PWMインバータ: 多様な負荷要件に最適なソリューション

PWM（パルス幅変調インバータ）は、従来型インバータに代わるものとして登場しました。そのため、幅広いリアルタイム応用があります。ほとんどの場合、企業はパワーエレクトロニクス回路の作成にPWMインバータを使用しています。PWMインバータは通常MOSFETを使用するため、PWM MOSFETインバータと呼ばれることもよくあります。実際、ほとんどのインバータはPWM技術を適用して、さまざまな周波数と大きさのAC出力電圧を生成しています。この記事では、PWMインバータの動作、PWMインバータに見られる回路、およびいくつかのPWMインバータタイプについて説明します。

PWMインバータとは？

簡単に言うと、パルス幅変調技術を用いて動作するインバータです。したがって、PWMインバータは接続負荷に関係なく、出力電圧を定格AC電圧に維持できます。出力電圧の周波数幅を変更することで動作します。

PWMインバータの動作原理

従来のインバータでは、負荷変動に応じて出力電圧が変化します。PWM電圧インバータは、出力側に接続された負荷の値を使用して、出力位相電圧を補正します。

出力信号の一部をPWMコントローラICにフィードバックすることで動作します。PWMコントローラは、フィードバック電圧を使用して、発振器部分で生成されるパルス幅を整流します。

パルス幅の調整により、出力側の信号変化を排除します。したがって、負荷変動に関係なく、出力電圧波形は一定に保たれます。

PWMインバータで使用される回路

PWMインバータ回路図を観察すると、いくつかの回路が使用されていることがわかります。これらには以下が含まれます：

バッテリー充電電流センサ回路

この回路は、バッテリー充電に使用される電流を維持し、定格値に保ちます。バッテリー寿命を縮める可能性のある変動を防止します。

バッテリー電圧検出回路

バッテリーが消耗する場合があります。この回路は、そのような場合にバッテリー充電に必要なインバータ電圧を検出します。また、バッテリーが完全に充電された後のトリクル充電にも役立ちます。

AC主電源検出回路

AC主電源が存在するかどうかを検出します。存在する場合、インバータは充電状態に切り替わります。存在しない場合、バッテリーモード状態になります。

ソフトスタート回路

電力供給が再開されてから8〜10秒間、充電を遅延させます。MOSFETを高AC電力から保護します。

切替回路

インバータの動作モードを切り替えます。主電源の可用性に基づき、充電モードまたはバッテリーモードのいずれかになります。

シャットダウン回路

インバータの動作を監視し、異常を検知した場合にシャットダウンします。複数のセンサ回路から入力を受け取ります。

PWMコントローラ回路

ここで、PWM電圧インバータの出力電圧を制御します。ほとんどの場合、LM494やKA3535などの単一ICを使用します。PWM動作に必要なすべての回路は、通常これらのICに組み込まれています。

バッテリー充電回路

この回路は、インバータ内のバッテリー充電プロセスを制御します。主電源検出回路とバッテリーセンサ回路から入力を受け取ります。

発振器回路

この回路はスイッチング周波数を生成します。通常、PWMのICに組み込まれています。

ドライバ回路

インバータスイッチング信号に基づいて出力を駆動します。プリアンプ回路に似ています。

PWMインバータのタイプ

簡単に言うと、PWMインバータは2つの信号、すなわち基準信号と搬送信号の下で動作します。これらの信号を比較することで、インバータのモードを切り替えるために必要なパルスを生成します。いくつかのPWM技法があります。これらには以下が含まれます：

単一パルス幅変調（SPWM）

この場合、出力電圧の半サイクルごとに単一パルスを使用して技法を制御します。三角波を搬送波として、方形波を基準信号として使用します。

したがって、生成されるゲートパルスはこれらの信号を比較した結果です。ただし、高調波が高くなる原因となります。

多重パルス幅変調（MPWM）

ここでは、SPWMから生じる問題を防ぐためにこの技法を使用します。同様に、出力電圧の半サイクルごとに単一パルスが複数パルスに置き換えられます。また、組み立て時に搬送波の周波数を制御することで出力周波数を調整します。

MPWM技術は、可変周波数でモーター制御システムを駆動するインバータで主に使用されます。その結果、多くの出力周波数と電圧の調整が可能になります。一般的に、この技術は波形の品質を向上させます。

正弦波パルス幅変調

この場合、基準信号として方形波の代わりに正弦波を使用します。一方、搬送波は三角波のままです。したがって、出力は正弦波波形になります。一方、変調指数がそのRMS電圧値を制御します。

しかし、正弦波パルス幅変調には2つの主な欠点があります。第一に、ライン電源と同じくらい高い出力電圧を生成できません。第二に、出力を完全な正弦波PWMにする必要がある場合、ピーク変調波がピーク搬送波電圧とほぼ同じレベルにあるとき、小さなパルスを含めることが不可欠です。

小さなパルスを追加することは、デバイスのオン/オフ切り替えに必要な時間のため、ほぼ不可能な場合があります。したがって、ほとんどの産業では効率上の理由から小さなパルスを排除しています。

修正正弦波パルス幅変調

ここでは、搬送波信号を各半サイクルの初期と最終の60°区間で導入します。これにより、出力の高調波特性が改善されます。スイッチングにより損失が減少し、基本波成分が増加します。

結論

結論として、パルス幅インバータはPWM技術を使用して、負荷に関係なく出力を定格値に調整します。その効率性により、DCモータPWM速度コントローラなど、多くの産業用途があります。ここでは、印加電圧の周波数変動がドライブの速度を制御します。

以上がPWMインバータの動作についての概要です。

ただし、ご質問があれば、お気軽にお問い合わせください。