トランスレスインバーター：主なメリットと太陽光発電への革新的影響

時として、テクノロジーはコミュニティ全体にとって巨大な前進を遂げます。トランスレステクノロジーはそのような開発の一つです。無制限の電力供給と複雑さの削減を、電力会社、独立系発電事業者、インテグレーターに提供します。これは、最も一般的な2種類の商業用PV設置が、より効率的な方法を利用し、コストを削減できることを意味します。

トランスレスインバーターは、トランス搭載型と比較してより小型で軽量であり、これが検討の主な理由となります。

トランスレスインバーターの仕組み、最適な回路、設置上の考慮事項、メリットについて詳しくお読みください。

トランスレスインバーターとは？

パワーインバーターは、低電圧直流（DC）電気を、家電製品が使用する高電圧交流（AC）電気に変換します。

内部トランスでエネルギー変換する必要がある代わりに、トランスレスインバーターはコンピュータ制御のマルチステッププロセスで電圧を上昇させます。インバーター内の電子部品が低周波DC電力を高周波ACに変換し、再びDCに変換し、最後に標準周波数のAC電圧に変換します。

トランスレスインバーター向けベスト3回路

トランスレスインバーター向けのベスト3回路構成は、IC 4047、200ワットコンパクト設計、ソーラーインバーター回路です。これらは小型で比較的シンプル、内部トランスではなく電池や太陽光発電に依存します。

IC 4047

図4：IC 4047

IC 4047は、トランスレスインバーターに使用できる最もシンプルな回路の一つです。ブートストラッピングを必要とせず、特別なドライバーICも不要です。

しかし、同等のNチャネルデバイスの2〜3倍のサイズで、熱耐性が低下し、電流仕様が増加しています。したがって、設計者はプロフェッショナルおよび商用ユニットではこれを避けます。

動作原理

IC 4047は、アステーブルまたはモノステーブルMVモードの両方で使用できる低消費電力マルチバイブレータです。アステーブルモードでは外部トリガー入力を統合できます（トゥルーゲーティングまたはコンプリメントゲーティング）。モノステーブルモードでは、ICをポジティブエッジトリガーまたはネガティブエッジトリガーできます。

再トリガー可能機能により、必要な量まで出力タイミングを延長できます。

また、外部RCネットワークで可変周波数オプションを可能にする内蔵発振器を備えています。

構成

• 電源： 満充電時190V、中程度充電時160Vの定格バッテリー
• IC 555：PWM
• オペアンプIC：三角波でコンパレータとして設定し、必要なSPWMを処理
• BJTバッファスイッチ：SPWMパルスに従って設定、ローサイドMOSFETを同じパターンでスイッチ
• MOSFET：3kVAトランスレスインバーター対応定格（IRFB4137PBF-NDなど）
• フェライトコア：重い鉄トランスの代わり

周波数テスト

以下の式を使用し、fをHz、RtをΩ、Ctをファラドで測定：

f = 1 / (1.453 × Rt × Ct)

デジタル周波数計で出力周波数範囲をテストし、望ましい結果が得られるまで調整します。

部品表

• C1 = 0.1μF / PPC
• R1 = 56kΩ
• ICピン10/11抵抗 = 330Ω - 2個
• 上側PチャネルMOSFET = FQP4P40 - 2個
• 下側NチャネルMOSFET = IRF740 - 2個
• MOSFETゲート抵抗 = 100kΩ - 2個
• オプトカプラ = 4N25 - 2個
• ツェナーダイオード = 12V, 1/2ワット - 2個

200ワットコンパクト設計

200ワット構成はシンプルで効率的、重いトランスを必要としません。これを駆動するバッテリーはスペースを取らず、110V ACを200ワットで出力します。

動作原理

200ワットシンプルインバーター回路は、18個の12ボルトバッテリーからの高電圧DC入力電圧を使用します。ICには5-15ボルトの厳密な動作電圧が必要で、これは12ボルトバッテリーの1つから供給されます。

構成

• 電源： 直列接続された18個の12ボルトバッテリー
• 発振器： ゲートN1（IC 4093から）
• IC： 12ボルトバッテリーの1つから入力、関連IC出力に適用
• 真の正弦波インバージョンのため： 入力発振器の代わりに正弦波発生器を使用

部品表

• バッテリー = 12V/4AH, 18個
• D1 = 1N4148
• NAND IC = 4093
• Q1, Q2 = MPSA92
• Q3 = MJE350
• Q4, Q5 = MJE340
• Q6, Q7 = K1058
• Q8, Q9 = J162

トランスレスソーラーインバーター回路

図3：トランスレスソーラーインバーター回路システム

トランスレスソーラーインバーター回路設計は、高電圧MOSFETを使用して太陽エネルギーを活用することでトランスを排除します。電圧レギュレータは、日光変動による電力損失と増加に基づいて電力変動を調整できます。

動作原理

トランスレスソーラーインバーター回路は太陽エネルギーをAC電気に変換します。3つの主要段階があります：発振器、出力、電力供給段階。

構成

• 電源：開放電圧範囲17V（薄暮）〜24V（晴天）のソーラーパネル、B1とB2に供給
• 降圧抵抗とツェナーダイオード：15Vツェナー電圧に制限
• 電圧スタビライザー： 晴れと曇りの日のソーラー出力電圧を調整、170V-260Vの範囲
• MOSFET：450V、5アンペア定格のN型とP型
• 発振器：IC 555
• 出力：高電圧パワーMOSFET

R₁, R₂, C₁の公式

T₁=0.7(R₁+R₂)C および T₂=0.7R₁C

したがって

T=0.7(R₁+2R₂)C または f=1.4/(R₁+2R₂)C

ここで

T₁ = ハイ期間、T₂ = ロー期間、T = 総期間、f = 周波数

部品表

• B1とB2 = ソーラーパネルから
• C1 = 0.1μF
• ダイオード = 1N4148
• R1 = 6.8kΩ
• R2 = 140kΩ
• R3 = 10kΩ, 10ワット
• R4, R5 = 100Ω, 1/4ワット
• Z1 = 5.1V 1ワット

あるいは、完全なHブリッジインバーター回路を設置することもできます。この利点は、単一のソーラーパネル配置のみで220V出力が得られることです。

図5：トランスレスソーラーインバーター回路システム

トランスレスソーラーインバーター回路設計は、高電圧MOSFETを使用して太陽エネルギーを活用することでトランスを排除します。電圧レギュレータは、日光変動による電力損失と増加に基づいて電力変動を調整できます。

構成

• 電源：開放電圧範囲17V（薄暮）〜24V（晴天）のソーラーパネル、B1とB2に供給
• 降圧抵抗とツェナーダイオード：15Vツェナー電圧に制限
• 電圧スタビライザー： 晴れと曇りの日のソーラー出力電圧を調整、170V-260Vの範囲
• MOSFET：450V、5アンペア定格のN型とP型
• 発振器：IC 555
• 出力：高電圧パワーMOSFET

R₁, R₂, C₁の公式

T₁=0.7(R₁+R₂)C および T₂=0.7R₁C

したがって

T=0.7(R₁+2R₂)C または f=1.4/(R₁+2R₂)C

ここで

T₁ = ハイ期間、T₂ = ロー期間、T = 総期間、f = 周波数

部品表

• B1とB2 = ソーラーパネルから
• C1 = 0.1μF
• ダイオード = 1N4148
• R1 = 6.8kΩ
• R2 = 140kΩ
• R3 = 10kΩ, 10ワット
• R4, R5 = 100Ω, 1/4ワット
• Z1 = 5.1V 1ワット

あるいは、完全なHブリッジインバーター回路を設置できます。利点は、単一のソーラーパネル配置のみで220V出力が得られることです。

トランスレスインバーターの設置考慮事項

図4：トランスレスインバーターを設置・テストする作業者

従来のインバーターを使用すると、各々が単一またはカスタム絶縁トランスとペアになる必要があります。絶縁トランスは最大99%効率なので、電力が即座に減少します。さらに、巨大なサイズと範囲制限が即座に邪魔になります。トランスレスインバーターは、建物またはサブパネル（十分なサイズの場合）に直接接続されます。

重いトランスがないため、設計は軽量で操作性が良く、設置オプションが増えます。また、大量のDC配線とAC配線の長さとコストも削減できます。トランスなしで複数の並列インバーターを接続し、直接電力を利用して最も安定した性能を得られます。

トランス搭載型とトランスレスインバーターの違い

トランスレスインバーターと従来インバーターの主な違いはトランスそのものです。トランスの不在により、よりクリーンで軽量、直接的な設計のためのスペースが解放されます。また、効率も向上します。コンピュータ制御プロセスとアップグレードされた電気部品がトランスに代わって機能します。

これらの無停電電源装置は、より小規模な設置のデータセンター環境で一般的になりつつあります。10kVA未満から約300kVAまでの電力定格範囲で利用可能です。

トランスレスインバーター使用のメリット

図5：軽量コンパクトなトランスレスインバーター

トランスレスインバーターは従来型より効率的で、内部エネルギー損失を回避できます。トランスが不要なため、巨大で大型なトランスによる追加コンポーネントコストも排除されます。トランスレス版は軽量コンパクトで、機械的ではなく電子スイッチングを使用します。

トランスレスインバーターは機械的騒音が少なく、機械部品からの発熱も少ないです。全体として、冷却ファン、トランス、その他の大型部品が不要なため、構築コストが安くなります。

従来のインバーターは単一の電力ポイントで動作します。つまり、1つのコンポーネントの性能が低いと全体のDC出力が低下します。トランスレスインバーターでは、2つの異なる方向に設置しながらDC出力を生成できます。

結論

全体として、トランスレスインバーターは部品点数が少なく効率的な電気部品によりコスト効率に優れます。回路には様々な選択肢がありますが、トランスレスモデルの全体的な利点は汎用性です。より小型コンパクトな家電と電子機器の使用により、生産コストと消費者コストが安くなります。

回路オプションは必要なDC出力の種類に依存します。あるいは、トランスレスコンポーネントが速度と効率の利点をもたらします。この技術は数十年にわたり開発・改良されており、将来的に電子消費に革命をもたらすでしょう。