パワーインバータ

電力インバータ、インバータ、またはインバータは、直流（DC）を交流（AC）に変換する電力電子機器または回路です。 ^[1]結果として得られるAC周波数は、使用する特定のデバイスによって異なります。インバータは、もともとACをDCに変換する大型の電気機械デバイスであった整流器の逆のことを行います。 ^[2]

入力電圧、出力電圧と周波数、および全体的な電力処理は、特定のデバイスまたは回路の設計によって異なります。インバータは電力を生成しません。電力は DC 電源によって供給されます。

電力インバータは完全に電子化されている場合もあれば、機械的な効果（回転装置など）と電子回路の組み合わせである場合もあります。 静的インバータは、変換プロセスで可動部品を使用しません。

電力インバータは主に、高電流および高電圧が発生する電力アプリケーションで使用されます。通常、非常に低い電流および電圧を持つ電子信号に対して同じ機能を実行する回路は、発振器と呼ばれます。反対の機能、つまり AC を DC に変換する回路は、整流器と呼ばれます。

一般的な電力インバータ装置または回路には、システムの想定電力需要に十分な電流を供給できる安定した DC 電源が必要です。入力電圧はインバータの設計と目的によって異なります。例:

• 12V DC、小型の民生用および商用インバーター用で、通常は充電式12V鉛蓄電池または自動車用電源コンセントから動作します。^[3]
• 家庭用エネルギー システムの一般的な規格である 24、36、48 V DC。
• 太陽光発電パネルから電力を供給する場合、200 ～ 400 V DC。
• 車両からグリッドへのシステムで電気自動車のバッテリー パックから電力が供給される場合、300 ～ 450 V DC。
• 数十万ボルト。インバーターは高電圧直流電力伝送システムの一部です。

インバータは、回路設計に応じて、方形波、正弦波、修正正弦波、パルス正弦波、または近似正弦波パルス幅変調波 (PWM) を生成します。一般的なタイプのインバータは、方形波または準方形波を生成します。正弦波の純度の1つの尺度は、全高調波歪み(THD) です。^[4]商用電力配電網の技術基準では、顧客の接続ポイントでの波形のTHDが3%未満であることが求められています。IEEE規格519では、電力網に接続するシステムのTHDが5%未満であることが推奨されています。

低電圧DC電源から家庭用プラグイン電圧を生成するための基本的な設計は2つあります。1つ目はスイッチングブーストコンバータを使用して高電圧DCを生成し、それをACに変換する方法です。2つ目はバッテリーレベルでDCをACに変換し、ライン周波数 トランスを使用して出力電圧を生成する方法です。^[5]

50%デューティ サイクルの矩形波は、インバータ設計で生成できる最も単純な波形の 1 つですが、基本正弦波に約 48.3% の THD が追加されます。^[4]そのため、矩形波出力はオーディオ機器に接続すると望ましくない「ハミング」ノイズを生成する可能性があり、照明や暖房などの低感度アプリケーションに適しています。

複数ステップの正弦波 AC 波形を生成する電力インバータ デバイスは、正弦波インバータと呼ばれます。修正正弦波(3 ステップ) インバータ設計よりも歪みの少ない出力を持つインバータをより明確に区別するために、メーカーは多くの場合、純正正弦波インバータという用語を使用します。「純正正弦波インバータ」として販売されているほぼすべての消費者向けインバータは、滑らかな正弦波出力をまったく生成しません。^[要出典]矩形波 (2 ステップ) および修正正弦波 (3 ステップ) インバータよりも途切れにくい出力を生成するだけです。ただし、ほとんどの電子機器では出力を非常にうまく処理するため、これは重要ではありません。

電力インバーター デバイスが標準のライン電源の代わりとなる場合、多くの電気製品は正弦波 AC 電源で最適に動作するように設計されているため、正弦波出力が望ましいです。標準の電力会社は正弦波を供給しますが、通常はわずかな欠陥がありますが、場合によっては大きな歪みが生じることがあります。

波形出力が 3 段階を超える正弦波インバーターは、3 段階のみの修正正弦波や、同じ電力処理の矩形波 (1 段階) タイプよりも複雑で、コストが大幅に高くなります。パーソナル コンピューターや DVD プレーヤーなどのスイッチング モード電源(SMPS) デバイスは、修正正弦波電力で動作します。非正弦波電力で直接動作する AC モーターは、余分な熱を生成したり、速度とトルクの特性が異なったり、正弦波電力で動作しているときよりも可聴ノイズが大きくなったりすることがあります。

修正正弦波は 2 つの方形波の合計で、そのうちの 1 つはもう 1 つの方形波に対して 1/4 周期遅れています。その結果、ゼロ、正のピーク、ゼロ、負のピーク、再びゼロという電圧ステップ シーケンスが繰り返されます。結果として得られる電圧波形は、単一の方形波よりも正弦波電圧波形の形状に近くなります。安価な民生用電力インバータのほとんどは、純粋な正弦波ではなく修正正弦波を生成します。

波形のピーク電圧値がサイクル時間の半分になるように選択すると、ピーク電圧とRMS電圧の比率は正弦波と同じになります。DC バス電圧はアクティブに調整するか、または「オン」と「オフ」の時間を変更して DC バス電圧まで同じ RMS 値出力を維持し、DC バス電圧の変動を補正することができます。パルス幅を変更することで、高調波スペクトルを変更できます。3 段階の修正正弦波の最低 THD は、パルスが各電気サイクルの幅 130 度の場合に 30% です。これは方形波よりもわずかに低い値です。^[6]

パルス幅変調(PWM)と呼ばれる技術により、オン時間とオフ時間の比率を調整して、一定の周波数を維持しながら RMS 電圧を変化させることができます。生成されたゲート パルスは、開発されたパターンに従って各スイッチに与えられ、目的の出力が得られます。出力の高調波スペクトルは、パルスの幅と変調周波数によって異なります。パルスが波形の 130 度を超えると、3 レベル波形の最小歪みに達することがわかりますが、結果として得られる電圧には、グリッド接続電源の商用基準よりも高い約 30% の THD が残ります。^[7]誘導モーターを動作させる場合、電圧高調波は通常は問題になりませんが、電流波形の高調波歪みにより、追加の加熱が発生し、脈動トルクが発生する可能性があります。^[8]

多くの電気機器は、修正正弦波電力インバーター デバイスで問題なく動作します。特に、従来の白熱電球など、本質的に抵抗性のある負荷の場合です。スイッチング モード電源を備えた機器は、ほぼ問題なく動作しますが、機器に主電源トランスが備わっている場合は、定格の限界に応じて過熱する可能性があります。

ただし、修正正弦波に関連する高調波により負荷の動作効率が低下し、動作中にハミング ノイズが発生する可能性があります。また、メーカーの公称変換効率では高調波が考慮されていないため、システム全体の効率にも影響します。したがって、純粋な正弦波インバーターは、修正正弦波インバーターよりも大幅に高い効率を提供する可能性があります。

ほとんどのACモーターは、高調波成分により効率が約20%低下するMSWインバーターで動作します。ただし、ノイズがかなり大きくなる可能性があります。基本周波数に調整された直列LCフィルターが役立つ場合があります。^[9]

民生用パワーインバーターに見られる一般的な修正正弦波インバーターのトポロジーは次のとおりです。オンボードのマイクロコントローラーが、約 50 kHz などの高周波数でパワーMOSFET のオン/オフを高速に切り替えます。MOSFET は、低電圧 DC 電源 (バッテリーなど) から直接電力を供給します。次に、この信号は昇圧トランス (通常は、インバーターの全体的なサイズを小さくするために、多数の小型トランスが並列に配置されます) を通過して、より高い電圧信号が生成されます。昇圧トランスの出力は、コンデンサーによってフィルタリングされ、高電圧 DC 電源が生成されます。最後に、この DC 電源は、マイクロコントローラーによって追加のパワー MOSFET でパルス化され、最終的な修正正弦波信号が生成されます。

より複雑なインバーターは、2 つ以上の電圧を使用して、多段階の正弦波近似を形成します。これにより、正と負のパルスのみを交互に使用するインバーターと比較して、電圧と電流の高調波および THD をさらに低減できますが、このようなインバーターには追加のスイッチング コンポーネントが必要になり、コストが増加します。

一部のインバータはPWM を使用して波形を作成し、ローパス フィルタを適用して正弦波を再現します。これらのインバータは MSN 設計と同様に DC 電源を 1 つだけ必要としますが、スイッチングははるかに高速 (通常は数 kHz) で行われるため、パルスの幅の変化を平滑化して正弦波を作成できます。スイッチング タイミングの生成にマイクロプロセッサを使用すると、高調波の内容と効率を厳密に制御できます。

電力インバータ装置の AC 出力周波数は、通常、標準電力線周波数と同じ 50 または 60ヘルツです。例外はモーター駆動の設計で、可変周波数によって可変速度制御が実現されます。

また、デバイスまたは回路の出力をさらに調整する必要がある場合（たとえば、昇圧する）、トランス効率を高めるために周波数をさらに高くすることができます。

パワーインバータの AC 出力電圧は、インバータが駆動する負荷が変化した場合でも、配電レベルで通常 120 または 240 VAC のグリッドライン電圧と同じになるように調整されることがよくあります。これにより、インバータは標準ライン電源用に設計された多数のデバイスに電力を供給できます。

一部のインバーターでは、選択可能な出力電圧や連続可変出力電圧も使用できます。

パワー インバーターには、ワットまたはキロワットで表された総電力定格が設定されていることがよくあります。これは、インバーターが駆動するデバイスに供給される電力、および間接的に DC 電源から必要となる電力を表します。ライン電力を模倣するように設計された、より小型で人気のある消費者向けおよび商用デバイスは、通常 150 ～ 3000 ワットの範囲です。

すべてのインバータ アプリケーションが電力供給のみ、または主に電力供給に関係しているわけではありません。場合によっては、周波数や波形の特性が後続の回路またはデバイスによって使用されます。

バッテリー駆動のインバータの稼働時間は、バッテリーの電力と、特定の時間にインバータから供給される電力量に依存します。インバータを使用する機器の数が増えると、稼働時間は短くなります。インバータの稼働時間を延ばすために、インバータに追加のバッテリーを追加することができます。^[10]

インバーターバッテリー容量の計算式: ^[11]

バッテリー容量 (Ah) = 総負荷 (ワット) × 使用時間 (時間) / 入力電圧 (V)

インバーターにバッテリーを追加する場合、インストールには 2 つの基本的なオプションがあります。

シリーズ構成

インバータへの全体的な入力電圧を上げることが目的の場合は、バッテリーを直列構成でデイジー チェーン接続することができます。直列構成では、1 つのバッテリーが故障すると、他のバッテリーは負荷に電力を供給できなくなります。

並列構成

容量を増やしてインバーターの稼働時間を延ばすことが目的の場合は、バッテリーを並列に接続することができます。これにより、バッテリー セット全体のアンペア時間(Ah) 定格が増加します。

ただし、1 つのバッテリーが放電すると、他のバッテリーもそれを介して放電します。これにより、パック全体が急速に放電したり、過電流が発生して火災が発生する可能性もあります。これを回避するには、ダイオードまたは自動切り替え機能を備えたインテリジェント モニタリングを介して、大型の並列バッテリーを接続し、電圧不足のバッテリーを他のバッテリーから分離します。

インバータは、バッテリーや燃料電池などの電源からの DC 電力をAC 電力に変換します。電力は必要な任意の電圧にすることができ、特に、主電源操作用に設計された AC 機器を操作したり、任意の電圧で DC を生成するように整流したりできます。

無停電電源装置(UPS) は、主電源が利用できないときにバッテリーとインバーターを使用して AC 電源を供給します。主電源が回復すると、整流器がDC 電源を供給してバッテリーを充電します。

可変出力電圧範囲を生成するように設計されたインバータ回路は、モーター速度コントローラ内でよく使用されます。インバータセクションの DC 電源は、通常の AC 壁コンセントまたはその他の電源から供給できます。制御およびフィードバック回路は、インバータセクションの最終出力を調整するために使用され、これにより、機械的負荷がかかった状態で動作するモーターの速度が最終的に決定されます。モーター速度制御のニーズは数多くあり、産業用モーター駆動装置、電気自動車、鉄道輸送システム、電動工具などが含まれます。(関連項目:可変周波数ドライブ) スイッチング状態は、スイッチング表 1 に示されているパターンに従って、正、負、およびゼロ電圧に対して作成されます。生成されたゲートパルスは、作成されたパターンに従って各スイッチに与えられ、出力が得られます。

インバーターは、コンプレッサーモーターの速度を制御して、冷凍または空調システム内の可変冷媒流量を駆動し、システム性能を調整するために使用できます。このような設備は、インバーターコンプレッサーとして知られています。従来の冷凍調整方法では、定期的にオンとオフを切り替える単一速度コンプレッサーを使用します。インバーターを備えたシステムには、モーターの速度、つまりコンプレッサーと冷却出力を制御する可変周波数ドライブがあります。インバーターからの可変周波数ACは、ブラシレスモーターまたは誘導モーターを駆動します。その速度は、供給されるACの周波数に比例するため、コンプレッサーを可変速度で動作させることができます。コンプレッサーの停止と起動のサイクルがなくなるため、効率が向上します。マイクロコントローラーは通常、冷却する空間の温度を監視し、コンプレッサーの速度を調整して目的の温度を維持します。追加の電子機器とシステムハードウェアは機器のコストを増加させますが、運用コストを大幅に節約できます。^[12]最初のインバーターエアコンは、1981年に日本で東芝によって発売されました。^[13]

グリッドタイドインバータは、電力配電システムに電力を供給するように設計されています。^[14]電力線と同期して送電し、高調波成分を可能な限り少なくします。また、安全上の理由から、停電時に危険な電力をグリッドに供給し続けないように、商用電源の存在を検出する手段も必要です。

同期インバータは回転発電機をシミュレートするように設計されたインバータで、グリッドの安定化に役立ちます。同期インバータは、グリッド周波数の変化に対して通常の発電機よりも速く反応するように設計できるため、従来の発電機が需要や生産の非常に突然の変化に対応できるようになります。

数百メガワットの定格を持つ大型インバーターは、高電圧直流送電システムから交流配電システムに電力を供給するために使用されます。

ソーラーインバータは、太陽光発電システムのシステムバランス(BOS) コンポーネントであり、グリッド接続システムとオフグリッド (スタンドアロン) システムの両方に使用できます。ソーラー インバータには、最大電力点追跡や単独運転防止保護など、太陽光発電アレイでの使用に適した特別な機能があります。

ソーラー マイクロ インバータは従来のインバータとは異なり、個々のソーラー パネルに個別のマイクロ インバータが取り付けられています。これにより、システム全体の効率が向上します。複数のマイクロ インバータからの出力が結合され、多くの場合、電力網に供給されます。

他の用途では、従来のインバーターをソーラー充電コントローラーによって維持されるバッテリーバンクと組み合わせることができます。このコンポーネントの組み合わせは、しばしばソーラージェネレータと呼ばれます。^[15]

太陽光インバータは宇宙船の太陽光発電システムにも使用されています。

インバータは、誘導加熱で使用するために、低周波の主交流電力を高周波に変換します。これを行うには、まず交流電力を整流して直流電力を供給します。次に、インバータが直流電力を高周波交流電力に変換します。使用される直流電源の数が減ったため、構造の信頼性が高まり、ステップ数が増えることで出力電圧の分解能が高くなり、基準正弦波電圧をより適切に達成できます。この構成は、最近、交流電源や可変速ドライブのアプリケーションで非常に人気が高まっています。この新しいインバータは、余分なクランプダイオードや電圧バランスコンデンサを回避できます。

レベルシフト変調技術には次の 3 種類があります。

• 位相反対配置（POD）
• 代替位相反対配置 (APOD)
• 相配置（PD）

HVDC送電では、AC 電力が整流され、高電圧 DC 電力が別の場所に送信されます。受信場所では、 HVDC 変換ステーションのインバータが電力を AC に戻します。インバータはグリッド周波数と位相に同期し、高調波の発生を最小限に抑える必要があります。

電気ショック兵器やテーザー銃には、小型の 9 V DC 電池から数万 V AC を生成するための DC/AC インバータが搭載されています。まず、9 V DC が小型の高周波トランスで 400～2000 V AC に変換され、次に整流されて高電圧コンデンサに一時的に蓄えられ、事前に設定されたしきい値電圧に達します。しきい値 (エアギャップまたはトライアックで設定) に達すると、コンデンサは負荷全体をパルストランスに放出し、パルストランスはそれを最終出力電圧の 20～60 kV まで昇圧します。この原理のバリエーションは、エレクトロニック フラッシュや殺虫器にも使用されていますが、これらの装置では高電圧を得るためにコンデンサ ベースの電圧倍増器を利用しています。

電力インバータの一般的な用途は次のとおりです。

• ユーザーがバッテリーまたはバッテリー セットをデバイスに接続して AC 電力を生成し、照明、テレビ、キッチン家電、電動工具などのさまざまな電気製品を稼働させることができるポータブル コンシューマー デバイス。
• 電力会社や太陽光発電システムなどの発電システムで、DC 電力を AC 電力に変換するために使用します。
• 直流電源から交流電源を得る必要がある大規模な電子システム内での使用。例えば、直流電源の電子機器には、高周波交流を必要とするエレクトロルミネセンスや蛍光灯の バックライトに電力を供給するための小型インバーターが含まれている場合があります。
• ユーティリティ周波数変換 - たとえば、50 Hz の国のユーザーが、小型モーターや電子機器などの周波数固有の機器に電力を供給するために 60 Hz 電源を必要とする場合、50 Hz の主電源から動作する 12V 電源などの DC 電源から 60 Hz 出力のインバーターを実行することで周波数を変換できます。

1 つの簡単なインバータ回路では、DC 電源が一次巻線のセンター タップを介して変圧器に接続されます。リレースイッチが高速に切り替えられ、一次巻線の一方の端ともう一方の端を通る 2 つの交互の経路をたどって電流が DC 電源に戻ります。変圧器の一次巻線の電流の方向が変わると、二次回路に 交流(AC) が生成されます。

電気機械式のスイッチング デバイスには、2 つの固定接点と、バネで支えられた可動接点が含まれます。バネは可動接点を固定接点の 1 つに押し付け、電磁石は可動接点を反対側の固定接点に引き寄せます。電磁石の電流はスイッチの動作によって遮断されるため、スイッチは連続的に高速で前後に切り替わります。バイブレーターまたはブザーと呼ばれるこのタイプの電気機械式インバータ スイッチは、かつて真空管式の自動車ラジオで使用されていました。同様のメカニズムは、ドア ベル、ブザー、タトゥー マシンでも使用されています。

十分な電力定格を備えたトランジスタや、その他のさまざまなタイプの半導体スイッチが利用可能になり、インバータ回路設計に組み込まれるようになりました。特に大規模システム (数キロワット) の定格では、サイリスタ(SCR) が使用されます。SCR は、半導体デバイスで大きな電力処理能力を提供し、可変の点火範囲で容易に制御できます。

上で説明した単純なインバータのスイッチは、出力トランスに結合されていない場合、AC 電源の通常の波形である正弦波ではなく、単純なオンとオフの性質により方形波の電圧波形を生成します。フーリエ解析を使用すると、周期波形は正弦波の無限級数の合計として表されます。元の波形と同じ周波数を持つ正弦波は、基本成分と呼ばれます。この級数に含まれるその他の正弦波は、高調波と呼ばれ、基本周波数の整数倍の周波数を持ちます。

フーリエ解析は、全高調波歪み(THD)を計算するために使用できます。全高調波歪み (THD) は、高調波電圧の二乗の合計を基本電圧で割った値の平方根です。

${\displaystyle {\text{THD}}={{\sqrt {V_{2}^{2}+V_{3}^{2}+V_{4}^{2}+\cdots +V_{n} ^{2}}} \over V_{1}}}$

インバータ設計では、さまざまな電力回路トポロジーと制御戦略が使用されています。^[16]さまざまな設計アプローチは、インバーターの使用方法に応じて重要度が増減する可能性のあるさまざまな問題に対処します。たとえば、走行中の自動車の電気モーターはエネルギー源になり、適切なインバーター トポロジー (フル H ブリッジ) を使用すると、減速またはブレーキをかけたときに自動車のバッテリーを充電できます。同様に、適切なトポロジー (フル H ブリッジ) は「ソース」と「負荷」の役割を逆転させることができます。つまり、たとえば、AC「負荷」側の電圧が高い場合 (発電機に似ていますがソリッド ステートのソーラー インバーターを追加することにより)、エネルギーは DC「ソース」またはバッテリーに流れ込むことができます。

基本的なHブリッジトポロジに基づいて、基本周波数可変ブリッジコンバータとPWM制御と呼ばれる2つの異なる基本的な制御戦略があります。^[17]ここで、Hブリッジ回路の左側の画像では、左上のスイッチは「S1」と名付けられ、他のスイッチは反時計回りの順に「S2、S3、S4」と名付けられています。

基本的な周波数可変ブリッジ コンバータでは、スイッチは電力網の AC と同じ周波数で動作できます。ただし、AC 周波数を決定するのはスイッチの開閉速度です。S1 と S4 がオンで他の 2 つがオフの場合、負荷には正の電圧が供給され、その逆も同様です。スイッチのオン/オフ状態を制御して、AC の振幅と位相を調整できます。また、スイッチを制御して特定の高調波を排除することもできます。これには、出力波形にノッチまたは 0 状態領域を作成するようにスイッチを制御することや、互いに位相がずれている 2 つ以上のコンバータの出力を並列に追加することが含まれます。

使用できる別の方法は PWM です。基本的な周波数可変ブリッジ コンバータとは異なり、PWM 制御戦略では、AC 側の周波数または任意の低周波数で動作できるのは 2 つのスイッチ S3、S4 のみです。他の 2 つは、はるかに高速 (通常 100 kHz) に切り替わり、同じ大きさで期間が異なる矩形電圧を生成します。これは、より大きな時間スケールで大きさが変化する電圧のように動作します。

これら 2 つの戦略は、異なる高調波を生成します。最初の戦略では、フーリエ解析により、高調波の大きさは 4/(pi*k) になります (k は高調波の次数)。したがって、高調波エネルギーの大部分は、低次の高調波に集中します。一方、PWM 戦略では、スイッチングが高速であるため、高調波エネルギーは高周波にあります。高調波の特性が異なるため、THD と高調波除去の要件も異なります。「THD」と同様に、「波形品質」という概念は、高調波によって生じる歪みのレベルを表します。前述の H ブリッジによって直接生成される AC の波形品質は、期待どおりには良くありません。

波形品質の問題は、さまざまな方法で対処できます。コンデンサとインダクタを使用して波形をフィルタリングできます。設計にトランスが含まれている場合は、トランスの 1 次側または 2 次側、あるいはその両方にフィルタリングを適用できます。ローパス フィルタを適用すると、波形の基本成分は出力に通過しますが、高調波成分の通過は制限されます。インバータが固定周波数で電力を供給するように設計されている場合は、共振フィルタを使用できます。周波数可変インバータの場合、フィルタは最大基本周波数を超える周波数に調整する必要があります。

ほとんどの負荷にはインダクタンスが含まれているため、スイッチがオフのときにピーク誘導負荷電流の経路を提供するために、フィードバック整流器または逆並列 ダイオードが各半導体​​スイッチ間に接続されることがよくあります。逆並列ダイオードは、 AC/DC コンバータ回路で使用されるフリーホイール ダイオードに似ています。

フーリエ解析により、180 度点を中心に反対称となる矩形波のような波形には、奇数次高調波、つまり 3 次、5 次、7 次などしか含まれないことが明らかになりました。特定の幅と高さのステップを持つ波形では、高次高調波を増幅する代わりに、特定の低次高調波を減衰させることができます。たとえば、矩形波の正と負のセクションの間にゼロ電圧ステップを挿入すると、3 で割り切れる高調波 (3 次、9 次など) をすべて除去できます。残るのは 5 次、7 次、11 次、13 次などです。ステップに必要な幅は、正と負のステップのそれぞれに対して周期の 1/3、ゼロ電圧ステップのそれぞれに対して周期の 1/6 です。^[19]

上で説明したように方形波を変更することは、パルス幅変調の一例です。方形波パルスの幅の変調または調整は、インバータの出力電圧を調整または調整する方法としてよく使用されます。電圧制御が不要な場合は、固定パルス幅を選択して、選択した高調波を削減または除去できます。高調波除去技術は、通常、最低の高調波に適用されます。これは、フィルタ部品をはるかに小型で安価にできるため、フィルタ処理が高周波でより実用的だからです。複数のパルス幅またはキャリア ベースのPWM 制御方式では、多数の狭いパルスで構成される波形が生成されます。1 秒あたりの狭いパルスの数で表される周波数は、スイッチング周波数またはキャリア周波数と呼ばれます。これらの制御方式は、波形の品質を向上させながら、広範囲の出力電圧と周波数の調整を可能にするため、可変周波数モーター制御インバータでよく使用されます。

マルチレベルインバータは、高調波キャンセルの別のアプローチを提供します。マルチレベルインバータは、いくつかの電圧レベルで複数のステップを示す出力波形を提供します。たとえば、2つの電圧で分割レール直流入力、または中央の接地を備えた正と負の入力を持つことで、より正弦波を生成することができます。インバータの出力端子を、正レールと接地、正レールと負レール、接地レールと負レール、そして両方を接地レールに順番に接続することで、インバータ出力にステップ波形が生成されます。これは、2つの電圧と接地の3レベルインバータの例です。^[20]

共振インバータは、LC 回路を使用して正弦波を生成し、単純な矩形波から高調波を除去します。通常、直列および並列共振 LC 回路が複数あり、それぞれが電力線周波数の異なる高調波に調整されています。これにより電子部品が簡素化されますが、インダクタとコンデンサは大きくて重くなる傾向があります。効率が高いため、このアプローチは、電源が失われたときに切り替え過渡現象を回避するためにインバータを「オンライン」モードで継続的に実行するデータ センターの大規模な無停電電源装置で人気があります。(関連項目:共振インバータ)

これによく似たアプローチとして、定電圧変圧器とも呼ばれる鉄共振変圧器を使用して高調波を除去し、負荷を数回の AC サイクルにわたって維持するのに十分なエネルギーを蓄えます。この特性により、通常はアイドル状態のインバータが起動し、機械式リレーがその出力に切り替わるときに停電時に発生する切り替え過渡現象を排除するために、スタンバイ電源 装置で役立ちます。

Power Electronics誌で提案された提案では、DCバス電圧をどちらかの方向に印加するか、オフにすることしかできない一般的な商用技術の改良として、2つの電圧を利用する。この提案では、一般的な設計に中間電圧を追加する。各サイクルでは、次の電圧シーケンスが供給される：v1、v2、v1、0、-v1、-v2、-v1、0。^[18]

三相インバータは、可変周波数ドライブアプリケーションや、 HVDC電力伝送などの高出力アプリケーションに使用されます。基本的な三相インバータは、3 つの負荷端子の 1 つにそれぞれ接続された 3 つの単相インバータ スイッチで構成されます。最も基本的な制御方式では、3 つのスイッチの動作が調整され、基本出力波形の 60 度ポイントごとに 1 つのスイッチが動作します。これにより、6 つのステップを持つライン間出力波形が作成されます。6 ステップの波形では、方形波の正の部分と負の部分の間にゼロ電圧ステップがあり、前述のように 3 の倍数の高調波が除去されます。キャリア ベースの PWM 技術を 6 ステップの波形に適用すると、波形の基本的な全体形状、つまりエンベロープが保持され、3 次高調波とその倍数がキャンセルされます。

より高い定格電力のインバータを構築するには、6 ステップ 3 相インバータ 2 台を並列に接続して電流定格を高めるか、直列に接続して電圧定格を高めることができます。いずれの場合も、出力波形は位相シフトされて 12 ステップの波形が得られます。さらにインバータを組み合わせると、3 台のインバータで 18 ステップのインバータが得られます。インバータを組み合わせるのは、通常、電圧定格または電流定格を高めるためですが、波形の品質も向上します。

他の家庭用電気機器と比較すると、インバーターはサイズも体積も大きい。2014年にGoogleはIEEEと共同で、（はるかに）小型の電力インバーターを開発するために、賞金100万ドルのLittle Box Challengeという公開コンテストを開始した。 ^[21]

19 世紀後半から 20 世紀中頃にかけて、DC から AC への電力変換は、ロータリー コンバータまたはモーター ジェネレータセット (MG セット)を使用して実行されました。20 世紀初頭には、真空管とガス充填管がインバータ回路のスイッチとして使用されるようになりました。最も広く使用されたタイプの管はサイラトロンでした。

電気機械式インバータの起源は、インバータという用語の由来を説明しています。初期の AC-DC コンバータは、発電機 (ダイナモ) に直接接続された誘導または同期 AC モーターを使用していました。これにより、発電機の整流子が正確なタイミングで接続を反転して DC を生成しました。その後の開発は同期コンバータで、モーターと発電機の巻線が 1 つのアーマチュアに統合され、一方の端にスリップ リング、もう一方の端に整流子があり、フィールド フレームは 1 つだけです。どちらの場合も結果は AC 入力、DC 出力です。MG セットでは、DC は AC とは別に生成されると考えられます。同期コンバータでは、ある意味で「機械的に整流された AC」と見なすことができます。適切な補助装置と制御機器があれば、MG セットまたは回転コンバータを「逆方向に実行」して DC を AC に変換できます。したがって、インバータは反転コンバータです。^[22]

初期のトランジスタは、ほとんどのインバータ アプリケーションに十分な電圧と電流定格を備えていなかったため、1957 年にサイリスタまたはシリコン制御整流器(SCR) が導入され、ソリッド ステートインバータ回路への移行が開始されました。

SCR の整流要件は、SCR 回路設計において重要な考慮事項です。ゲート制御信号が遮断されても、SCR は自動的にオフになったり整流したりしません。何らかの外部プロセスによって、順方向電流が最小保持電流 (SCR の種類によって異なります) を下回った場合にのみオフになります。AC 電源に接続された SCR の場合、整流は電源電圧の極性が反転するたびに自然に発生します。DC 電源に接続された SCR には通常、整流が必要なときに電流を強制的にゼロにする強制整流手段が必要です。最も単純な SCR 回路では、強制整流ではなく自然整流が採用されています。強制整流回路が追加されたことで、SCR は上記の種類のインバータ回路で使用されてきました。

インバータが DC 電源から AC 電源に電力を転送するアプリケーションでは、反転モードで動作する AC-DC 制御整流回路を使用できます。反転モードでは、制御整流回路はライン整流インバータとして動作します。このタイプの動作は、HVDC 電力伝送システムやモーター制御システムの回生ブレーキ動作で使用できます。

SCR インバータ回路の別のタイプは、電流源入力 (CSI) インバータです。CSI インバータは、6 ステップ電圧源インバータのデュアルです。電流源インバータでは、DC 電源は電圧源ではなく電流源として構成されます。インバータ SCR は 6 ステップのシーケンスで切り替えられ、ステップ電流波形として 3 相 AC 負荷に電流を流します。CSI インバータ整流方法には、負荷整流と並列コンデンサ整流があります。どちらの方法でも、入力電流調整が整流を補助します。負荷整流では、負荷は進み力率で動作する同期モーターです。

より高い電圧および電流定格で利用できるようになったため、制御信号によってオフにできる トランジスタやIGBTなどの半導体が、インバータ回路で使用するスイッチング部品として好まれるようになりました。

整流回路は、AC入力電圧の1サイクルあたりに整流器のDC側に流れる電流パルスの数によって分類されることが多い。単相半波整流器は1パルス回路であり、単相全波整流器は2パルス回路である。三相半波整流器は3パルス回路であり、三相全波整流器は6パルス回路である。^[23]

3 相整流器では、より高い電圧または電流定格を得るために、2 台以上の整流器を直列または並列に接続することがあります。整流器の入力は、位相シフト出力を提供する特殊な変圧器から供給されます。これにより、位相乗算の効果が得られます。2 台の変圧器から 6 相が得られ、3 台の変圧器から 12 相が得られます。関連する整流器回路は、12 パルス整流器、18 パルス整流器などです。

制御整流回路が反転モードで動作する場合、パルス数によっても分類されます。パルス数が多い整流回路は、AC 入力電流の高調波成分が減少し、DC 出力電圧のリップルが減少します。反転モードでは、パルス数が多い回路は、AC 出力電圧波形の高調波成分が低くなります。

1970年まで設置されていた電力伝送用の大型スイッチングデバイスには、主に水銀アークバルブが使用されていました。現代のインバータは通常、ソリッドステート（静的インバータ）です。現代の設計方法は、Hブリッジ構成で配置されたコンポーネントを特徴としています。この設計は、小規模な民生用デバイスでも非常に人気があります。^{[24] [25]}

• 分散インバータアーキテクチャ
• 電力変換
• 電子発振器
• パワーエレクトロニクス#DC/ACコンバータ（インバータ）
• プッシュプルコンバータ
• ソリッドステートトランス
• 空間ベクトル変調
• スイッチング電源(SMPS)
• 同期インバータ
• 無停電電源装置
• 可変周波数ドライブ
• Zソースインバータ

• Bedford, BD; Hoft, RG; et al. (1964).インバータ回路の原理. ニューヨーク: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-06134-2。
• マツダ、FF（1973）。サイリスタ制御。ニューヨーク：ジョン・ワイリー＆サンズのハルステッド・プレス部門。ISBN 978-0-470-58116-2。
• Ulrich Nicolai、Tobias Reimann、Jürgen Petzoldt、Josef Lutz:アプリケーション ハンドブック: IGBT および MOSFET パワー モジュール、第 1 版、ISLE Verlag、1998 年、ISBN 3-932633-24-5 PDF 版 
• アプリケーション マニュアル: パワー半導体、アーレント ヴィントリッヒ、ウルリッヒ ニコライ、ヴェルナー タースキー、トビアス ライマン。セミクロンインターナショナルGmbH. 2011 年。ISBN 978-3-938843-66-6。 

• 高電圧・高効率アプリケーション向け 3 レベル PWM フローティング H ブリッジ正弦波パワーインバータ、Vratislav MICHAL、2015 年 9 月IEEE Transactions on Power Electronics 1(6):885–8993 DOI:10.1109/TPEL.2015.2477246 (3 レベル PWM 単相フルブリッジパワーインバータ設計の例)