングは「パワー半導体」、LDOとスイッチングレギュレータの比較は「アナログ・電子回路」、交流回路と三相交流、変圧器の電圧の比とインピーダンスの変換は「電気回路・電磁気の基礎」、DC-DCコンバータの制御ループとモータのカスケード制御は「制御工学の基礎」、PWMとデューティ比は「組込み・ファームウェア」、電気自動車のインバータは「車載半導体と機能安全」の分野で扱います。