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アクティブ整流、または同期整流は、ダイオードをアクティブに制御されるスイッチ（通常はパワーMOSFETまたはパワーバイポーラ接合トランジスタ（BJT））に置き換えることで整流効率を向上させる技術です。[1]通常の半導体ダイオードの電圧降下はほぼ0.5～1ボルト程度に固定されていますが、アクティブ整流器は抵抗として動作し、電圧降下を任意に低くすることができます。
歴史的には、振動駆動スイッチやモーター駆動 整流子も機械整流器や同期整流に使用されてきた。 [2]
アクティブ整流には多くの用途があります。太陽光パネルのアレイでは、部分的な日陰による過熱の原因となる逆電流を回避しながら電力損失を最小限に抑えるためによく使用されます。また、スイッチング電源(SMPS)でも使用されます。 [1]
モチベーション
標準的なpn 接合 ダイオードの定常電圧降下は通常 0.7 V ～ 1.7 V であり、ダイオードで大きな電力損失が発生します。電力は電流と電圧に依存し、電力損失は電流と電圧の両方に比例して増加します。
低電圧コンバータ（約 10 ボルト以下）では、ダイオードの電圧降下（定格電流でのシリコン ダイオードの場合、通常約 0.7 ～ 1 ボルト）が効率に悪影響を及ぼします。1 つの典型的な解決策は、標準のシリコン ダイオードを、電圧降下が非常に低い（最低 0.3 ボルト）ショットキー ダイオードに置き換えることです。ただし、ショットキー整流器でも、高電流および低電圧では、同期整流器よりも損失が大幅に大きくなる可能性があります。
コンピュータCPU用の降圧コンバータ電源（出力電圧が約1ボルト、出力電流が数アンペア）などの非常に低電圧のコンバータを扱う場合、ショットキー整流では十分な効率が得られません。このようなアプリケーションでは、アクティブ整流が必要になります。[1]
説明
ダイオードを MOSFET などのアクティブに制御されるスイッチング素子に置き換えることが、アクティブ整流の核心です。MOSFET は導通時にオン抵抗 (R DS(on) ) と呼ばれる一定の非常に低い抵抗を持ちます。オン抵抗は 10 mΩ かそれ以下にすることができます。トランジスタ全体の電圧降下は大幅に低くなるため、電力損失が減り、効率が向上します。ただし、 MOSFET 全体の電圧降下はオームの法則に従うため、高電流では降下がダイオードを超える可能性があります。この制限は通常、複数のトランジスタを並列に配置して個々のトランジスタを流れる電流を減らすか、アクティブ領域が大きいデバイス (FET では並列と同等のデバイス) を使用することで対処されます。
アクティブ整流の制御回路は通常、コンパレータを使用して入力 AC の電圧を感知し、適切なタイミングでトランジスタを開いて電流が正しい方向に流れるようにします。タイミングは非常に重要です。入力電源の短絡は避ける必要があり、1 つのトランジスタがオンになってから別のトランジスタがオフになると簡単に短絡が発生する可能性があるためです。アクティブ整流器でも、整流のみの場合よりも滑らかな電力を供給するために、パッシブ例にある平滑コンデンサが必要であることは明らかです。
アクティブ整流を使用してAC/DC 変換を実装すると、設計をさらに改善して (より複雑になりますが)アクティブ力率補正を実現できます。これにより、AC ソースの電流波形が電圧波形に追従し、無効電流が排除され、システム全体の効率が向上します。
MOSFETベースの理想ダイオード
整流器として機能するように能動的に制御される MOSFET (一方向に電流を流すために能動的にオンになり、反対方向に電流が流れるのをブロックするために能動的にオフになる) は、理想ダイオードと呼ばれることもあります。
太陽光発電パネルのバイパス、逆接続保護、ブリッジ整流器に標準ダイオードではなくこれらの理想ダイオードを使用すると、ダイオードで消費される電力量が削減され、効率が向上し、回路基板のサイズが小さくなり、電力消費に対処するために必要なヒートシンクの重量が軽減されます。[3] [4] [5] [6] [7] [8]
このような MOSFET ベースの理想ダイオードは、精密整流器と呼ばれることが多いオペアンプ ベースのスーパー ダイオードと混同しないでください。
工事
Hブリッジを参照してください。
参考文献
- ^ abc Ali Emadi (2009). 統合パワーエレクトロニクスコンバータとデジタル制御。CRC Press。pp. 145–146。ISBN 978-1-4398-0069-0。
- ^ Maurice Agnus Oudin (1907). 標準多相装置およびシステム (第 5 版). Van Nostrand. p. 236.
同期整流器整流子.
- ^ 「ソーラーパネルバイパス用の理想的なダイオード」。
- ^ 「理想ダイオードブリッジコントローラ」。
- ^ 「理想的なダイオード ブリッジ コントローラが PoE 給電デバイスの電力損失と発熱を最小限に抑える」
- ^ 「逆電流回路保護」Wayback Machineで 2019 年 8 月 13 日にアーカイブ。
- ^ 「逆電流/バッテリー保護回路」。
- ^ 「パワーMOSFETを使用した逆電力保護」。
さらに読む
- T. Grossen、E. Menzel、JJR Enslin。(1999) 力率補正と低 EMI を備えた 3 相降圧アクティブ整流器。IEE Proceedings - Electric Power Applications、Vol. 146、Iss. 6、1999 年 11 月、pp. 591–596。 デジタル オブジェクト識別子:10.1049/ip-epa:19990523。
- W. Santiago、A. Birchenough。(2005) 高出力スターリングエンジンに適用される単相パッシブ整流とアクティブ整流。AIAA 2005-5687。