整流セル

整流セルはパワーエレクトロニクスの基本構造です。2つの電子スイッチ（今日では機械式スイッチではなく高出力半導体）で構成されています。伝統的にチョッパーと呼ばれていましたが、スイッチング電源が電力変換の主要形態になって以来、この新しい用語がより一般的になっています。^[1]

整流セルの目的は、DC 電力を矩形波の交流に「切り刻む」ことです。これにより、インダクタとコンデンサをLC 回路で使用して電圧を変更できます。これは、理論上は損失のないプロセスですが、実際には、80 ～ 90% を超える効率が日常的に達成されています。出力は通常、フィルターを通過してクリーンな DC 電力を生成します。整流セルのスイッチのオン/オフ時間 (デューティサイクル) を制御することで、出力電圧を調整できます。

この基本原理は、ポータブルデバイスの小型DC-DC コンバータから高電圧DC 電力伝送用の大規模なスイッチングステーションまで、ほとんどの最新電源の中核をなしています。

2つの電力要素の接続

整流セルは、電力を生成することも吸収することもできるが、しばしばソースと呼ばれる2つの電力要素を接続します。^[2]

電源を接続するにはいくつかの要件があります。不可能な構成は図 1 にリストされています。基本的には次のようになります。

電圧源は短絡できません。短絡するとゼロ電圧が発生し、電圧源によって生成された電圧と矛盾するからです。
同様に、電流源を開回路に配置することはできません。
2 つ (またはそれ以上) の電圧源を並列に接続することはできません。それぞれの電圧源が回路に電圧をかけようとするためです。
2 つ (またはそれ以上) の電流源を直列に接続することはできません。それぞれの電流源がループ内に電流を流そうとするからです。

これは、従来の電源 (バッテリー、発電機) とコンデンサおよびインダクタに適用されます。短い時間スケールでは、コンデンサは電圧源と同じであり、インダクタは電流源と同じです。異なる電圧レベルの 2 つのコンデンサを並列に接続すると、2 つの電圧源が接続され、図 1 の禁止されている接続の 1 つになります。

図 2 は、このような接続の効率の悪さを示しています。1 つのコンデンサは電圧 V まで充電され、同じ容量の放電されたコンデンサに接続されています。

接続する前、回路内のエネルギーはであり、電荷量 Q はに等しくなります。ここで、U は位置エネルギーです。 $E={\frac {1}{2}}C\cdot V^{2}$ $C\cdot U$

接続後は電荷の量は一定で、総静電容量はです。したがって、静電容量間の電圧はです。回路内のエネルギーはです。したがって、接続中にエネルギーの半分が消費されています。 $2C$ ${\frac {Q}{2C}}={\frac {V}{2}}$ ${\frac {1}{2}}(2C)\left({\frac {V}{2}}\right)^{2}={\frac {E}{2}}$

2 つのインダクタンスを直列に接続した場合も同様です。磁束 ( ) は整流の前後で一定です。整流後の全インダクタンスは 2L なので、電流は(図 2 を参照) になります。整流前のエネルギーはです。整流後はです。ここでも、エネルギーの半分が整流中に消費されます。 $\Phi =L\cdot I$ ${\frac {I}{2}}$ ${\frac {1}{2}}L\cdot I^{2}$ ${\frac {1}{2}}L\cdot \left({\frac {I}{2}}\right)^{2}$

その結果、整流セルは電圧源を電流源にのみ接続できることがわかります (逆も同様)。ただし、インダクタとコンデンサを使用すると、ソースの動作を変換できます。たとえば、インダクタを使用してエネルギーを転送する場合、コンバータを介して 2 つの電圧源を接続できます。

整流セルの構造

前述のように、整流セルは電圧源と電流源の間に配置する必要があります。セルの状態に応じて、両方のソースが接続されるか、分離されます。分離されている場合、開回路で電流を生成することは不可能であるため、電流源を短絡する必要があります。整流セルの基本的な回路図は、図 3 (上) に示されています。これは、反対の状態の 2 つのスイッチを使用します。図 3 に示す構成では、両方のソースが分離され、電流源が短絡されています。上のスイッチがオン (下のスイッチがオフ) の場合、両方のソースが接続されます。

スイッチ間の完全な同期は不可能です。整流中のある時点で、スイッチはオン (電圧源がショート) またはオフ (電流源がオープン回路のまま) になります。このため、スイッチの 1 つをダイオードに置き換える必要があります。ダイオードは自然な整流デバイスです。つまり、その状態は回路自体によって制御されます。必要な瞬間にオンまたはオフになります。整流セルでダイオードを使用すると、単方向になります (図 3 を参照)。双方向セルを構築できますが、これは 2 つの単方向セルを並列に接続したものに相当します。

コンバータの整流セル

整流セルは、あらゆる電力電子コンバータに存在します。図 4 にいくつかの例を示します。図からわかるように、「電流源」（実際にはインダクタンスを含むループ）は常に中間点と整流セルの外部接続の 1 つとの間に接続され、電圧源（またはコンデンサ、または電圧源とコンデンサの直列接続）は常に 2 つの外部接続に接続されます。^[3]

参照

参考文献

^ Perret, Robert (2013-03-01). パワーエレクトロニクス半導体デバイス. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-62320-6。
^ レンメン、E. (2017)。拡張整流セル: 柔軟なマルチレベル電力処理への道。アイントホーフェン工科大学。ISBN 978-90-386-4216-1。
^ Cheron, Y. (2012-12-06). ソフトコミュテーション. Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-2350-1。

外部リンク

4つのブーストバックトポロジー

[1] Perret, Robert (2013-03-01). パワーエレクトロニクス半導体デバイス. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-62320-6。

[2] レンメン、E. (2017)。拡張整流セル: 柔軟なマルチレベル電力処理への道。アイントホーフェン工科大学。ISBN 978-90-386-4216-1。

[3] Cheron, Y. (2012-12-06). ソフトコミュテーション. Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-2350-1。