インバータ回路入門 — DCを交流へ変えるスイッチング

0. この記事で分かること

DCリンクから単相・三相交流を作る半橋・フルブリッジの構成。
正弦波PWMと空間ベクトルPWMが平均電圧を作る仕組み。
モーター、太陽光PCS、EVでの制御、損失、デッドタイム、保護。

1. まず結論：インバータとは何か

インバータは、直流電源を半導体スイッチで高速に切り替え、フィルタやモーターのインダクタンスで平均化された交流を作る電力変換器である。スイッチは理想的には電圧を出すか遮断するだけで、正弦波を直接発生しない。PWMのパルス幅、スイッチング周波数、位相を制御して、負荷から見た基本波を合成する。

2. 入力・出力・トポロジー

入力は電池、整流器、太陽光DCリンクなどの直流 $V_{dc}$ である。単相フルブリッジは上下4スイッチ、三相2レベルは上下6スイッチを使う。上下を同時にオンするとDC短絡になるため、切替の間にデッドタイムを入れる。高電圧・大電力ではNPC、T型、マルチレベル、モジュラー多段構成がスイッチ電圧を分担する。

3. PWMの数式

正弦波参照 $v^*(t)=mV_{dc}\sin(\omega t)$ と三角キャリアを比較する。変調率 $m$ を0〜1の範囲で使うと、線形領域の基本波振幅はトポロジーに応じて $V_{dc}$ に比例する。理想スイッチング平均値はデューティ比 $D$ で

\bar v=\frac{1}{T_s}\int_0^{T_s}v(t)dt=D V_{dc}

となる。三相では120度ずつ位相をずらした参照を作り、相電圧の和を抑える零相注入やSVPWMでDC電圧利用率を高める。PWMリップルはモーターインダクタンスやLCフィルタで電流へ現れにくくなるが、絶縁寄生容量を介してコモンモード電流を生む。

4. 基本構成

図1 — DCリンクのスイッチ状態を制御し、負荷へ必要な基本波を渡す。電流・電圧センサは制御器へ戻る。

5. 制御ループとモーター

モーター駆動では、外側の速度・位置ループが $q$ 軸電流指令を作り、内側の電流ループがPWMデューティを更新する。PMSMの簡略トルクは

T_e\simeq\frac{3}{2}p\psi_f i_q

であり、 $i_q$ を制御すればトルクを制御できる。高回転では逆起電力を下げる弱め界磁を使う。誘導機では磁束推定と滑り周波数の計算が必要になる。位置センサの分解能、電流サンプリング時刻、PWMデッドタイム補償が低速トルクリップルを決める。

6. 損失・熱・EMI

スイッチ損失を

P_{sw}\simeq\frac{1}{2}VI(t_{on}+t_{off})f_s,qquad P_{cond}\simeq I_{rms}^2R_{on}

と近似する。 $f_s$ を上げればフィルタとモーター電流リップルを小さくできるが、損失・ゲート駆動電力・EMIが増える。SiCやGaNは高速化に有利だが、寄生インダクタンスの電圧オーバーシュート、ゲート誤点弧、絶縁距離を厳密に扱う必要がある。接合温度は $T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc}$ で見積もり、短時間過負荷と冷却液温度を含む。

7. トポロジー比較

構成	スイッチ数・特徴	強み	注意点
単相フルブリッジ	4スイッチ	UPS・家電に簡素	DC短絡、単相高調波
三相2レベル	6スイッチ	モーター・PCSの標準	スイッチ耐圧、コモンモード電圧
NPC/T型	クランプで電圧分担	高電圧、低高調波	部品数、中点電位制御
マルチレベル	小電圧セルを直列	高電圧波形、低EMI	絶縁・セルバランス、制御量

8. 苦手な条件と保護

短絡はスイッチを数µsで破壊し得るため、ゲートドライバのDESAT、電流センサ、ヒューズ、ハードウェア遮断を重ねる。上下スイッチのデッドタイムが長すぎると出力電圧誤差と低速トルク歪みが増える。モーターケーブルが長いと反射サージと軸受電食が問題になる。系統連系では単独運転検出、位相同期、電流高調波、停電時の遮断が必須になる。

9. 実用上の選び方

EV・サーボ：連続電流、短時間ピーク、回生電圧、冷却、位置センサを走行・動作サイクルで評価する。
太陽光PCS：MPPT範囲、系統電圧、力率・無効電力、高調波、単独運転保護を確認する。
UPS：停電切替時間、バイパス、負荷の突入電流、冗長構成を優先する。
高周波小型電源：GaNのスイッチング速度より、レイアウト・EMI・絶縁試験が先に決まる。

10. まとめ（3行で復習）

インバータはスイッチの平均値をPWMで設計し、DCから必要な交流を合成する。
モーターでは電流・速度・位置ループ、系統では位相・電流・単独運転保護が性能を決める。
効率だけでなく、デッドタイム、熱、EMI、短絡遮断、絶縁を一つの製品として検証する。

参考リンク

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