単相インバータの動作

単相インバータは、直流電力を単相交流電力に変換する電力変換装置であり、半導体スイッチの開閉によって直流電圧の極性を交互に切り替えることで交流出力を得る。その原理は、負荷にかかる電圧の向きを時間的に反転させることにある。本節では、回路の構成、方形波出力、PWM制御による電圧制御、出力波形に含まれる高調波の順に動作を整理する。

回路の構成とスイッチングの原理

単相インバータの代表的な回路は、四つのスイッチング素子を橋の形に接続した単相ブリッジ回路である。この回路では、対角に位置する二つの素子を同時に導通させ、もう一組の対角の素子を導通させない動作を交互に繰り返す。一組目が導通すると負荷には直流電源の電圧が一方向にかかり、二組目が導通すると負荷には逆向きの電圧がかかる。このため、負荷電圧は正負の値を交互にとる交流電圧となる。

同じ組の素子を同時に導通させると直流電源を短絡することになるため、上下の素子を同時に導通させてはならない。この点は、回路の動作を理解するうえで最も基本的な制約であり、実際の装置では上下のアーム間に短絡防止のための休止時間を設けることが多い。

方形波出力と実効値

直流電圧を Ed とし、スイッチの切り替えを半周期ごとに行うと、負荷電圧は振幅 Ed の方形波となる。方形波の波形は正負の値を一定時間ずつ保つため、その実効値は振幅と同じ値になる。すなわち、方形波の実効値は次の式で表される。

V = Ed

方形波は基本波のほかに奇数次の高調波を多く含むことが知られている。方形波を基本波と高調波に分解したとき、基本波の振幅は方形波の振幅の 4/π 倍となる。すなわち、基本波の実効値は次の式で表される。

V1 = (4/π) × Ed / √2 = (2√2/π) × Ed

この値は、方形波の実効値 Ed とは異なるため、出力の基本波成分を問う問題では両者を区別しなければならない。