位相制御コントローラ

位相制御（PFC）は、位相カットまたは位相角制御とも呼ばれ、交流電圧に適用される電力制限方法です。 ^[1]これは、サイリスタ、SCR、トライアック、サイラトロン、またはその他のゲートダイオードのようなデバイスを、印加波形の所定の位相角で導通または導通解除することによって機能します。 ^[2]

位相制御 (PFC) は、電源が負荷に供給する電圧、電流、または電力の量を制御するためによく使用されます。これは、出力に平均値を作成するために行われます。電源に DC 出力がある場合、オンとオフにパルスされる値は連続的であるため、電源をオンまたはオフにするタイミングを決定する際に時間ベースは重要ではありません。

PFC は、パルス幅変調(PWM)とは異なり、国の電力網が出力する正弦波AC波形などの変調波形を出力する電源を対象としています。ここでは、既知の値を達成するために、変調サイクル内の正しい位置で電源のオン/オフをパルス化することが重要になります。たとえば、サイクルの時間ベースが考慮されていない場合、コントローラは波形のピークでオンになるか、波形のベースでオンになる可能性があります。

位相制御コントローラは、入力の変調サイクルの特定の位相で出力パルスをトリガーするという事実からその名前が付けられています。本質的に、PFC は入力に存在する変調と同期できるコントローラです。

ほとんどの位相制御コントローラは、制御要素としてサイリスタまたはその他のソリッドステートスイッチングデバイスを使用します。サイリスタベースのコントローラは、ゲートターンオフ（GTO）サイリスタを使用することがあります。これにより、コントローラは、波形が次の​​ゼロ交差に戻るのを待つ必要がなく、出力をオンにするタイミングだけでなく、オフにするタイミングも決定できます。

位相制御コントローラは、バックトポロジーのスイッチングモード電源と同様に、制御要素自体で発生する損失を差し引いた、入力を超えない出力電圧しか提供できません。入力よりも低い出力を得るために、各サイクル中の変調が予測可能または反復的である場合 (全国送電網の AC 主電源の場合と同様)、位相制御は、入力の変調サイクルの特定の位相角で単にオフになります。変調サイクルが開始した後の 0 度を超える位相角でデバイスを導通状態にトリガーすると、各サイクル内の総エネルギーの一部が出力に存在します。

「ブースト」のような効果を得るには、PFC 設計を、入力の最大値が公称出力要件よりも高くなるようにディレーティングする必要があります。電源が最初にオンになったとき、または公称条件で動作しているとき、コントローラは継続的に入力の 100% 未満を供給します。ブーストが必要な場合、コントローラは利用可能な最大入力の 100% に近いパーセンテージを供給します。

主電源で動作する位相制御コントローラは、発熱体などの抵抗負荷の制御によく使用されるため、ディレーティングが重要です。時間の経過とともに、発熱体の抵抗が増加する可能性があります。これに対処するために、位相制御は、発熱体を通じて同じ加熱電流を引き出すために、ある程度の追加電圧を供給できなければなりません。これを実現する唯一の方法は、発熱体が最初に設置されたときに、入力変調サイクルの 100% 未満を必要とするように意図的に電源を設計し、発熱体が古くなるにつれて、徐々に電源を開放して入力変調サイクルの 100% を提供するようにすることです。

最も一般的な用途は、家庭用照明制御用の調光スイッチです。

これまで、産業用途では、非常に高価で重いマルチタップ変圧器がそのような要素の電源として使用され、対応する巻線タップが要素に接続されて、必要な温度が生成されていました。これにより、温度分解能は、利用可能なタップの組み合わせの数に制限されていました。これらは、電気オーブンや炉などの機器用に設計されたコントローラによく使用されています。

現代の、通常は高出力の機器では、変圧器の代わりに位相制御器を使用して負荷を直接主電源に接続することで、大幅に安価で軽量なシステムを実現しています。ただし、この方法は、通常、それなしでは非現実的である機器での使用に限定されています。主電源変圧器がなくなると、負荷が入力と電気的に連続するようになるためです。工業用オーブンや炉の場合、入力は多くの場合、それ自体が電気的に接地されている全国送電網の AC です。制御器の出力が接地基準になっているため、ユーザーがアースと出力端子の 1 つに触れるだけで、感電する危険があります。多くの高出力機器は 3 相 415 V ^{[明確化が必要]}で動作し、大電流入力があり、筐体やフレームワークが接地 (アース) されているため、これは重大なリスクであり、慎重に評価する必要があります。

位相制御コントローラの最初の特許は 1912 年に取得されました。^{[引用が必要]}ただし、実現が可能になったのは、制御グリッドを備えた水銀アーク バルブ整流器が利用可能になった 1920 年代になってからでした。水銀アーク バルブの制限のため、この電圧調整方法は当時は一般的ではありませんでした。1950年代末の 固体サイリスタの発明により、広く普及しました。

バースト発射型コントローラー