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パワーエレクトロニクスとは、電子工学を応用して電力の制御や変換を行う学問である。
最初の高出力電子機器は水銀アーク管を使用して作られました。現代のシステムでは、ダイオード、サイリスタ、パワーMOSFETやIGBTなどのパワートランジスタといった半導体スイッチングデバイスを使用して変換が行われます。信号やデータの伝送と処理に関わる電子システムとは対照的に、パワーエレクトロニクスでは大量の電気エネルギーが処理されます。AC/DCコンバータ（整流器）は、テレビ、パーソナルコンピュータ、バッテリー充電器など、多くの民生用電子機器に見られる最も一般的なパワーエレクトロニクスデバイスです。電力範囲は通常、数十ワットから数百ワットです。産業界では、誘導電動機を制御するために使用される可変速ドライブ（VSD）が一般的なアプリケーションです。VSDの電力範囲は数百ワットから数十メガワットまでです。
電力変換システムは、入力電力と出力電力の種類に応じて分類することができる。
パワーエレクトロニクスは、水銀アーク整流器の開発から始まった。1902年にピーター・クーパー・ヒューイットによって発明されたこの装置は、交流（AC）を直流（DC）に変換するために使用された。1920年代以降、サイラトロンやグリッド制御水銀アーク管を電力伝送に応用する研究が続けられた。ウノ・ラムは、高電圧直流電力伝送に適したグレーディング電極を備えた水銀管を開発した。1933年にはセレン整流器が発明された。[ 1 ]
1926 年、ジュリアス・エドガー・リリエンフェルドは電界効果トランジスタの概念を提唱したが、当時実際に動作するデバイスを構築することは不可能だった。[ 2 ] 1947 年、ベル研究所のウィリアム・ショックレーの指導の下、ウォルター・H・ブラッテンとジョン・バーディーンによってバイポーラ点接触トランジスタが発明された。1948 年、ショックレーによるバイポーラ接合トランジスタ(BJT) の発明により、トランジスタの安定性と性能が向上し、コストが削減された。1950 年代までに、より高出力の半導体ダイオードが利用可能になり、真空管に取って代わり始めた。1956 年、ゼネラル・エレクトリックによってシリコン制御整流器(SCR) が導入され、パワーエレクトロニクスの応用範囲が大幅に拡大した。[ 3 ] 1960 年代までに、バイポーラ接合トランジスタのスイッチング速度の向上により、高周波 DC/DC コンバータが可能になった。
RD ミドルブルックはパワーエレクトロニクスに重要な貢献をした。1970 年、彼はカリフォルニア工科大学にパワーエレクトロニクス グループを設立した。[ 4 ]彼は、現代のパワーエレクトロニクス設計に不可欠な状態空間平均法などの解析ツールを開発した。[ 5 ]
1957年、フロッシュとデリックはベル研究所で最初の二酸化ケイ素電界効果トランジスタを製造することに成功した。これはドレインとソースが表面で隣接している最初のトランジスタであった。[ 6 ]その後、ダウォン・カンは1960年にベル研究所のチームとともに動作するMOSFETを実証する論文を発表した。そのチームには、デバイスを製造したEEラベイトとEIポビロニス、拡散プロセスを開発したMOサーストン、LAダサロ、JRリゲンザ、そしてデバイスの特性評価を行ったHKグメルとR.リンドナーが含まれていた。[ 7 ] [ 8 ]
1969年、日立は最初の垂直型パワーMOSFETを発表しました[ 9 ] 。これは後にVMOS（V溝型MOSFET）として知られるようになりました[ 10 ] 。 1974年から、ヤマハ、JVC、パイオニア、ソニー、東芝はパワーMOSFETを使用したオーディオアンプの製造を開始しました[ 11 ] 。インターナショナル・レクティファイアーは1978年に25A 、 400VのパワーMOSFETを発表しました[ 12 ]。このデバイスはバイポーラトランジスタよりも高い周波数での動作を可能にしますが、低電圧アプリケーションに限定されます。
パワーMOSFETは、ゲート駆動電力が低い、スイッチング速度が速い、[ 13 ]高度な並列接続が容易、[ 13 ] [ 14 ]広帯域幅、堅牢性、駆動が容易、バイアスが簡単、適用が容易、修理が容易であることから、世界で最も一般的なパワーデバイスです。[ 14 ]携帯情報機器、パワー集積回路、携帯電話、ノートパソコン、インターネットを可能にする通信インフラなど、幅広いパワーエレクトロニクス用途があります。[ 15 ]
1982年、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）が発表された。1990年代には広く普及した。この部品は、バイポーラトランジスタの電力処理能力と、パワーMOSFETの絶縁ゲート駆動の利点を兼ね備えている。
パワーエレクトロニクスシステムの性能と経済性は、使用可能なアクティブデバイスによって決まります。これらのデバイスの特性と限界は、パワーエレクトロニクスシステムの設計において重要な要素です。かつては、水銀アーク管、高真空およびガス封入ダイオード熱電子整流器、サイラトロンやイグニトロンなどのトリガーデバイスがパワーエレクトロニクスで広く使用されていました。しかし、固体デバイスの定格電圧と電流処理能力が向上するにつれて、真空デバイスはほぼ完全に固体デバイスに置き換えられました。
パワーエレクトロニクスデバイスは、スイッチまたはアンプとして使用できます。[ 16 ]理想的なスイッチは開いているか閉じているかのどちらかで、電力を消費しません。印加電圧に耐え、電流を流さないか、電圧降下なしで任意の量の電流を流します。スイッチとして使用される半導体デバイスは、この理想的な特性に近似できるため、ほとんどのパワーエレクトロニクスアプリケーションはデバイスのオン/オフ切り替えに依存しており、スイッチでの電力損失が非常に少ないため、システムは非常に効率的です。対照的に、アンプの場合、デバイスを流れる電流は制御入力に応じて連続的に変化します。デバイス端子の電圧と電流は負荷線に従い、デバイス内部の電力損失は負荷に供給される電力に比べて大きくなります。
デバイスの使用方法は、いくつかの特性によって決まります。ダイオードなどのデバイスは順方向電圧が印加されると導通し、導通開始を外部から制御することはできません。シリコン制御整流器やサイリスタ（水銀管やサイラトロンも含む）などのパワーデバイスは導通開始を制御できますが、オフにするには電流の流れを周期的に反転させる必要があります。ゲートターンオフサイリスタ、BJT、MOSFETトランジスタなどのデバイスは完全なスイッチング制御が可能で、流れる電流に関係なくオンまたはオフにできます。トランジスタデバイスは比例増幅も可能ですが、数百ワットを超える定格のシステムではほとんど使用されません。デバイスの制御入力特性も設計に大きく影響します。場合によっては、制御入力が接地に対して非常に高い電圧になり、絶縁された電源で駆動する必要があります。
電力変換器においては効率が非常に重要であるため、電力電子機器によって発生する損失は可能な限り低く抑える必要がある。
デバイスのスイッチング速度は様々です。ダイオードやサイリスタの中には、比較的低速なスイッチングに適しており、電力周波数のスイッチングや制御に有用なものがあります。また、数キロヘルツの周波数で動作するサイリスタもあります。MOSFETやBJTなどのデバイスは、電力用途において数十キロヘルツから数メガヘルツの周波数でスイッチングできますが、電力レベルは低下します。真空管デバイスは、数百キロワットの高電力、数百メガヘルツまたは数千メガヘルツの超高周波用途で主流となっています。スイッチング速度の速いデバイスは、オンからオフ、そして再びオンへと遷移する際のエネルギー損失を最小限に抑えますが、放射電磁干渉の問題を引き起こす可能性があります。ゲート駆動回路（または同等の回路）は、デバイスで可能な最大スイッチング速度を実現するために十分な駆動電流を供給するように設計する必要があります。高速スイッチングに必要な駆動電流が供給されないデバイスは、過度の発熱によって破壊される可能性があります。
実際のデバイスは、オン時に電圧降下が発生し、電力を消費します。また、アクティブ領域を通過して「オン」または「オフ」状態になるまでには時間がかかります。これらの損失は、コンバータにおける総電力損失のかなりの部分を占めます。
デバイスの電力処理と放熱も設計において重要な要素です。パワーエレクトロニクスデバイスは、導通状態と非導通状態を可能な限り効率的に切り替えたとしても、数十ワットから数百ワットもの廃熱を放散する必要がある場合があります。スイッチングモードでは、制御される電力はスイッチで消費される電力よりもはるかに大きくなります。導通状態における順方向電圧降下は、放散しなければならない熱に相当します。高出力半導体は、接合部温度を管理するために専用のヒートシンクまたはアクティブ冷却システムを必要とします。炭化ケイ素などの特殊な半導体は、この点で通常のシリコンよりも優位性があり、かつて固体電子工学の主力であったゲルマニウムは、高温特性が好ましくないため、現在ではほとんど使用されていません。
半導体デバイスの中には、単一デバイスで数キロボルトまでの定格を持つものが存在する。非常に高い電圧を制御する必要がある場合は、複数のデバイスを直列に接続し、ネットワークを介してすべてのデバイスの電圧を均一化する必要がある。ここでも、スイッチング速度は重要な要素となる。なぜなら、最もスイッチング速度の遅いデバイスが、全体の電圧の不均衡な割合に耐えなければならないからである。かつては、 単一ユニットで100kVまでの定格を持つ水銀弁が利用可能であり、HVDCシステムでの応用が容易であった。
半導体デバイスの定格電流は、ダイ内部で発生する熱と、接続リードの抵抗によって発生する熱によって制限されます。半導体デバイスは、電流がデバイス内部の接合部（またはチャネル）全体に均等に流れるように設計する必要があります。一度「ホットスポット」が発生すると、絶縁破壊によってデバイスが急速に破壊される可能性があります。一部のSCRは、単一ユニットで最大3000アンペアの定格電流に対応しています。
DC-ACコンバータは、DC電源からAC出力波形を生成します。用途としては、可変速ドライブ（ASD）、無停電電源装置（UPS）、フレキシブルAC送電システム（FACTS）、電圧補償器、太陽光発電インバータなどがあります。これらのコンバータのトポロジーは、電圧源インバータと電流源インバータの2つのカテゴリに分けられます。電圧源インバータ（VSI）は、独立して制御される出力が電圧波形であることからそのように呼ばれています。同様に、電流源インバータ（CSI）は、制御されるAC出力が電流波形であるという点で区別されます。
DCからACへの電力変換は、一般的に完全に制御可能な半導体パワースイッチである電力スイッチングデバイスによって行われます。そのため、出力波形は離散値で構成され、滑らかな遷移ではなく高速な遷移が生じます。一部のアプリケーションでは、AC電力の正弦波形の粗い近似でも十分です。正弦波形に近い波形が必要な場合は、スイッチングデバイスを目的の出力周波数よりもはるかに高速に動作させ、各状態にある時間を制御して、平均出力がほぼ正弦波になるようにします。一般的な変調技術には、キャリアベース方式（パルス幅変調）、空間ベクトル方式、選択的高調波方式などがあります。[ 17 ]
電圧源インバータは、単相および三相アプリケーションの両方で実用的な用途があります。単相VSIはハーフブリッジおよびフルブリッジ構成を利用し、電源、単相UPS、およびマルチセル構成で使用される複雑な高出力トポロジに広く使用されています。三相VSIは、ASD、UPS、およびSTATCOMなどの一部のFACTSデバイスなど、正弦波電圧波形を必要とするアプリケーションで使用されます。また、アクティブパワーフィルタや電圧補償器の場合のように、任意の電圧を必要とするアプリケーションでも使用されます。[ 17 ]
電流源インバータは、直流電源から交流出力電流を生成するために使用されます。このタイプのインバータは、高品質な電圧波形が求められる三相アプリケーションに適しています。
マルチレベルインバータと呼ばれる比較的新しいクラスのインバータが広く注目を集めている。CSIとVSIの通常の動作は、パワースイッチが正または負のDCバスのいずれかに接続されているため、2レベルインバータに分類できる。インバータの出力端子に2つ以上の電圧レベルが利用可能であれば、AC出力は正弦波により近似できる。そのため、マルチレベルインバータはより複雑で高価ではあるが、より高い性能を提供する。[ 18 ]
各インバータの種類は、使用されるDCリンクと、フリーホイールダイオードが必要かどうかが異なります。どちらも、用途に応じて方形波モードまたはパルス幅変調（PWM）モードで動作させることができます。方形波モードはシンプルですが、PWMはさまざまな方法で実装でき、より高品質の波形を生成します。[ 17 ]
電圧源インバータ（VSI）は、ほぼ一定の電圧源から出力インバータ部に電力を供給します。[ 17 ]
電流出力波形の望ましい品質によって、特定のアプリケーションに対してどの変調方式を選択する必要があるかが決まります。VSIの出力は離散値で構成されています。滑らかな電流波形を得るには、負荷が選択された高調波周波数で誘導性である必要があります。電源と負荷の間に何らかの誘導性フィルタリングがない場合、容量性負荷は、大きくて頻繁な電流スパイクを伴う、チョッピーな電流波形を負荷に与えます。[ 17 ]
VSIには主に3つの種類があります。
単相電圧源ハーフブリッジインバータは低電圧用途向けで、電源装置によく使用されます。[ 17 ]図9はこのインバータの回路図を示しています。
インバータの動作により、低次の電流高調波が電源電圧に注入されます。これは、この設計ではフィルタリング目的で 2 つの大きなコンデンサが必要であることを意味します。[ 17 ]図 9 に示すように、インバータの各レッグでは一度に 1 つのスイッチしかオンにできません。レッグの両方のスイッチが同時にオンになると、DC 電源が短絡されます。
インバータは、スイッチング方式を制御するためにいくつかの変調技術を使用できます。キャリアベースPWM技術では、AC出力波形v cをキャリア電圧信号v Δと比較します。v cがv Δより大きい場合、S+がオンになり、v cがv Δより小さい場合、S−がオンになります。AC出力が周波数fcで振幅がv cであり、三角波キャリア信号が周波数f Δで振幅がv Δである場合、PWMはキャリアベースPWMの特別な正弦波ケースになります。[ 17 ]このケースは正弦波パルス幅変調（SPWM）と呼ばれます。この場合、変調指数、つまり振幅変調比は、 m a = v c /v ∆として定義されます。
正規化された搬送波周波数、または周波数変調比は、m f = f ∆ /f cの式を使用して計算されます。[ 19 ]
過変調領域 ma が 1 を超えると、より高い基本交流出力電圧が観測されますが、飽和が発生します。SPWM の場合、出力波形の高調波は明確に定義された周波数と振幅を持ちます。これにより、インバータの動作からの低次電流高調波注入に必要なフィルタリングコンポーネントの設計が簡素化されます。この動作モードでの最大出力振幅は、電源電圧の半分です。最大出力振幅 m aが 3.24 を超えると、インバータの出力波形は方形波になります。[ 17 ]
パルス幅変調（PWM）の場合と同様に、方形波変調のレッグ内の両方のスイッチを同時にオンにすることはできません。これは、電圧源全体に短絡を引き起こすためです。スイッチング方式では、S+とS−の両方がAC出力周期の半サイクルの間オンになっている必要があります。[ 17 ]基本AC出力振幅はv o1 = v aN = 2v i /πに等しくなります。
その高調波の振幅はv oh = v o1 /hです。
したがって、交流出力電圧はインバータによって制御されるのではなく、インバータの直流入力電圧の大きさによって制御される。[ 17 ]
選択的高調波除去（SHE）を変調技術として使用すると、インバータのスイッチングによって固有高調波を選択的に除去できます。交流出力電圧の基本波成分も、望ましい範囲内で調整できます。この変調技術によって得られる交流出力電圧は奇数半波および奇数四分の一波の対称性を持つため、偶数高調波は存在しません。[ 17 ]出力波形から望ましくない奇数（N-1）固有高調波をすべて除去できます。
フルブリッジインバータはハーフブリッジインバータに似ていますが、中性点を負荷に接続するための追加の脚があります。[ 17 ]図3は、単相電圧源フルブリッジインバータの回路図を示しています。
電圧源の短絡を避けるため、S1+とS1−は同時にオンにすることはできず、S2+とS2−も同時にオンにすることはできません。フルブリッジ構成で使用される変調方式では、各レッグの上側または下側のスイッチのいずれかが常にオンになっている必要があります。追加のレッグがあるため、出力波形の最大振幅はViとなり、ハーフブリッジ構成で達成可能な最大出力振幅の2倍になります。[ 17 ]
表 2 の状態 1 と 2 は、バイポーラ SPWM で AC 出力電圧を生成するために使用されます。AC 出力電圧は、Vi または −Vi の 2 つの値のみを取ることができます。ハーフブリッジ構成を使用してこれらの同じ状態を生成するには、キャリアベースの手法を使用できます。ハーフブリッジで S+ がオンの場合、フルブリッジでは S1+ と S2− がオンになります。同様に、ハーフブリッジで S− がオンの場合、フルブリッジでは S1− と S2+ がオンになります。この変調手法の出力電圧は、ほぼ正弦波であり、線形領域で振幅が 1 以下である基本成分を持ちます[ 17 ] v o1 =v ab1 = v i • m a 。
バイポーラPWM技術とは異なり、ユニポーラ方式では表2の状態1、2、3、4を使用して交流出力電圧を生成します。したがって、交流出力電圧はVi、0、または−V[1]iの値をとることができます。これらの状態を生成するには、図4に示すように、2つの正弦波変調信号Vcと−Vcが必要です。
Vc は VaN を生成するために使用され、-Vc は VbN を生成するために使用されます。次の関係は、単極キャリアベース SPWM と呼ばれます。v o1 =2 • v aN1 = v i • m a 。
相電圧 VaN と VbN は同一ですが、互いに 180 度位相がずれています。出力電圧は 2 つの相電圧の差に等しく、偶数次高調波は含まれていません。したがって、mf を取ると、AC 出力電圧の偶数次高調波は正規化された奇数次周波数 fh に現れます。これらの周波数は、正規化された搬送波周波数の 2 倍の値を中心としています。この特徴により、より高品質の出力波形を得ようとする際に、より小さなフィルタリング部品を使用できます。[ 17 ]
ハーフブリッジSHEの場合と同様に、AC出力電圧は奇数半波および奇数四分の一波の対称性により偶数高調波を含みません。[ 17 ]
単相VSIは主に低電力範囲のアプリケーションに使用されますが、三相VSIは中電力範囲と高電力範囲の両方のアプリケーションをカバーします。[ 17 ]図5は三相VSIの回路図を示しています。
このため、インバータの3つのレッグのいずれかのスイッチを同時にオフにすることはできず、結果として電圧はそれぞれの線電流の極性に依存します。状態7と8では交流線電圧がゼロになり、その結果、交流線電流は上部または下部のコンポーネントを自由に流れます。ただし、状態1から6の線電圧は、Vi、0、または-Viの離散値からなる交流線電圧を生成します。[ 17 ]
三相SPWMでは、互いに120度位相がずれた3つの変調信号を用いて、位相のずれた負荷電圧を生成します。単一の搬送波信号でPWM特性を維持するためには、正規化搬送波周波数mfを3の倍数にする必要があります。これにより、各相電圧の大きさは同一になりますが、位相は120度ずれます。[ 17 ]線形領域（ma≦1）における最大位相電圧振幅はv phase = v i / 2です。最大線間電圧振幅は V ab1 = v ab • √ 3 / 2です。
負荷電圧を制御する唯一の方法は、入力DC電圧を変更することである。
電流源インバータは、直流電流を交流電流波形に変換します。正弦波交流波形を必要とするアプリケーションでは、振幅、周波数、位相のすべてを制御する必要があります。CSI は時間とともに電流が大きく変化するため、交流側にはコンデンサが、直流側にはインダクタが一般的に使用されます。[ 17 ]フリーホイールダイオードがないため、電力回路のサイズと重量が小さくなり、VSI よりも信頼性が高くなる傾向があります。[ 18 ]単相トポロジも可能ですが、三相 CSI の方が実用的です。
最も一般的な形式では、三相CSIは6パルス整流器と同じ導通シーケンスを採用しています。常に、共通カソードスイッチと共通アノードスイッチはそれぞれ1つずつしかオンになりません。[ 18 ]
その結果、線電流は –ii、0、ii の離散値をとる。状態は、所望の波形が出力されるように選択され、有効な状態のみが使用されます。この選択は、搬送波ベースの PWM、選択的高調波除去、空間ベクトル技術などの変調技術に基づいています。[ 17 ]
VSIで使用されるキャリアベースの技術はCSIにも適用でき、CSIのライン電流はVSIのライン電圧と同じように動作します。信号変調に使用されるデジタル回路は、スイッチングパルス発生器、ショートパルス発生器、ショートパルス分配器、およびスイッチング・ショートパルス結合器で構成されています。ゲーティング信号は、キャリア電流と3つの変調信号に基づいて生成されます。[ 17 ]
上部スイッチも下部スイッチもゲートされていない場合、この信号に短絡パルスが追加され、すべてのレッグで実効電流が等しくなります。各フェーズで同じ方法が用いられますが、スイッチング変数は互いに120度位相がずれており、電流パルスは出力電流に対して半サイクルだけシフトしています。正弦波変調信号に三角波キャリアが使用される場合、CSIは同期パルス幅変調（SPWM）を使用していると言われます。SPWMと併用して完全過変調が使用される場合、インバータは方形波動作をしていると言われます。[ 17 ]
2番目のCSI変調カテゴリであるSHEも、VSIの対応物と類似しています。VSI用に開発されたゲーティング信号と一連の同期正弦波電流信号を利用することで、対称的に分布した短絡パルス、ひいては対称的なゲーティングパターンが得られます。これにより、任意の数の高調波を除去できます。[ 17 ]また、適切な一次スイッチング角度を選択することで、基本線電流を制御することもできます。最適なスイッチングパターンは、1/4波長および1/2波長の対称性、ならびに30度および150度に関する対称性を持つ必要があります。スイッチングパターンは、60度から120度の間では決して許可されません。より大きな出力コンデンサを使用するか、スイッチングパルスの数を増やすことで、電流リップルをさらに低減できます。[ 18 ]
3 番目のカテゴリである空間ベクトルベースの変調では、平均的に負荷線電流に等しい PWM 負荷線電流が生成されます。有効なスイッチング状態と時間の選択は、空間ベクトル変換に基づいてデジタル的に行われます。変調信号は、変換方程式を使用して複素ベクトルとして表されます。平衡三相正弦波信号の場合、このベクトルは固定モジュールとなり、周波数 ω で回転します。これらの空間ベクトルは、変調信号を近似するために使用されます。信号が任意のベクトルの間にある場合、ベクトルはゼロベクトル I7、I8、または I9 と結合されます。[ 17 ]生成された電流と電流ベクトルが平均的に等価であることを保証するために、次の方程式が使用されます。
マルチレベルインバータと呼ばれる比較的新しいクラスが広く注目を集めている。CSIとVSIの通常の動作は、パワースイッチが正または負のDCバスのいずれかに接続されるため、2レベルインバータに分類できる。[ 18 ]インバータの出力端子に2つ以上の電圧レベルが利用可能であれば、AC出力は正弦波により近似できる。[ 17 ]このため、マルチレベルインバータは、より複雑で高価ではあるが、より高い性能を提供する。[ 18 ] 3レベルニュートラルクランプインバータを図10に示す。
3レベルインバータの制御方式では、各レッグの4つのスイッチのうち2つのスイッチのみが同時に導通状態を変化させることができます。これにより、有効な状態のみを選択することでスムーズな転流が可能になり、貫通電流を回避できます。[ 18 ]また、DCバス電圧は少なくとも2つのパワーバルブで共有されるため、2レベルインバータの定格電圧よりも低く設定できることにも留意してください。
キャリアベース変調と空間ベクトル変調技術は、マルチレベルトポロジーに使用されます。これらの技術の方法は、従来のインバータの方法に準じますが、複雑さが増しています。空間ベクトル変調では、変調信号を近似するために使用できる固定電圧ベクトルの数が多くなるため、より複雑なアルゴリズムを必要とするものの、より効果的な空間ベクトルPWM戦略を実現できます。複雑さが増し、半導体デバイスが多数使用されるため、マルチレベルインバータは現在、高出力高電圧アプリケーションに適しています。[ 18 ] この技術は高調波を低減するため、スキーム全体の効率が向上します。
交流電力を交流電力に変換することで、供給された交流システムから負荷に印加される波形の電圧、周波数、位相を制御できます。[ 20 ]コンバータの種類を区別するために使用できる主なカテゴリは、波形の周波数が変更されるかどうかです。[ 21 ] ユーザーが周波数を変更できないAC/AC コンバータは、 AC 電圧コントローラまたは AC レギュレータとして知られています。ユーザーが周波数を変更できるAC コンバータは、単に AC-AC 変換用の周波数コンバータと呼ばれます。周波数コンバータには、一般的に使用される 3 種類のコンバータがあります。サイクロコンバータ、マトリックスコンバータ、DC リンクコンバータ (別名AC/DC/AC コンバータ)。
AC電圧コントローラ： AC電圧コントローラ、またはACレギュレータの目的は、一定の周波数で負荷の両端の実効電圧を変化させることです。[ 20 ]一般的に受け入れられている3つの制御方法は、ON/OFF制御、位相角制御、およびパルス幅変調ACチョッパ制御（PWM ACチョッパ制御）です。[ 22 ]これら3つの方法はすべて、単相回路だけでなく、三相回路にも実装できます。
マトリックスコンバータとサイクロコンバータ：サイクロコンバータは、高出力アプリケーションで使用できるため、AC-AC変換に産業界で広く使用されています。これらは、電源ラインによって同期される転流式直接周波数コンバータです。サイクロコンバータの出力電圧波形には複雑な高調波が含まれており、高次の高調波はマシンのインダクタンスによってフィルタリングされます。これにより、マシン電流の高調波が減少しますが、残りの高調波は損失とトルク脈動を引き起こします。サイクロコンバータでは、他のコンバータとは異なり、インダクタやコンデンサ、つまり蓄積デバイスがないことに注意してください。このため、瞬時入力電力と出力電力は等しくなります。[ 23 ]
近年のデバイス技術の進歩に伴い、マトリックスコンバータなどの新しいタイプのサイクロコンバータが開発されています。まず注目すべき変化は、マトリックスコンバータが双方向のバイポーラスイッチを使用している点です。単相から単相へのマトリックスコンバータは、3つの入力相を3つの出力相に接続する9つのスイッチからなるマトリックスで構成されています。入力相と出力相は、同じ相の2つのスイッチを同時に接続しない限り、いつでも接続できます。そうしないと、入力相が短絡してしまいます。マトリックスコンバータは、他のコンバータソリューションよりも軽量、コンパクト、かつ汎用性に優れています。その結果、より高いレベルの集積化、より広い動作温度範囲、広い出力周波数範囲、そして電力会社へのエネルギー回生に適した自然な双方向電力フローを実現できます。
マトリックスコンバータは、直接型と間接型の2種類に分類されます。三相入力と三相出力を持つ直接型マトリックスコンバータでは、スイッチは双方向でなければなりません。つまり、どちらの極性の電圧も遮断でき、どちらの方向にも電流を流すことができなければなりません。このスイッチング方式により、可能な限り高い出力電圧が得られ、無効電流が低減されます。したがって、コンバータを流れる電力の流れは可逆です。しかし、整流の問題と複雑な制御のため、産業界で広く利用されるには至っていません。
直接マトリックスコンバータとは異なり、間接マトリックスコンバータは同じ機能を持ちますが、蓄積要素のないDCリンクを介して接続された別々の入力部と出力部を使用します。設計には、4象限電流源整流器と電圧源インバータが含まれます。入力部は双方向バイポーラスイッチで構成されています。出力部がフリーホイールモードのときに、入力部のスイッチング状態を変更することで転流戦略を適用できます。この転流アルゴリズムは、従来の直接マトリックスコンバータと比較して、はるかに複雑ではなく、信頼性も高くなっています。[ 24 ]
DCリンクコンバータ： DCリンクコンバータ（AC/DC/ACコンバータとも呼ばれる）は、中間にDCリンクを使用してAC入力をAC出力に変換します。つまり、コンバータ内の電力は整流器を使用してACからDCに変換され、次にインバータを使用してDCからACに再変換されます。最終的な出力は、より低い電圧と可変（高いまたは低い）周波数になります。[ 22 ]幅広い用途があるため、AC/DC/ACコンバータは最も一般的な現代的ソリューションです。AC/DC/ACコンバータのその他の利点は、過負荷および無負荷状態でも安定しており、損傷することなく負荷から切り離すことができることです。[ 25 ]
ハイブリッドマトリックスコンバータ：ハイブリッドマトリックスコンバータは、AC/ACコンバータとしては比較的新しいものです。これらのコンバータは、AC/DC/AC設計とマトリックスコンバータ設計を組み合わせたものです。この新しいカテゴリでは、複数のタイプのハイブリッドコンバータが開発されており、例えば、単方向スイッチとDCリンクなしの2つのコンバータステージを使用するコンバータなどがあります。DCリンクに必要なコンデンサやインダクタがないため、コンバータの重量とサイズが削減されます。ハイブリッドコンバータには、ハイブリッド直接マトリックスコンバータ（HDMC）とハイブリッド間接マトリックスコンバータ（HIMC）という2つのサブカテゴリがあります。HDMCは1つのステージで電圧と電流を変換しますが、HIMCはAC/DC/ACコンバータのように別々のステージを使用しますが、中間ストレージ要素は使用しません。[ 26 ] [ 27 ]
用途：以下に、各コンバーターが一般的に使用される用途の一覧を示します。
パワーエレクトロニクス回路は、SIMBA、 PLECS、PSIM、SPICE、MATLAB /simulink、OpenModelicaなどのコンピュータシミュレーションプログラムを使用してシミュレーションされます。回路は、特定の条件下でどのように動作するかをテストするために、製造前にシミュレーションされます。また、シミュレーションを作成する方が、テストに使用するプロトタイプを作成するよりも安価で迅速です。[ 28 ]
パワーエレクトロニクスの応用範囲は、ACアダプタ、バッテリー充電器、オーディオアンプ、蛍光灯安定器などのスイッチング電源から、ポンプ、ファン、製造機械の駆動に使用される可変周波数ドライブやDCモータドライブ、さらには電力網を相互接続するために使用されるギガワット級の高電圧直流送電システムまで多岐にわたります。[ 29 ]パワーエレクトロニクスシステムは、事実上すべての電子機器に搭載されています。例えば、
モーター駆動装置は、ポンプ、送風機、繊維、製紙、セメントなどの工場のミル駆動装置などに使用されています。駆動装置は、電力変換や動作制御に使用できます。[ 30 ] ACモーターの場合、可変周波数駆動装置、モーターソフトスターター、励磁システムなどの用途があります。[ 31 ]
ハイブリッド電気自動車(HEV)では、パワーエレクトロニクスは直列ハイブリッドと並列ハイブリッドの 2 つの形式で使用されます。直列ハイブリッドと並列ハイブリッドの違いは、電気モーターと内燃機関(ICE) の関係です。電気自動車で使用されるデバイスは、主にバッテリー充電用の DC/DC コンバータと推進モーターに電力を供給する DC/AC コンバータで構成されています。電気列車は、電力を得るためにパワーエレクトロニクス デバイスを使用し、パルス幅変調(PWM) 整流器を使用したベクトル制御も行います。列車は電力線から電力を得ます。パワーエレクトロニクスの新しい用途のもう 1 つはエレベーター システムです。これらのシステムでは、サイリスタ、インバータ、永久磁石モーター、または PWM システムと標準モーターを組み込んださまざまなハイブリッド システムを使用する場合があります。[ 32 ]
一般的に、インバータは直流（DC）から交流（AC）への直接変換、または交流から交流への間接変換を必要とする用途で利用されます。DCからACへの変換は、電力調整、高調波補償、モータ駆動、再生可能エネルギーの系統連系、宇宙船の太陽光発電システムなど、多くの分野で有用です。
電力システムでは、線路電流に含まれる高調波成分を除去することがしばしば望まれます。VSIは、この補償を提供するアクティブパワーフィルタとして使用できます。制御システムは、測定された線路電流と電圧に基づいて、各相の基準電流信号を決定します。これは外側のループを通してフィードバックされ、実際の電流信号から減算されて、インバータへの内側のループの電流信号が生成されます。これらの信号により、インバータは高調波成分を補償する出力電流を生成します。この構成では、線路から完全に給電されるため、実際の電力消費は必要ありません。DCリンクは、制御システムによって一定電圧に維持される単なるコンデンサです。[ 17 ]この構成では、出力電流は線路電圧と同相になり、力率が1になります。逆に、出力電流が線路電圧より進み、全体の力率を改善する同様の構成で無効電力補償も可能です。[ 18 ]
病院や空港など、常にエネルギーを必要とする施設では、UPSシステムが利用されています。スタンバイシステムでは、通常供給しているグリッドが中断されると、インバータがオンラインになります。グリッド電源が復旧するか、バックアップ発電機がオンラインになるまで、オンサイトのバッテリーから瞬時に電力が引き出され、VSIによって使用可能な交流電圧に変換されます。オンラインUPSシステムでは、過渡現象や高調波成分から負荷を保護するために、整流器-DCリンク-インバータが使用されます。グリッド電源が中断された場合に備えて、DCリンクと並列に接続されたバッテリーは出力によって完全に充電された状態に保たれ、インバータの出力はローパスフィルタを介して負荷に供給されます。高い電力品質と外乱からの独立性が実現されます。[ 17 ]
交流モータの速度、トルク、位置制御のために、さまざまな交流モータ駆動装置が開発されてきました。これらの駆動装置は、スカラー制御かベクトル制御かによって、低性能または高性能に分類できます。スカラー制御駆動装置では、基本固定子電流、または電圧の周波数と振幅のみが制御可能な量です。そのため、これらの駆動装置は、ファンやコンプレッサーなど、高い品質制御が要求されない用途で使用されます。一方、ベクトル制御駆動装置では、瞬時電流と電圧の値を連続的に制御できます。この高い性能は、エレベーターや電気自動車などの用途に必要です。[ 17 ]
インバータは、多くの再生可能エネルギー用途にも不可欠です。太陽光発電の場合、通常は PWM VSI であるインバータは、太陽光発電モジュールまたはアレイの DC 電気エネルギー出力によって供給されます。インバータは、これを負荷または電力網に接続するための AC 電圧に変換します。インバータは、風力タービンなどの他の再生可能エネルギーシステムでも使用されることがあります。これらの用途では、通常、タービンの回転速度が変化するため、電圧の周波数、場合によっては振幅も変化します。この場合、生成された電圧を整流してから反転することで、周波数と振幅を安定させることができます。[ 17 ]
スマートグリッドとは、電力供給者や消費者の行動に関する情報などの情報を情報通信技術を用いて自動的に収集し、それに基づいて行動することで、電力の生産と配電の効率性、信頼性、経済性、持続可能性を向上させる、近代化された電力網のことである。[ 33 ] [ 34 ]
風力タービンや水力タービンによる誘導発電機を用いた発電では、発電周波数に変動が生じる可能性がある。これらのシステムでは、発電された交流電圧を高電圧直流（HVDC）に変換するためにパワーエレクトロニクス機器が利用される。HVDC電力は、既存の電力網と整合した三相電力に容易に変換できる。これらの機器により、これらのシステムから供給される電力はよりクリーンになり、力率も高くなる。風力発電システムの最適なトルクは、パワーエレクトロニクス機器のサイズを縮小できるギアボックスまたはダイレクトドライブ技術によって得られる。[ 35 ]
電力は、パワーエレクトロニクスデバイスを使用して太陽電池から生成できます。生成された電力は通常、ソーラーインバータによって変換されます。インバータは、中央型、モジュール一体型、ストリング型の3種類に分けられます。中央型コンバータは、システムのDC側に並列または直列に接続できます。太陽光発電「ファーム」では、システム全体に1つの中央型コンバータが使用されます。モジュール一体型コンバータは、DC側またはAC側のいずれかに直列に接続されます。通常、太陽光発電システムでは、DC端子とAC端子の両方にこれらのコンバータが必要となるため、複数のモジュールが使用されます。ストリングコンバータは、異なる方向を向いている太陽電池を使用するシステムで使用されます。これは、太陽電池が相互作用する各ストリング（ライン）に生成された電力を変換するために使用されます。[ 35 ]
電力エレクトロニクスは、分散型住宅/商業用太陽光発電の急速な増加に電力会社が適応するのを支援するために使用できます。ドイツ、ハワイ、カリフォルニア、ニュージャージーの一部では、新しい太陽光発電設備の承認前に費用のかかる調査を実施することが義務付けられています。比較的小規模な地上またはポール設置型デバイスは、分散制御インフラストラクチャが電力の流れを監視および管理する可能性を生み出します。変電所のコンデンサバンクや電圧レギュレータなどの従来の電気機械システムでは、電圧調整に数分かかる場合があり、問題が発生する太陽光発電設備から遠く離れている場合があります。近隣回路の電圧が高くなりすぎると、電力会社の作業員を危険にさらし、電力会社と顧客の両方の機器に損傷を与える可能性があります。さらに、グリッド障害により太陽光発電機が即座に停止し、グリッド電力の需要が急増します。スマートグリッドベースのレギュレータは、はるかに多数の消費者デバイスよりも制御可能です。[ 36 ]
別のアプローチとして、西部電力業界リーダーズと呼ばれる16の西部電力会社グループは、「スマートインバーター」の義務的な使用を求めた。これらのデバイスは直流を家庭用交流に変換するだけでなく、電力品質の向上にも役立つ。このようなデバイスは、はるかに低い総コストで、高価な電力会社の設備アップグレードの必要性をなくすことができる。[ 36 ]
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社のこれらのアクティブ電子部品、すなわちパワー半導体製品は、携帯情報機器からインターネットを支える通信インフラまで、幅広いシステムにおいて電力のスイッチングと変換に使用されています。
同社のパワーMOSFET（小型の固体スイッチ、または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）とパワー集積回路は、携帯電話やノートパソコンでバッテリー電力を効率的に管理するために広く使用されています。
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