パワーエレクトロニクスの基礎―新しいパワーデバイスとその応用 (理工学講座)

パ ワーエ レクトロニクスの 基 礎 新 しい パ ワーデ バ イス とその 応 用

岸

敬 二 著

東京電機 大学出版局

本 書 の 全部 また は一 部 を無 断 で複 写 複 製(コ ピー)す る こ と は,著 作 権 法上 で の例 外 を除 き,禁 じ られ て い ます.小 局 は,著 者 か ら複 写 に係 る 権 利 の 管理 に つ き委 託 を受 けて い ます の で,本 書 か らの 複 写 を希 望 さ れ る場 合 は,必 ず小 局(03-5280-3422)宛 ご連 絡 くだ さ い.

ま

1947年(昭

え

和22年)12月23日,ア

実 験 机 でW.Shockley,

が

き

メ リ カ のBell

W. Brattain, J. Bardeenが

Telephone

Labolatoriesの

試 作 し た点 接 触 形 ゲ ル マ ニ ウ

ム トラ ンジ ス タ で 電 流 増 幅 作 用 を確 認 して か ら来 年 で ち ょ う ど50年 ,半 世 紀 に な る.こ の 日が 真 に 「トラ ン ジ ス タ の 誕 生 日」 で あ り,「 エ レ ク トロニ ク ス 時 代 の 幕 開 け の 日」 で あ っ た. こ の半 世 紀 を 振 り返 っ て 見 る と,集 積 回 路(IC, 展,設 計 ・製 造 技 術 の 進 歩,デ

LSI)を 含 む 半 導 体 工 学 の 発

バ イ ス の特 性 の 改 良 と種 類 の 多様 化,応

用分 野 の

拡 大 に は 正 に 目 を見 張 る もの が あ る.現 在 の わ れ わ れ の 生 活 は 半 導 体 デバ イ ス に 囲 まれ て成 り立 って い る とい っ て も過 言 で は な か ろ う.50年

前,誰

が今 日の よ

う な時 代 を予 測 した で あ ろ うか. トラ ン ジス タ は20世 紀 最 大 の 発 明 の一 つ とい え る. 筆 者 が,こ

の 図 書 と同 じ東 京 電 機 大 学 出 版 局 か ら1976年(昭

リス タ とそ の 応 用 技 術 」(昭 和52年 ょ う ど20年

和51年)に

「サ イ

度 電 気 学 会 著 作 賞)を 出 版 し て か ら今 年 は ち

に な る.こ の 「50周 年 」 に 向 け て改 め て20年

前 の この 本 を 見 る と,

そ の 内容 が あ ま りに も古 くな っ て い る こ と を痛 感 した .こ の た び,再 か ら機 会 を与 え られ,最 近 のパ ワー エ レク トロニ ク ス 技 術,特

び 同 出版 局

に デ バ イ ス の応 用

分 野 に力 点 を お い て ま とめ,「 パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 基 礎 」 と改 め た.こ

の

記 念 す べ き 「50周 年 」 に 向 け て この 本 を 書 く こ とに な っ た こ と は大 変 に幸 せ で あ る. ペ ー ジ数 の 制 約 か ら,す べ て を詳 細 に解 説 し得 な か っ た が ,現 状 と将 来 動 向 を 知 る う え で参 考 に なれ ば幸 い で あ る. 1996年6月 岸      敬  二

目    次

は じめ に  

第 １章

１

パ ワー エ レク トロニ クス の発 展 の経緯

1・1  パ ワー デバ イ ス の歴 史 と多 様 化 の流 れ  

５

1・2  パ ワー デバ イ ス の 高 電 圧,大

６

1・3 

電 流 化 の変 遷  

パ ワー エ レ ク トロニ ク ス の概 要  

７

演 習 問 題 〔１〕  

第 ２章

８

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス に 関 す る 定 義, 記 号,

2・1  電 力 変 換 に 関 す る記 号,用 語,組

合 せ 

2・2 

性 

デ バ イ ス の 分 類,用

語,記

号,特

演 習 問 題 〔２〕 

第 ３章

用語 ９ 12

24

パ ワー デバ イスの基礎

(そ の １)

− 動 作 原 理 とデ バ イ ス の 種 類 ― 3・1  半 導 体 の性 質  

25

3・2 

30

パ ワ ー デバ イ スの 動 作 原 理  

3・3  パ ワ ー デ バ イ ス の 種 類,構 3・4 

造,特

性 お よび 実 例  

シ リコ ン単 結 晶 と ウ エ ー ハ の 特 性  

3・5  デバ イ ス 製 造 プ ロセ ス と特 性 の相 関 性  

41 57

63

演 習 問 題 〔３〕 

第 ４章

69

パ ワー デバ イスの基礎 (そ の ２) ― ゲ ー ト駆 動 回 路

,安

全 動 作 領 域,熱

抵抗―

4・1  駆 動 方 法 と駆 動 回 路    

70

4・2  電 力 損 失 と安 全 動 作 領 域 お よび ス ナバ 回 路  

77

4・3  各 種 パ ワ ー デ バ イ ス の特 性 比 較 と適 用 分 野  

95

演 習 問 題 〔４〕  

97

第 ５章

電力変換回路

5・1  交 流-直 流 電 力 変 換 回 路  

99

5・2  交 流-交 流 電 力 変 換 回 路  

116

5・3  直 流-直 流 電 力 変 換 回 路  

133

5・4  直 流-交 流 電 力 変 換 回 路  

144

5・5  回 路 に 関 す る諸 事 項    

157

演 習 問題

168

第 ６章

〔５〕  

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 応 用

(そ の １)

− 電 力 へ の応 用 − 6・1  交 流-交 流 変 換(交 流 間接 変 換) 

169

6・2 

201

交 流-直 流 変 換  

6・3  直 流-直 流 変 換(直 流 間接 変 換) 

203

6・4  直 流-交 流 変 換  

206

演 習 問題

216

〔６〕  

パ ワー エ レ ク トロニ ク ス の 応 用

第 ７章

(そ の ２)

−電動機への応用― 7・1  電 動 機 の原 理 と制 御    

219

7・2  交 流 電 動 機 と そ の駆 動 方 法  

236

7・3  一般 産 業 ・重 工 業 用 交 流 電 動 機 へ の 応 用  

240

7・4 

247

交 流 ・輸 送 シ ス テ ム へ の 応 用  

演 習 問 題 〔７〕 

第 ８章

264

今 後のパ ワー エ レク トロニ クスの動 向

あ とが き  

271

謝  辞  

272

演 習 問 題 の 解答  

273

索 引 

277

は

  1947年12月

じ

に

め

の ゲ ル マ ニ ウ ム トラ ン ジス タ は 画 期 的 な 発 明 で あ っ た が,ベ

ル研

究 所 で は 実 験 と理 論 に よ る裏 付 け お よ び応 用 機 器 を試 作 した の ち正 式 に発 表 し た の は1948年7月1日

で あ っ た.こ

  トラ ンジ ス タ(Transistor)と

の年 が トラ ン ジ ス タ 元 年 と され て い る.

い う名 前 は,２ 本 の針 の 間 で 電 流 を増 幅 し て伝 え

る可 変 抵 抗 とい う意 味 で,transferとresistorを

縮 め た 新 造 語 で あ る*.

  この 年代 の半 導体 用 材 料 と し て ゲ ル マ ニ ウ ム単 結 晶 が 使 わ れ て い た が,す に シ リ コ ン単 結 晶 が 開 発 され た.シ で きる の で,こ

ぐ後

リコ ン トラ ン ジ ス タ の ほ うが 動 作 温 度 を高 く

の 時 代 以 降,半 導 体 の 基 本 材 料 は シ リコ ン単 結 晶 に な っ た.

  この 時代 の トラ ン ジ ス タ は極 め て小 さ な信 号 を取 り扱 う程 度 で あ った が,電

子

管 増 幅 器 に 取 っ て換 わ る もの と して大 い に期 待 され た.   一 方,こ

の 時 代 の 電 力 変 換 用 の機 器 と して は,真 空 中 の水 銀 蒸 気 の ア ー ク放 電

を利 用 した 多 極 また は単 極 の 水 銀 整 流器 が 広 く使 用 され て い た.し

か し,逆 弧,

通 弧,失 弧 な どの特 有 の放 電 現 象 の た め 使 い に くい 点 が あ っ た.

  1956年

に ア メ リ カGE社

ス イ ッ チ をSCR(Silicon

が シ リ コ ン を基 材 と し て 三 つ の 接 合 面 を もつ 半 導 体 Controlled

Rectifier)と

い う 名 前 で 発 売 し た.

  こ の 時 の ピ ー ク 繰 返 し オ フ ・逆 電 圧 は200∼400Ｖ,オ で,大

電 力 を ス イ ッ チ さ せ る 能 力 は な か っ た が,小

SCRの

*

IEEE

のSCRの

特 性,動

作 が

れ を 契 機 と し て シ リ コ ン 単 結 晶 の 高 品 質 化,

設 計 ・製 造 技 術 の 向 上 に よ り, SCRの

Spectrum

程 度

さな 直 流 電 動 機 の速 度 制 御 お

よ び 小 型 の 電 子 ス イ ッ チ と し て 用 途 が 開 け て い っ た.こ 極 め て 魅 力 的 で あ っ た た め,こ

ン 電 流 は5∼16Ａ

January1973,p.24-34

ピ ー ク 繰 返 し オ フ ・逆 電 圧 お よ び

オ ン電 流*は 年 ご とに増 加 した.   このSCRと

い う呼 称 は,1963年

用 語 に変 更 さ れ,広

の 国 際 会 議 で サ イ リス タ(Thyristor)と

く使 わ れ て い る.

  サ イ リス タ の 動 作 は,外 部 信 号(電 流,電 へ,ま

いう

圧,光)に

よ り,オ

フか ら オ ン 状 態

た オ ン か らオ フ状 態 に マ イ ク ロ秒 の オ ー ダ ー で 移 行 す る超 高 速 の 電 子 ス イ

ッチ で あ る.   初 期 の サ イ リス タ の応 用 は,機 械 的 ス イ ッ チ お よ び水 銀 整 流 器 の代 替 で あ っ た.   サ イ リ ス タ の定 格 の 増 加 お よび 信頼 性 の 向 上 に よ り,ま ず 製 鉄 用 大 型 直 流 電 動 機 の速 度 制 御 に,次 な った.特

に50/60Hzの

電 力 変 換 お よ び直 流 送 電 に応 用 され る よ う に

に,高 電 圧 ・大 電 流 を取 り扱 う変 換 装 置 に は,光 で タ ー ン オ ン す る

８kV,3500Ａ

級 の光 ト リガサ イ リス タが 使 わ れ て い る.

  サ イ リス タ の優 れ た 特 性 に よっ て ベ ク トル 制 御 法 が 考 案 され,電

動機 と して か

つ て の直 流 電 動 機 か ら現 在 で は小 型 ・軽 量 で 整 流 子 の な い誘 導 電 動 機 に置 き換 え られ つ つ あ る.最 近 の 大 型 圧 延 機,送

風 機 お よ び新 幹 線 の 新 型 車 両 はす べ て誘 導

電 動 機 が 用 い られ て い る.   一 方,デ バ イ ス 内 の 電 子,正 孔 の 挙 動 が コ ン ピ ュ ー タ シ ミュ レー シ ョ ン に よ っ て明 確 に な り,よ り適 切 な デバ イ ス デ ザ イ ンが 可 能 とな っ た.さ

ら に,集 積 回 路

の 微 細 加 工 技 術 が サ イ リス タ に応 用 され て大 電 流 を タ ー ン オ フ で き るゲ ー トター ンオ フ サ イ リス タ(GTO)が

開 発 さ れ,各 種 イ ンバ ー タ に使 用 され て い る.

  これ ら技 術 の進 歩 に よ っ て,ナ MOSFET(電

ノ秒 の オ ー ダ ー の超 高 速 ス イ ッチ ング が 可 能 な

界 効 果 トラ ン ジ ス タ の 一 種)やIGBT(絶

ン ジ ス タ)が 開 発 さ れ て,イ

ン バ ー タ の 高 効 率 化,小

縁 ゲ ー トバ イ ポ ー ラ トラ 型 化 に貢 献 し,特 性 の 向 上

と と もに新 し い応 用 分 野 を開 拓 しつ つ あ る.   「パ ワ ー エ レ ク トロニ ク ス 」 とい う言 葉 は,1960年 に な っ た が,こ

*専

門 用 語 は,

の意 味 は 「パ ワ ー(電 力,電

第 ２ 章 2・

2 節 参照.

代 に 入 っ て使 わ れ る よ う

力 機 器)」 と 「エ レ ク トロ ニ ク ス(半

導体 デバ イ ス)」 と,そ れ を 「コ ン トロー ル(制 御)」 の 三 つ の技 術 で 構 成 され た 広 い技 術 分 野 で あ る. 本 書 は,「 トラ ン ジ ス タ発 明50周

年 」 に 当 た り,紙 面 の許 す 限 り,パ ワ ー エ レ

ク トロニ ク ス の 発 展 の 歴 史 を概 説 し,現 在 の 技 術 を で き る だ け広 く詳 し く解 説 す る と と も に,今 後 の発 展 動 向 を 予 測 し て い る.

第

１章

  1947年12月

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 発 展 の 経 緯

に発 明 さ れ た トラ ン ジス タ は,従 来 の 電 子 管 の よ う な ヒー タ ー 電

源 お よ び余 熱 時 間 は不 要 で,振 動 に強 く,小 型 で ソ リ ッ ド構 造 の デ バ イ ス で あ る こ とが 最 大 の 特 徴 で あ っ た.半

導体 を材 料 と し て増 幅,ス

イ ッチ機 能 を も っ た 固

体 素 子 を総 称 して 半 導 体 デ バ イ ス(略 して デ バ イ ス)と い い,電 力 を 扱 うデ バ イ ス をパ ワー デバ イ ス と呼 ん で い る.   1950年 代 の トラ ン ジス タ の応 用 は,ラ

ジオ な どの 小 信 号 の増 幅 が 主 で あ っ た.

   1956年 に,二 つ の トラ ン ジ ス タ を組 み 合 わ せ た構 造 と等 価 の,三

つ の接合 を

もつ デバ イ ス の 論 文 が 発 表 され た.こ れ は,信 号 を加 え る こ とに よ り,オ フ状 態 か らオ ン状 態 にス イ ッ チ して,オ

ン電 流 を 自己 保 持 で き る機 能 を もち,現 在 の サ

イ リ ス タ の構 造 と動 作 を示 唆 す る最 初 の 理 論 的 な論 文 で あ った.   1957年 に,ア はSCRと

メ リカGE社

が 初 め て 小 電 力 を ス イ ッチ で き るサ イ リス タ(当 時

呼 ば れ た)を 発 売 す る と と も に,頻 繁 に 「SCR Manual」

イ リス タ の特 徴 と その 応 用 分 野 を啓 蒙 した.ト

を出 版 し,サ

ラ ン ジ ス タ と と もに,サ

イ リス タ

の将 来 性 は 多 くの 企 業 に イ ンパ ク トを与 え,日 本 の 各 会 社 は積 極 的 に ア メ リカ か ら技 術 導 入 を行 った.   そ の 後,日

本 で も小 型 の トラ ン ジ ス タ,サ

イ リス タ が 製 造 で き る よ う に な っ

た.初 期 の トラ ン ジ ス タ の 基 材 は ゲ ル マ ニ ウ ム で あ っ た が,そ わ っ て か らシ リコ ン単 結 晶 の物 性 お よび 高 純 度 化 の 研 究,結 を 介 して の電 子 と正 孔 の挙 動 の 研 究,接

の後 シ リコ ン に変

晶 内 に形 成 した 接 合

合 構 造 と不 純 物 濃 度 プ ロ フ ァイ ル の 設 計

と製 造 技 術 な どの 進 歩 に よ り,ト ラ ン ジ ス タ,サ イ リス タ の 特 性 は徐 々 に 向 上 し た.   1960年 代 は,日 本 のパ ワー エ レ ク トロ ニ クス の 黎 明 期,揺   そ の 後,パ

藍 期 と い え る.

ワー エ レ ク トロニ ク ス の核 とな る トラ ン ジ ス タ,サ

イ リス タ,す

な

わ ちパ ワ ー デ バ イ スの 進 歩 と と も に発 展 期 に入 り,日 本 のパ ワー エ レ ク トロニ ク ス 技 術 とそ の 応 用 分 野 は大 き く成 長 した . 現 在 の 日本 のパ ワー デバ イ ス の 性 能 お   よび パ ワー エ レ ク トロニ クス 技 術 は世 界 の トッ プ レ ベ ル に あ る.

1

・

1

パ ワーデバ イスの歴史 と多様 化 の流れ

図 1・1は,シ

リコ ン を基 材 と した 半 導 体 デバ イ ス の 発 展 過 程 の 概 要 を 示 す .

図

  図 中 の 上 部 は,パ

1・1

半導 体 デ バ イ スの 発展 の 歴 史

ワ ー トラ ン ジ ス タ,各 種 サ イ リス タか らな るパ ワー デバ イ ス

の 流 れ で あ る.図 中 下 部 の太 い 流 れ は,1961年

ご ろIC構

造 の 発 明 に よ り,上 部

の パ ワ ー デ バ イ ス の 流 れ か ら別 れ た 支 流 で,超 微 細 加 工 技 術 等 の 進 歩 と と もに IC,LSI,VLSIと

し て発 展 して い る.現 在 で は,支 流 の ほ う の製 造 個 数,売 上

金 額 が 本 流 の そ れ ら よ り も遥 か に大 き くな りつ つ あ り,将 来 に向 か っ て ます ま す

技 術 開 発 競 争,コ

ス トダ ウ ン競 争 は 熾 烈 に な っ て い る.

  二 つ の 流 れ を結 ぶ 上 ・下 の 線 は,技 術 の転 用,波 及,応 用 を 示 す 流 れ で あ る. 例 えば,GTO,  形 成 技 術,微

MOSFET, 

IGBTの

電 極 パ ター ン の製 造 に は, IC, LSIの 接 合

細 加 工 リゾ グ ラ フ ィー(写 真 食 刻)技 術 を応 用 し て い る.

・

2

1

パ ワーデバ イス の高電圧,大 電流化 の変遷

  サ イ リス タ の 応 用 分 野 が 広 が る に従 っ て ます ます 大 きな 電 力 を取 り扱 う用途 が 増 え,こ の た め,サ

イ リ ス タ が制 御 し得 る電 圧,電

流 を増 加 させ る 強 い要 求 が あ

った.   サ イ リス タ １個 が 耐 え 得 る電 圧 を高 くす る ほ ど直 列 に接 続 す る個 数 を減 らす こ とが で き,ま た オ ン電 流 を大 き くす る ほ ど並 列 に 接続 す る個 数 を減 らす こ とが で き る.こ の た め,サ

イ リス タ １個 当 た りの 電 圧 ・電 流 定 格 を増 加 す る ほ ど高 電

圧 ・大電 流 の 電 力 変 換 が 可 能 と な り,同 時 に変 換 装 置 を小 型 で,か を減 らす こ とが で き る利 点 が あ る.パ

つ,電 力 損 失

ワ ー デ バ イ ス の 例 と し て,図1・2(ａ)に

常 の サ イ リス タ １個 の 定 格 オ フお よ び 逆 電 圧,定 格 オ ン電 流 の 変 遷 を,図(ｂ)に

図1・2  代 表 的パ ワー デバ イス の電圧 ・電 流特 性 の変 遷

通

ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ(GTO)１

個 の定 格 オ フ お よ び逆 電 圧,定

格 ゲー ト

タ ー ンオ フ 電 流(負 の ゲ ー ト電 流 で タ ー ン オ フ し得 る定 格 オ ン電 流)の 変 遷 を 示 す.   この 電 圧 ・電 流 定 格 の 増 加 は,デ バ イ ス の 設 計,製

造 技 術 の 向上 の ほ か,デ バ

イ ス の 基 本 材 料 で あ る シ リコ ン単 結 晶(特 に,FZ(Floating

Zone)法

で製 造 した

単 結 晶)の 品 質 向上 と大 口径 化 が大 き く貢 献 し て い る.   サ イ リス タ の 高 電 圧 ・大 電 流 化 に よっ て,現 在 で は大 電 力 送 電 系 統 に直 接 接 続 した電 力 変 換 装 置 が 多 数 運 転 され て い る.

1・3  パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 概 要

「パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス 」 と い う 概 念 は,1973年

図1・3 

に,ア

メ リ カ のNewell

パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス と エ レ ク ト ロ ニ ク ス との 関 係

氏 が提 案 した 言 葉 で,「 パ ワー(電 力)と エ レ ク トロ ニ ク ス(半 導 体 デバ イ ス)お よ び コ ン トロー ル(制 御)の 三 つ の技 術 領 域 を結 びつ け る学 際 的 な 技 術 分 野 」 を意 味 して い る.   一 方,パ

ワ ー エ レ ク トロニ ク ス は,エ

レ ク トロ ニ ク ス全 体 か ら見 れ ば ほ ん の 一

部 で あ って,両 者 の 関 係 を明 快 に 図 示 す るの は は な は だ 難 しい.   あ えて 図 示 す る と,図1・3の とい っ て もIC,  LSI,  VLSIを

よ うに な る.現 在 の エ レ ク トロ ニ ク ス の 中心 は何 使 用 した マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ,シ

グナル プロセ

ッサ と ソ フ トウ ェ ア技 術 で あ る.こ れ らか らそ れ ぞ れ の応 用 分 野 に 適 した信 号 処 理 ・伝 送 技 術,画 術 が 生 れ,そ

像 処 理 技 術,セ

ンサ ・ア ク チ ュエ ー タ技 術,電

力 ・動 力 制 御 技

れ ぞれ の 分 野 の発 展 の 原 動 力 に な っ て い る.

演

習

問

題

〔１〕

〔 問 題 〕 １.世 界 で 初 め て トラ ン ジ ス タ を 開 発 した の は,い

つ,誰

〔 問 題 〕 ２.サ

イ リス タ の 起 源 に つ い て 述 べ よ.

〔 問 題 〕 ３.パ

ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス と は どの よ う な 技 術 分 野 か?

〔 問 題 〕 ４.サ

イ リス タ が 高 電 圧,大

電 流 化 し た 背 景 は何 か?

が,ど

こで か?

第 ２章

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス

に関 す る定 義, 記 号, 用語

・

2

1

電力変換 に関す る記号, 用 語, 組合せ

  パ ワ ー デ バ イ ス を 用 い て 電 力 の 変 換 を 扱 う技 術 を(半 導 体)電 力 変 換 技 術 とい い,パ

ワー エ レク トロ ニ ク ス の 中核 技 術 で あ る.パ ワ ー デ バ イ ス の機 能 は 損 失 の

小 さい 高 速 の電 子 ス イ ッチ で あ り,そ れ 自身 で はエ ネル ギ ー を蓄 積 で き な い .   パ ワー デ バ イ ス を所 定 の機 能 で 動 作 させ て電 力 変 換 を行 うた め に は,パ

ワー デ

バ イ ス と と も に制 御 回 路,保 護 回 路 ,冷 却 装 置 が 必 要 で あ り,こ れ ら を収 納 した 装 置 を(半 導 体)電 力 変 換 装 置(ま た は 変 換 ユ ニ ッ ト)とい う.   電 力 変 換 の 信 頼 性 を 強 く求 め る用 途,す

な わ ち無 停 電 電 力 変 換 装 置 で は蓄 電 池

また は大 容 量 コ ン デ ン サ をバ ッ クア ップ電 源 と して補 助 的 に用 い る.   パ ワー エ レク トロニ ク ス の 電 力 変 換 シ ス テ ム を,供 給 側 電 力,応 御 に よ り大 別 す る と,図2・1の

よ うに な る.同 図 で,タ

1・

2

図

電 力変 換 シス テム の概 要

用,目

イ プ-1は,供

的,制

給 側電 力

(交流 ま た は直 流)が 安 定 して お り,電 力 の 流 れ が 順 方 向(順 変 換)お よ び逆 方 向 (電力 回 生;逆

変 換)可 能 の場 合 で あ り,タ イ プ-２ は,供 給 側 電 力 が 不 安 定 の場

合 で あ る.   電 力 変 換 装 置 と その 組 合 せ を記 号 で 示 す と図2・2と な る.図(ａ)の

「チ ョ ップ

部 」 は,デ バ イ ス に よ りオ ン ・オ フ の み を行 う装 置 で あ る.

(ｂ)電 力機 器 の 記号

(ａ)順 ・逆 変 換 装 置 の 記号 図2・2電

力 変 換,電 力機 器 に 関す る記 号

  四 角 の 中 の 斜 め の 線 は,左 上 か ら右 下 に 記 号 の よ う に電 力 が 変 換 され て 流 れ る こ と を示 して い る.図(ｂ)は

供 給 側 お よび 負 荷 側 の 電 力 機 器 を示 して い る.

 商 用 電 力 の 電 源 と して交 流 と直 流 が あ り,負 荷 が 要 求 す る電 力 と して 交 流 と直 流 が あ る.ま た,交

流 の場 合,両

者 に は,電 圧,周

波 数,力

率,波

形 に含 ま れ る

高 調 波 な どの 条 件 が 異 な るた め,入 力(電 源)側 と出 力(負 荷)側 を結 ぶ 電 力 変 換 装 置 に は種 々 の 方 式 が あ る.図2・3に

代 表 的 な変 換 方 式 を示 す.

  直 流 を 交 流 に変 換 す る逆 変 換(イ ンバ ー タ)で は,確 実 な転 流 動 作 が 運 転 上 必 要 条 件 で あ る.転 流 と は,回 路 に複 数 の デ バ イ ス が接 続 さ れ て い て,デ バ イ ス 間 で 同 時 に電 流 を通 じ る期 間 を も っ て行 わ れ る電 流 の移 り変 わ りを い う.   例 え ば,二

つ の デ バ イ ス の 陰 極 が共 通 に接 続 さ れ て い て 電 源 か ら両 方 に交 流 電

圧 が 印加 され て い る と き,陽 極 の電 圧 が 高 い ほ うの デバ イ ス に電 流 が 転 流 す る.

図2・3電

力変 換 の基 本 方 式

これ を電 源 転 流 とい う.例 え ば,負 荷 側 が直 流 機 の と き,そ の逆 起 電 力 に よ り陰 極 の 電 位 が 陽極 よ り も高 くな る と,デ バ イ ス の 電 流 は転 流 す る こ とな し に消 滅 し (こ れ を消 流 とい う),陽 極 の電 位 が 高 い ほ うの デバ イ ス に 電 流 が 移 る.こ れ を 負 荷 転 流 とい う.ゲ ー ト電 流 に よ りタ ー ン オ ンす る通 常 の サ イ リス タ の よ う に,オ ン電 流 を 自 分 自身 で オ フで きな い,す で は,Ｌ

な わ ち 自己 オ ン ・オ フ機 能 が な い デ バ イ ス

と Ｃ か らな る振 動 回 路 を例 え ば サ イ リス タ に 並 列 に 接 続 す る.そ の 振

動 電 流 に よ って サ イ リス タの オ ン電 流 を強 制 的 に ゼ ロ に して オ フ 状 態 に し,他 の デバ イ ス に 電 流 を移 す.こ

の よ うな 補 助 回路 と デバ イ ス の 機 能 を組 み合 わ せ た転

流 を イ ンパ ル ス 転 流 とい う.   自 己 オ ン ・オ フ 機 能 を も つ デ バ イ ス,例

え ば,ト

ラ ン ジ ス タ,ゲ

フ サ イ リ ス タ で 行 う転 流 を デ バ イ ス 転 流 と い う.図2・4に

図2・4  転 流方 式 の分 類

ー トタ ー ンオ

転 流 方 式 を 示 す.

転 流 方 式 は,交 流 電 源 に よ る他 励 式 転 流 と デバ イ ス の機 能 に よ る 自励 式 転 流 に 分 け られ る.

2

・

2  デバ イス の分 類, 用 語,

記 号,

特性

パ ワ ー エ レ ク トロニ ク ス,す な わ ち電 力 変 換 装 置 の 主 役 は 半 導 体 デ バ イ ス で あ る.半 導 体 デ バ イ ス と は,半 導 体 材 料 を 用 い,一

方 向 のみ非 可制御 の導通 機 能

(整流 ダ イ オ ー ド)を もつ か,一 方 向 の可 制 御 の オ ン機 能(通 常 の サ イ リス タ)あ る い はオ ン ・オ フ 機 能(ス イ ッ チ モ ー ドで 動 作 さ せ る トラ ン ジ ス タ,ゲ ー トタ ー ン オ フサ イ リス タ)を もつ 単 体 の 半 導 体 素 子 の 総 称 で あ る.本 書 で は,以 後 略 し て デ バ イ ス と い う こ と にす る.代 表 的 デバ イ ス の分 類,構

造 は次 の よ うで あ る.

2 ・2・ 1  デ バ イ ス の分 類 ①  整 流 ダ イ オ ー ドは,シ

リコ ン単 結 晶 ウ エ ー ハ に一 つ のpn接

合 面 を形 成 さ

せ た構 造 の通 常 の ダ イ オ ー ドと,ｎ 形 半 導 体 に金 属 被 膜 を接 触 させ た 構 造 の シ ョ ッ トキ ー バ リア ダ イ オ ー ドが あ る(と もに 陽極,陰 ②  バ イ ポ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ は,シ npnの

３層 を 形 成 し,そ

のpn,npの

極 の ２端 子 構 造).

リ コ ン 単 結 晶 ウ エ ー ハ にpnpあ

二 つ の 接 合 で の 電 子 と正 孔 の 挙 動 で ス

イ ッ チ 動 作 を す る 自 己 オ ン ・オ フ機 能 を も っ た デ バ イ ス(べ ー ス,エ コ レ ク タ の ３端 子 構 造)で あ る.ス

号 と し て,べ

ー ラ トラ ン ジ ス タ と,ゲ Oxide

Semiconductor

号 を止 め る とオ

ー ス 電 流 に よ っ て オ ン ・オ フ 動 作 す る バ イ ポ

ー ト電 圧 で オ ン ・オ フ 動 作 す るMOSFET(Metal

Field Effect

ス タ),IGBT(Insulated

ミ ッ タ,

イ ッ チ モ ー ドで オ ン ・オ フ 動 作 さ せ る 程

度 の 信 号 を べ ー ス に 流 し て い る 期 間 の み オ ン 状 態 と な り,信 フ状 態 に な る.信

る い は

Gate

Transistor;金

Bipolar

属 被 膜 電 界効 果 トラ ン ジ

Transistor;絶

縁 ゲ ー トバ イ ポ ー ラ

ト ラ ン ジ ス タ)が あ る.

③  サ イ リス タ は,シ npn,pnpの

リ コ ン単 結 晶 ウ エ ー ハ にpnpnの

４層 を形 成 し,そ の

三 つ の 接 合 面 で の 電 子 と正 孔 の 挙 動 で ス イ ッ チ 動 作 をす る デバ

イ ス(陽 極,ゲ

ー ト,陰 極 の ３端 子 構 造)で あ る.正 の ゲ ー ト信 号 に よっ て オ

ンの み動 作 す る転 流 タ ー ンオ フ形 の通 常 の サ イ リス タ と,正

と負 の ゲ ー ト信

号 に よ っ て オ ン とオ フ の両 方 の 動 作 を す る 自己 オ ン ・オ フ機 能 を もっ た ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ(「ゲ ー ト」 を 省 略 す る こ と が あ る;略 称GTO)が あ る.   ゲ ー ト信 号 の代 わ りに光 を 照射 す る こ とに よ っ て オ ン動 作 す る光 トリガサ イ リス タ(陽 極,光 ④

入 力 端 子,陰 極 の ３端 子 構 造)が あ る.

この ほ か,単 体 の パ ワ ー デ バ イ ス と して,ト

ラ イ ア ッ ク,静 電 誘 導 サ イ リ

ス タ,静 電 誘 導 トラ ンジ ス タ が あ る.ま た,一

つ の ウ エ ー ハ に整 流 ダ イ オ ー

ドとサ イ リス タ を一 体 化 した逆 導 通 サ イ リス タ あ る い は トラ ン ジ ス タ とサ イ リス タ を組 み 合 わ せ た 複 合 デ バ イ ス が あ る.   電 力変 換,特 圧,電

に 逆 変 換 に とっ て,転 流 は必 要 条件 で あ る た め,そ

流,動 作 周 波 数 の デバ イ ス を選 択 す る必 要 が あ る.図2・5に

れ に適 した電 転 流 方 式 と適

す る デ バ イ ス とそ の 記 号 を示 す.

図2・5転

流 方式 とデバ イス とその 記号

  デバ イ ス を タ ー ンオ ンあ る い は タ ー ンオ フ させ るた め に は,ゲ ー トあ る い はべ ー ス に信 号 を与 え な け れ ば な ら な い.図2・6に 号,制 御 信 号 波 形 の 例 を示 す.

代 表 的 な デバ イ ス の 接 合 構 造,記

*ゲ ー トパ ル スは幅 が 狭 くて もよいが,軽 ため 広 い幅 の ほ うが よい 場合 が 多い 。

図2・6デ

負荷 で も オン状 態 を保 つ

バ イ スの接 合 構 造,記 号,制 御 信号 波 形 の例

  変 換 装 置 を設 計 す る場 合,デ バ イ ス の 特 性 を表 す 用語,記 な けれ ば な ら な い.表2・1に,例

号,波 形 を知 っ て い

と し て通 常 の サ イ リス タの 特 性 を表 す 用 語,記

号 を 示 す.個 々 の デ バ イ ス の 定 格 と特 性 は,電 圧 阻 止 特 性(静 特 性),動 (動特 性),熱

的 ・機 械 的特 性 で 表 示 され る.ゲ ー トタ ー ンオ フ サ イ リス タ で は,

ター ン オ フ機 能 を表 す特 有 の 用 語,記

2

・2・

2

作特性

サ イ リ ス タ の 定 格,

特 性,

号 が あ る.

用語

  定 格 と は,デ バ イ ス が 所 定 の機 能 を発 揮 す るた め,電 気 的,熱

的 お よ び使 用 条

件 に つ い て 製 作 者 が 指 定 した 値 で,そ れ ぞ れ の デバ イ ス に表 示 さ れ て い る.   い か な る瞬 間 で も,こ の 定 格 値 を超 え て使 用 す る とそ の デ バ イ ス は 破 壊 す る こ とを意 味 す る.次 に,通 常 の サ イ リス タ の ス イ ッチ動 作 の順 序 に従 い,(１)オ 状 態,(２)オ

フ状 態 か らオ ン状 態 へ,(３)オ

ン状 態,(４)オ

フ

ン状 態 か ら オ フ状 態

へ に つ い て波 形 と用 語 を説 明 す る. (１)オ

フ状 態

図2・7に,陽

極 電 圧 ・電 流 特 性 と用 語 を示 す.順

・逆 方 向

とも所 定 の 電 圧 ま で電 圧 を阻 止 し,温 度 に依 存 した わ ず か の 陽 極 電 流(オ フ電 流,

表2・1サ

イ リス タ の特 性 を表 す用 語,記 号 (JEC-189, 

名   称(和文)

記

号

オ フ電 圧

Off-state 

voltage

電 圧

ピー ク オ フ電 圧

VDM

Peak  off-state  voltage

ピー ク動 作 オ フ電 圧

VDWM

Crest(peak)working 

ピー ク繰 返 し オ フ 電 圧

VDRM

Repetitive 

ピー ク非 繰 返 しオ フ電 圧

VDSM

Non-repetitive 

ブ レー ク オ ー バ電 圧

V(BO)

Breakover 

ス パ イ ク電 圧

VDSP

特

ピ ー ク電 圧

off-state  voltage

peak 

off-state  peak 

VTM

voltage

on-state 

性

Reverse 

voltage

voltage

ピー ク逆 電 圧

VRM

Peak 

ピー ク動作逆電圧

VRWM

Crest(peak)working 

ピーク繰返 し逆電圧

VRRM

Repetitive 

ピー ク非 繰 返 し逆 電 圧

VRSM

Non-repetitive 

臨 界オ フ電圧上昇率

dυ/dt

Critical 

オ フ電流

ID IH

reverse  voltage

peak 

current

Holding 

current

電 流

IT

On-state 

ITM

Peak 

平 均オ ン電流

IT(AV)

Average 

実効 オ ン電流

IT(RMS)

RMS 

過 負荷 オ ン電流

voltage

voltage

current on-state 

current

on-state 

on-state 

特 性

ITM(OV)

Overload 

ピー ク繰 返 しオ ン電 流

ITRM

Repetitive 

サ ー ジ オ ン電 流

ITSM

Surge 

ラ ッチ ン グ電 流

IL

Latching 

可制御 オ ン電流

ITQ

Controllable 

繰返 し可制御オ ン電 流

ITQRM

Repetitive 

非繰返 し可制御オ ン電 流

ITQSM

Non-repetitive 

Itai〓

Tail  current

IR

Reverse 

テイ ル 電 流

reverse 

of  rise  of  off-state 

Off-state 

ピー クオ ン電 流

reverse  voltage

peak  reverse  voltage

rate 

オ ン電 流

逆電 流

voltage

voltage

On-state  Peak 

VR

保 持電流

voltage

off-state 

Spike  voltage VT

逆 電圧

ら抜 粋)

名   称(英文) VD

オ ン電圧

JEC-2401か

current

current

on-state  peak 

current on-state 

current

(non-repetitive)on-state 

current

current on-state 

current

controllable 

on-state 

controllable 

blocking 

current

current

on-state 

current

電流特性 ゲート特性

名   称(和文)

記

ピー ク繰 返 しオ フ電 流

IDRM

Repe titive peak

ピ ー ク繰 返 し逆 電 流

IRRM

Repetitive

臨界 オン電 流上昇率

dit/dt

Critical rate of rise of on-state

ピ ー ク ゲ ー ト電 圧

VPGM

Peak

ゲ ー ト逆 電 圧

VRG

Reverse

ゲ ー ト トリガ 電圧

VGt

Gate

i FG

Forward

ゲ ー ト順 電 流

号

名   称(英文) off-state current

peak  reverse

forward

current

gate

gate voltage voltage

trigger voltage gate current

タ ー ンオ ン特性

電力損失

ゲ ー ト トリガ 電 流

IGT

Gate

trigger current

ゲー ト順電 流上昇率

diG/dt

Rate

of rise of forward

(ゲ ー ト制 御)遅 れ 時 間

tgd(td)

Gate-controlled

delay

(ゲ ー ト制 御)立 上 り時 間

tgr(tr)

Gate-controlled

rise time

(ゲ ー ト制 御)タ ー ン オ ン時 間

tgt

Gate-controlled

turn-on

オ ン損(失)

PT

On-state

dissipation

power

Reverse

逆損(失) オ フ損(失)

PD

平 均 ゲ ー ト順 損(失)

PFG(AV)

周囲温度 ケース温度

current

power

Off-state

gate

current

time

time

dissipation

power

dissipation

Average

forward

Ta

Ambient

temperature

gate

Tc

Case

power

dissipation

temperature

熱的特 性 ゲ ー ト タ ー ン オ フ サ イ リ スタ

接合温度

Tj

Virtual junction temperature

接合-周囲 間熱抵 抗

Rth(j-a)

Thermal

resistance(junction

to ambient)

接 合-ケ ー ス 間 熱 抵 抗

Rth(j-c)

Thermal

resistance(junction

to  case)

ケ ー ス-周 囲 間 熱 抵 抗

Rth(c-a)

Thermal

resistance(case to ambient)

過 渡 熱 イ ン ピー ダ ン ス

zth(t)

Transient

熱抵抗

Zth

Thermal

ゲ ー トタ ー ン オ フ電 圧

υGQ

Gate

turn-off voltage

ゲー トタ ー ン オ フ電 流

iGQ

Gate

turn-off current

ピー ク ゲ ー トタ ー ンオ フ電 流

IGQM

Peak

gate turn-off current

ゲー トタ ー ン オ フ電 流 上 昇 率

diGe/dt

Rate

of rise of gete turn-off current

(ゲー ト制御)ゲ ー トター ンオ フ電 荷

QGQ

Gate

controlled

(ゲ ー ト制 御)蓄 積 時 間

tes(ts)

Gate-controlled

storage

(ゲ ー ト制 御)下 降 時 間

tgf(tf)

Gate-controlled

fall time

(ゲ ー ト制 御)タ ー ンオ フ時 間

tgq

Gate-controlled

turn-off

thermal

impedance

resistance

gete turn-off time

time

charge

名   称(和文)

記

号

名   称(英文)

(ゲ ー ト制 御)テ イ ル時 間

tgtail  (ttail)

Gate-controlled 

ゲ ー ト逆 バ イ ア ス時 間

tgw

Gate 

reverse 

tail  time biased 

time

逆 阻 止 電 流)し か 流 れ な い.順 方 向 の 電 圧 が あ る 限 界 を超 え る と ブ レー クオ ー バ を起 こ して オ ン状 態 に移 行 し,逆 方 向 で は急 激 に逆 阻 止 電 流 が 増 加 す る.こ の と きの 電 圧 をブ レ ー ク オ ー バ 電 圧 お よ び逆 降 伏 電 圧 とい う.こ の 限 界 を超 え る と, サ イ リス タ は特 性 劣 化 も し くは 永 久 破 壊 す る.定 格 ピ ー ク 非繰 返 しオ フ電 圧 お よ び 逆 電 圧 の値 は,こ れ らの 限 界 以 下(例 え ば,限

界 値 の80∼90%)に

設 定 され て

い る．  オ フ状 態 と は,デ バ イ スが 同 図 の 原 点 ０と ブ レー ク オ ーバ 点 との 間 に相 当す る 順 方 向 電 圧 の 阻 止 状 態 を い う.

図 (２)オ   (ａ)タ

2・7

陽極 電 圧 ・電流 特 性

フ状 態 か らオ ン状 態 へ ー ン オ ン時 間   ゲ ー ト-陰極 間 に オ ン用 ゲ ー ト トリガ 電 流 を 流 す と,

極 め て 短 時 間 で オ フ状 態 か らオ ン状 態 に切 り換 わ る.光 サ イ リス タ で は,ゲ ー ト トリガ 電 流 の代 わ りにサ イ リス タエ レ メ ン トの ゲ ー ト部 に赤 外 の パ ル ス 光 を照 射 す る こ とに よ り同様 にオ フ か らオ ン に切 り換 わ る.こ

の切 り換 え に要 す る時 間 を

(ゲ ー ト制 御)タ ー ン オ ン 時 間 と い い,遅 8(ａ)に

れ 時 間 と立 上 り時 間 の 和 で 表 す.図2・

タ ー ン オ ン 時 の 波 形 と 用 語 を 示 す.

(ａ)タ ー ン オ ン 時 の 波 形

(ｂ)オ

ン電 流 上 昇 率,タ

ー ンオ ン損 とその 抑制 法

図2・8  ター ンオ ン時 の 波形,臨 界 オ ン電 流 上昇 率 とそ の抑 制 法

(ｂ)タ

ー ン オ ン損,臨

ー ダ で あ るが ,オ

界 オ ン電 流 上 昇 率   タ ー ンオ ン時 間 は マ イ ク ロ秒 の オ

フ電 圧 とオ ン電 流 が 時 間 的 に変 化 す る の で,そ れ らの 積 が 電 力

損 失 と し て発 生 す る.こ れ を ター ンオ ン損 とい う.タ ー ン オ ン損 の発 生 は短 時 間 で あ るが,エ

レ メ ン トの ゲ ー ト近 傍 に 集 中 す る た め,こ れ が過 大 に な る と接 合 を

熱 的 に破 壊 して デ バ イ ス は機 能 を失 う.サ イ リス タ が 有 害 な影 響 を受 けず に耐 え 得 る こ とが で き る 最 大 の オ ン 電 流 上 昇 率 を 臨 界 オ ン 電 流 上 昇 率 と い う.図2・ 8(ｂ)に タ ー ン オ ン損 を 示 す.電 流 上 昇 率 を低 減 す るた め,サ リア ク トル を接 続 す る.

イ リス タ に 直 列 に

(３)

オ ン状 態

(ａ)

ラ ッチ ング 電 流,保

持電 流

サ イ リ ス タ の タ ー ン ド ン 過 程 に お い て,ゲ

ー ト電 流 を 除去 した と き にオ ン状 態 に移 行 す る に必 要 な最 小 の 陽 極 電 流 を ラ ッ チ ング 電 流,ま

た サ イ リス タ を オ ン状 態 に維 持 す る に必 要 な最 小 の陽 極 電 流 を保 持

電 流 とい い,図2・9に

示 す.

両 者 は,サ イ リス タ を確 実 に タ ー ンオ ン状 態 を維 持 す る た め に必 要 で あ る.

(ａ)電 圧-電 流 特 性

(ｂ)電 流 波 形

図

(ｂ)

オ ン電 流

ラ ッチ ン グ電 流,保 持 電 流

2・9

トイ リス タが オ ン状 態 に あ る と きの 陽 極 電 流 を オ ン電 流 と い

い,商 用 周 波 の 正 弦 半 波 の １サ イ ク ル に わ た る平 均 値 を平 均 オ ン電 流 とい う.平 均 オ ン電 流 は,最 高 許 容 接 合 温 度125℃(シ い)を 想 定 し,図2・10の

リ コ ンエ レ メ ン トの 温 度 と考 え て よ

よ う に,そ れ ぞれ の サ イ リス タ に つ い て 商 用 周 波 交 流 半

波 の 導 通 角 をパ ラ メ ー タ と し て平 均 オ ン損 失(発 熱 量)と の 関係 で 与 え られ る.導 通 角 を小 さ くす る ほ ど平 均 オ ン電 流 を低 減 しな けれ ば な らな い. (ｃ)

過 負 荷 オ ン電 流,サ

ー ジ オ ン電 流

サ イ リス タお よ び 冷 却 フ ィ ン に は 熱

容 量 が あ る た め,定 格 平 均 オ ン電 流 よ り大 きな電 流 を流 して も直 ぐに は接 合 温 度 は最 高 許 容 温 度 に達 しな い.過 負 荷 オ ン電 流 の許 容 値 は,そ の直 前 の 電 流 値,通 電 時 間,冷 却 フ ィ ン温 度 に依 存 す る. サ ー ジオ ン電 流 は極 め て まれ な事 故 電 流 を想 定 した 電 流 で,そ の 定 格 値 は商 用 周 波 の 正 弦 半 波 の ピ ー ク値 で 定 義 され て い る.サ ー ジ オ ン電 流 通 電 後 は最 高 許 容 接 合 温 度 を遥 か に超 え る こ とが あ り,通 電 後 の サ イ リス タ の陽 極 電 圧 ・電 流 特 性

図2・10 

図2・11 

平 均 オ ン電 流 の例

定格 サ ー ジ オン電 流 の例 (サ-ジ

は 保 証 さ れ て い な い.図2・11は,商

オ ン 電 流 は,交

流 半 波 の 最 大 値 を示 す)

用 周 波50Hz,60Hzの

と き,通

電 し得 る

正 弦 半 波 の サ イ ク ル 数 と サ ー ジ オ ン電 流(ピ ー ク 値)の 例 を 示 す.

  (ｄ)オ

ン電 圧,オ

ン損   サ イ リス タが オ ン状 態 に て オ ン電 流 を通 電 して い る

とき,陽 極-陰 極 間 に 生 じ る電 圧 を オ ン電 圧 とい う.オ 物 プ ロ フ ァイ ル,デ ぐら い で,過

ン電 圧 は ウエ ー ハ の 添 加

バ イ ス の 構 造 に よ っ て 多 少 の 差 が あ る が,通

電 流 通 電 中 に は ３Ｖ 以 上 に な る こ とが あ る.オ

の 積 をオ ン損 とい う.

常1.0∼1.5Ｖ

ン電 圧 とオ ン 電 流

大 電 流 を 通 電 中 の サ イ リス タ で は エ レ メ ン トに 数kWの

損 失 が 発 生 し,発 熱

す る.こ の 熱 を冷 却 フ ィ ン に伝 え て風 冷 また は水 冷 で 冷 却 し,エ

レメ ン トの温 度

を許 容 限度 内 に抑 え る. (４)

オ ン状 態 か ら逆 阻 止 状 態 ・オ フ状 態 へ

(ａ)

逆回 復 特 性,逆

移 る(転 流)か,ま

回復電荷

通 電 中 の オ ン電 流 は,他

のデバ イスに電流 が

た は転 流 に よ らず 電 流 の消 滅(消 流)に よっ て ０に な る.オ

ン状

態 に あ る とき,電 源 ま た は 転 流 回路 に よ っ て逆 電 圧 を加 え る とオ ン電 流 は ０に な る が,そ の 直 後 一 時 的 に逆 電 流 が 流 れ,や が て は消 滅 し て 陽 極 一陰 極 間 に 逆 電 圧 が 加 わ る.こ の過 程 を逆 回復 特 性 とい い,逆 い う.こ の 現 象 は,エ あ って,キ

回復 電 流 の 時 間 積 分 を逆 回 復 電 荷 と

レ メ ン トの接 合 部 近 傍 の残 存 キ ャ リヤ の 消 滅 に よ る もの で

ャ リヤが 消 滅 後 サ イ リス タ は 回路 で 定 まる逆 電 圧 を 阻 止 す る よ うに な

る. 逆 回 復 電 流 は,エ たき く依 存 す る.逆

レメ ン トの構 造,オ

ン電 流,オ

ン電 流 減 少 率,接

合 部 温度 に

回復 過 程 で逆 電 流 と逆 電 圧 の 積 の 逆 損 が 発 生 す る.逆 電 流は 最

大 値 を超 え る と急 激 に 減 少 し,こ の 電 流 変 化 率 と回 路 の イ ン ダ ク タ ン ス に よ り 高い過 渡 過 電 圧 を発 生 す る .こ の よ うな 過 渡 過 電 圧 か らサ イ リス タ を保 護 す る た め,コ ンデ ンサ と抵 抗 か らな る ス ナバ 回 路 をサ イ リス タ に並 列 に接 続 しな けれ ば まらな い.図2・12に,逆

図

2・

回 復 時 の 電圧 ・電 流波 形,逆 損 と逆 回 復 電 荷 を示 す .

12

逆 回復 時 の電 圧 ・電 流 波形 お よび逆 回 復電 荷

(ｂ)転

流 ター ン オ フ 時 間   逆 回復 過 程 が 進 行 して 逆 電 圧 を 阻 止 で きる よ う に

な っ て も,エ

レ メ ン ト内 各 接 合 の オ フ電 圧 阻 止 能 力 が 完 全 に回 復 す る ま で に は ま

だ若 干 の 時 間 を要 す る. オ ン電 流 が ０に な っ た 時 点 か らオ フ電 圧 阻 止 機 能 を回 復 し て,逆 電 圧 が ゼ ロ線 と交 差 して 順 方 向電 圧 とな る まで の 時 間 を転 流 ター ンオ フ時 間 とい う.「 転 流 」 とい う言 葉 を っ け る の は,後 述 す る ゲ ー トタ ー ン オ フサ イ リス タ の ゲ ー ト制 御 タ ー ン オ フ時 間 と区 別 す る た め で あ る .転 流 タ ー ン オ フ 時 間 は,上 述 した(ａ)の 逆 回復 特 性 に及 ぼ す 要 因 の ほ か,逆 電 圧,オ

フ電 圧 上 昇 率,オ

フ電 圧 値 に も依 存 す

る. 図2・13に,オ

フ状 態 ― オ ン状 態 ― オ フ状 態 か らな る オ ン ・オ フ動 作 の 波 形,

用 語 を総 括 して 示 す.

図2・13サ

上 記 は,通 つ い て は,タ 特 性,波

イ リ ス タ の オ ン ・オ フ 動 作 の 波 形

常 の サ イ リ ス タ に つ い て 述 べ た が,ゲ ー ン オ フ 動 作 以 外 は 上 述 し た(１)か

形 は 基 本 的 に 同 じ で あ る.

ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ に ら(４)(ａ)ま

で の 用 語,記

号,

2

・

2 3 ・

ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ の タ ー ンオ フ 時 の 用 語,

ゲ ー トタ ー ンオ フサ イ リス タ の場 合,オ

記 号,

特性

ン状 態 か らオ フ状 態 に 切 り換 え る に

は,オ ン状 態 の 接 合 部 に あ る キ ャ リヤ を急 峻 で 大 き な負 の ゲ ー トパ ル ス電 流 を 流 して 外 部 に吸 い 出 して 消 滅 させ,接 図2・14の よ うに,負

合 部 の オ フ電 圧 阻 止 能 力 を 回復 させ る.

の ゲ ー ト電 流 の10%の

時 点 か らオ ン電 流 に くび れ(負 の

ゲ ー ト電 流 の ピー ク値)が 生 じ る時 ま で をゲ ー ト制 御 タ ー ンオ フ 時 間tgqと い い, ゲ ー ト制 御 蓄 積 時 間tgs(ts)(オン電 流 が90%に 時 間tgf(tf)の和 で 表 す.ゲ

な る ま で の 時 間)と ゲ ー ト制 御 下 降

ー ト制 御 タ ー ンオ フ時 間 以 降 小 さ な オ ン 電 流 が 流 れ る

が,こ の 電 流 が 負 の ゲ ー ト電 圧 に よ っ て 消 滅 す る ま で(オ フ電 圧 阻 止 機 能 の 完 全 な 回復)の 時 間 をゲ ー ト制 御 テ イ ル 時 間ttailと い う.ゲ ー ト制 御 タ ー ン オ フ時 間 は,オ

ン電 流 お よび オ ン電 流 減 少 率 の増 加 と と もに増 加 し,負 の ゲ ー トパ ル ス電

流 の ピー ク 値 の 増 加 と と も に減 少 す る.負 の ゲ ー ト電 流 の ピー ク 値IGQMに

達す

る まで の 電 流 ・時 間 積 分 を ゲ ー トタ ー ンオ フ 電 荷QGQと

ー ト

い う.QGQは,ゲ

ター ンオ フ時 の オ ン電 流 の増 加 と と もに増 加 す る.指 定 の 条 件 の も とで,ゲ ー ト 制 御 に よ りタ ー ンオ フ可 能 な ピー クゲ ー トター ンオ フ電 流 をIGQMと

図2・14ゲ

ー トタ ー ン オ フ 時 の 波 形

い う.

ゲ ー トター ンオ フ時 間 直 後 に ス パ イ ク 電 圧VDSPが 期 間 の オ ン電 流 減 少 率,ス

発 生 す る が,こ

れ はtgf(tf)

ナ バ 回路 に流 れ る電 流 の変 化 率 と その 回路 の イ ン ダ ク

タ ンス に よ る.テ イ ル 時 間 中 に ス ナ バ 回 路 の コ ン デ ン サ が 充 電 さ れ て 高 い オ フ電 圧VDMが

陽極 に加 わ る.図2・14に,ゲ

ー トタ ー ンオ フ時 の 波 形 を 示 す.

ゲ ー トター ン オ フ過 程 の オ ン電 流 とオ フ電 圧 の 積 に よ りタ ー ン オ フ損 が 発 生 す る.こ の ター ン オ フ損 は,エ

レ メ ン トの 極 く一 部 に集 中 す る の で,こ

れが過大 に

な る とエ レ メ ン トを 熱 的 に破 壊 す る.こ れ を 防止 す るた め,ス ナ バ 回路 を接 続 し て オ フ電 圧 上 昇 率 を抑 え,タ ー ンオ フ損 を軽 減 して安 全 動 作 領 域 内 で 動 作 す る よ う にす る. 以 上 は,通 常 の サ イ リス タ とゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ に つ い て 説 明 し た が,ト

ラ ン ジ ス タの 用 語,記

号,特 性 に つ い て は3・3・2項 で 解 説 す る.

演

〔 問 題 〕 １.  「 転 流 」 とは 何 か,そ

習

問

題

〔２〕

の 転 流 方 式 の 分 類 に つ い て 説 明 せ よ.

〔 問 題 〕 ２.転

流 方 式 に適 し た デバ イ ス の 名 称 を説 明 せ よ.

〔 問 題 〕 ３.サ

イ リス タ を 動 作 さ せ る に あ た っ て,超

え て は な ら な い 電 圧 と は 何 か?

ま た,電 圧 ・電 流 特 性 と用 語 を 説 明 せ よ.

〔 問 題 〕4・ サ イ リス タ の タ ー ン オ ン時 の 波 形 を 書 き,用

語 を記 入 す る こ と.転 流 タ ー

ンオ フ時 の 波 形 と,ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ の タ ー ン オ フ時 の 波 形 を 書 き,用 語 を 記 入 の う え波 形 の 差 を 説 明 せ よ.

第3

パ ワ ー デ バ イ ス の基礎 (そ の １)

章

−動 作原理 とデバ イスの種類 −

商 用 送 配 電,家 庭 用 電 源 に 直 接 あ る い は間 接 に 接 続 して 電 力 を伝 送,変

換 した

り,電 動 機 の駆 動 制 御 を扱 う半 導 体 デバ イ ス を総 称 し てパ ワ ー デ バ イス とい う.

3

・

1

3.1.1

半導体の性質

真性半導体

  半 導体 とは,電 気 的 良 導 体 で あ る金 属 と絶 縁 物 との 中 間 に存 在 す る抵 抗 率(比 抵 抗)約0.01∼104Ω

・cmの 物 質 を い い,そ の 代 表 的 な 半 導 体 デ バ イ ス 用 材 料 は

シ リ コ ン,ゲ ル マ ニ ウム で あ る. 図3・1に

抵 抗 率 と 元 素 の 例,図3・2に

図3・1抵

元 素 の 周 期 表 を 示 す.

抗率 と元素 の 例

  ４価 の元 素 で あ る シ リコ ン は地 球 上 に豊 富 に 存 在 す るが,高 度 の 高 純 度 化 技 術 を 経 て 精 製 され た不 純 物 の 極 め て少 な い シ リ コ ン単 結 晶 は,そ の物 理 特性,デ イ ス プ ロ セ ス 技 術,経

バ

済 的 優 位 性 か らパ ワ ー デ バ イ ス の基 本 材 料 で あ る .

不 純 物 が 限 りな く少 な い か,ま

た は含 ま な い半 導体 材 料 を真 性 半 導 体 とい う.

図3・2  元素 の 周期 表

元 素 は原 子 で 構 成 され て い る.原 子 は 原 子 核 とそ の 周 囲 を 回 っ て い る い くつ か の 電 子 か ら成 り立 っ て い る.こ の 電 子 は,定

め られ た エ ネ ル ギ ー の 状 態 に対 応 し

た そ れ ぞ れ の軌 道 を 回 っ て お り,か つ,こ の 軌 道 に入 り得 る電 子 の 数 は き まっ て い る.多 数 の 電 子 が あ る場 合 は,原 子 核 に 近 い軌 道 に所 定 の個 数 の 電 子 が 満 た さ れ,順 次 外 側 の 軌 道 に電 子 が 収 ま った 状 態 で 物 質 を形 成 し て い る.シ

リコ ン の 原

子構 造 の モ デ ル と物 性 を図3・3に 示 す.

(ａ)原 子 構 造(シ リコ ン(Si)原 子 の モデ ル,電 子 の数14)

(ｂ)物 性

図3・3  シ リ コンの 原子 構 造 の モデ ル と物 性

図 の よ う に,電 子 の配 列 は 原 子 核 に近 い Ｋ 軌 道 に ２個 の 電 子,次

の Ｌ軌 道 に

８個 あ り,最 外 殻 の Ｍ 軌 道 に は ８個 の 電 子 が 入 り得 る の に ４個 しか な い.Ｋ 軌

道,Ｌ 軌 道 に あ る10個

の 電 子 は原 子 核 か ら強 い 拘 束 を受 けて い る.し

か し,Ｍ

軌 道 の ４個 の 電 子 は 強 い 拘 束 を受 け て い な い の で,ほ か の 電 子 と結 合 した り,エ ネ ル ギ ー を 得 て 軌 道 か ら離 れ,自 は 電 子 ４個 分 の 空 席 が あ る の で,他

由電 子 と し て 電 気 伝 導 に 関 与 す る.Ｍ

軌道に

の 原 子 の Ｍ 軌 道 か ら そ れ ぞ れ １個 の 電 子 を

受 け取 っ て 空 席 を埋 め,互 い に結 合 す る.こ れ を共 有 結 合 と い う.図3・4(ａ)の よ う に,共 有 結 合 に よ りシ リコ ン原 子 が 立 体 的 に広 が っ て 真 性 シ リ コ ン単 結 晶 を 形 成 し て い る.

(ａ) 真 性 シ リ コ ン 図3・4 

(ｂ) ｎ形 シ リ コ ン

(ｃ) ｐ形 シ リ コ ン の 結 合 模 型

真 性 シ リ コ ン と添 加 物 シ リ コ ン の 結 合 模 型

真 性 シ リ コ ン で は,こ の 共 有 結 合 の 電 子 は比 較 的 に 弱 い エ ネ ル ギ ー(1.1eV) に よ っ て拘 束 され て い る の で,こ れ を超 え る エ ネ ル ギ ー,例

え ば熱,光,電

界が

外 部 か ら与 え られ る と,電 子 の い くつ か は結 合 か ら離 れ て 自由 に動 け る よ うに な る.電 子(負 の電 荷)が 抜 け た あ と は 正 孔(正 の 電 荷)と な る.Ｍ

軌道 の正 孔 の傍

に弱 い エ ネル ギ ー の 電 子 が く る と,ク ー ロ ンカ の作 用 で 電 子 は正 孔 に引 き込 ま れ 再 び共 有 結 合 を形 成 す る.こ れ を再 結 合 とい う.

3・1・2 不 純 物 半 導 体 不 純 物 を(実 質 的 に)含 まな い真 性 半 導 体 に微 量 の ３価 また は ５価 の 元 素 を人 工 的 に添 加(ド ー ピ ン グ とい う)し た 半 導 体 を不 純 物 半 導 体 ＊ とい い,デ バ イ ス用 と

＊他 の元 素 とそ の量 を人 工 的 に添 加 す るの で あ るか ら 「 添 加 物半 導 体 」 とい うべ きで あ ろ う .

して ｎ形 半 導 体 と ｐ形 半 導体 が あ る. (１)ｎ

形 半導 体

図3・4(ａ)の ４価 の 真 性 シ リ コ ン に ５価 の 元 素(最 外 殻

軌 道 に ５個 の 電 子 を もつ)で あ る Ｐ(リ ン)あ る い はSb(ア し,シ

ン チ モ ン)を 微 量 添 加

リ コ ン を溶 解 して 単 結 晶 を つ く る とシ リコ ンの Ｍ 軌 道 の 四 つ の 空 席 は す

べ て ５価 の元 素 の電 子 で埋 ま り,さ ら に １個 の余 剰 電 子 が生 じ る.こ

の余 剰 電 子

に対 す る ５価 の 原 子 核 か らの 拘 束 力 は極 め て 弱 い の で,外 部 か らの 電 界 な どに よ り容 易 に動 き回 る こ とが で き る 自 由電 子 に な る.５ 価 の 元 素 を添 加 した シ リ コ ン は 過 剰 な電 子(negative;負

の 電 荷)を もっ て い る の で ｎ形 シ リ コ ン とい い,図

(ｂ)に 示 す.添 加 した 原 子 が 電 子 を放 出 す る よ うな場 合,添

加 原 子 を ドナー とい

う. (２)ｐ

形 半導 体

４価 の 真 性 シ リ コ ン に ３価 の 元 素(最 外 殻 軌 道 に ３個 の

電 子 を も つ)で あ るGa(ガ

リウ ム)あ る い は Ｂ(ホ ウ 素)を 微 量 添 加 し,シ

を溶 解 し て単 結 晶 を つ く る と,シ 埋 ま らず,電

リコ ン

リ コ ン の Ｍ 軌 道 の 四 つ の 空 席 の う ち三 つ しか

子 １個 が 不 足 して 空 席(正 孔)が 一 つ余 っ た ま ま と な る.こ

他 の共 有 結 合 か ら 出 た 自 由電 子 が 入 る と安 定 す るが,そ

の正 孔 に

の 電 子 が 出 た 跡 に は正 孔

が生 じ る.こ の よ うな 正 孔 の移 動 は電 気 伝 導 に関 与 す る.３ 価 の 元 素 を添 加 した シ リ コ ン は過 剰 な 正 孔(positive;正 い,図(ｃ)に

示 す.左

の 電 荷)を も っ て い る の で ｐ形 シ リコ ン とい

孔 を生 じ させ る ３価 の 添 加 元 素 をア ク セ プ タ とい う.

ｎ形 お よ び ｐ形 シ リ コ ン単 結 晶 内 部 の 電 気 伝 導 は電 子 と正 孔 の 移 動 に よっ て 行 わ れ る.電 流 は電 子 の 流 れ と正 孔 の 流 れ の和 で あ り,電 流 の 方 向 は電 子 の 流 れ と は逆 で 正 孔 と は同 じ方 向 で あ る.電 流 す な わ ち過 剰 の 電 子 と正 孔(過 剰 キ ャ リヤ とい う)の 移 動 は下 記 に よ る. ①

電 界に よる移動

電 子 の移 動 は,電 子 の 移 動 度,自

る.正 孔 の移 動 は,正 孔 の 密度 と移 動 度,電 ②

密 度 差 に よ る移 動

由電 子 密 度 の 関 数 に よ

界 拡 散 定 数 に よ る.

電 子 密 度 お よ び正 孔 密 度 は高 い ほ う か ら低 い ほ う に そ

れ ぞ れ の 拡 散 定 数 に した が っ て 移 動 す る. ③

再 結 合 に よ る移 動

過 剰 の電 子 と正 孔 が結 合 し,電 子 ・正 孔 の対 はキ ャ リ

ヤ ラ イ フ タ イ ム に よっ て 指 数 関 数 的 に減 衰 し,消 滅 す る.

サ イ リス タ や トラ ンジ ス タ の タ ー ン オ ン動 作 は主 と して 「電 界 に よ るキ ャ リヤ の移 動 」 が,タ

ー ンオ フ 時 に は主 と して 「電 界 お よ び再 結 合 に よ る キ ャ リヤ の移

動 」 が 関 与 して い る. ｎ形 あ る い は ｐ形 の シ リコ ン単 結 晶 に ５価 あ るい は ３価 の元 素 を 拡 散 法 や 気 相 成 長 法 な どの 技 術 で 接 合 面(pn接

合 あ る い はnp接

さ の ｎ層 あ る い は ｐ層 を 形 成 さ せ る.そ の 後,そ の 接 合 面 を通 って 電 子,正

合 と い う)と 所 望 の 濃 度 と厚 れ ぞれの 層 に電極 を付 けて そ

孔 が 流 れ る よ う に した構 造 が デ バ イ ス の 基 本 で あ る .

パ ワー デバ イ ス の代 表 的 構 造 と は,次 の よ う な こ とで あ る. ①

シ リ コ ン ウ エ ー ハ に ｐ層,ｎ て,過

②

層 の 接 合 面 が 一 つ ま た は複 数 形 成 さ れ て い

剰 キ ャ リ ヤ が あ る こ と.

製 造 工 程 で ウエ ーハ へ の添 加 元 素 の濃 度,す

なわ ち電 子 密 度,正

孔 密度 と

そ の 層 の 厚 さが 制 御 で きて い る こ と. ③pn接 ④

合 を 通 っ て注 入 され るキ ャ リヤ量 に よ り電 気 伝 導 度 が 変 化 す る こ と.

ｐ層,ｎ 層 に 電 極 端 子 を 付 け る た め に ア ル ミ な ど の 薄 い 金 属 層 が あ る こ と.

添 加 元 素 の 量 と抵 抗 率 の 例 と し て,シ を 添 加 す る と,シ を 増 や し,シ

リ コ ン 単 結 晶 の 抵 抗 率 は ５Ω ・cmの

リ コ ン 原 子104個

そ の 層 の 抵 抗 率 は ∼0.03Ω ま た,シ

リ コ ン 原 子107個

リ コ ン 原 子106個

抵 抗 率 は ∼ ２Ω ・cmの

に ア ン チ モ ン 原 子 １個

ｎ 形 結 晶 と な る.さ

に ア ン チ モ ン 原 子 １個 を 添 加 し た 層 を つ く る と,

・cmと

な り,通

常n+で

表 す.

に ホ ウ 素 原 子 １個 を 添 加 す る と,シ

ｐ 形 結 晶 と な る.さ

リ コ ン単 結 晶 の

ら に 量 を 増 し て シ リ コ ン 原 子104個

ホ ウ 素 原 子 １個 を 添 加 し た 層 を つ く る と そ の 層 の 抵 抗 率 は ∼0 .05Ω ・cmと 通 常p+で

ら に量

に

な り,

表 す.

n+お よ びp+の

表 面 に 薄 い ア ル ミ層 を付 け,そ

の層 に ア ル ミ線 を超 音 波 で ボ ン

デ ン グ して電 流 の 端 子 とす る. 今 後,本

書 で は,接 合 を も た ず 製 造 工 程 に入 れ る 前 の ｎ形 あ る い は ｐ形 の シ

リ コ ン単 結 晶 の 円 板 を ウ エ ー ハ と呼 び,製 造 工 程 に よ っ て そ の ウ エ ー ハ に ｐ層 あ る い は ｎ層 の 接 合 を形 成 し て デ バ イ ス と して の機 能 を もっ た シ リ コ ン単 結 晶

円 板 を エ レ メ ン ト と呼 ぶ こ と に す る.

最 近 の パ ワ ー デバ イ ス は,一 つ の エ レ メ ン トに 複 雑 で 多 数 の 接 合 を も った 構 造 に な っ て い る が,主

た る電 流 が 流 れ る経 路 の 構 造 を見 る と,次 の よ うに 分 類 で き

る.ま た,接 合 の数 に よっ て デ バ イ ス の 機 能 が 決 ま る. ①

主 た る電 流 の経 路 に一 つ の接 合 一 整 流 ダ イ オ ー ドー 整 流 作 用 の み

②

主 た る電 流 の経 路 に二 つ の接 合 − トラ ン ジ ス タ

− 増 幅 お よび ス イ ッチ ン

グ動作 ③

主 た る電 流 の経 路 に 三 つ の接 合 一 サ イ リス タ

− オ ン の み また はオ ン ・

オ フ動 作

(ａ)タ

イオー

ド

(ｂ) トラ ン ジ ス タ 図3・5一

  図3・5(ａ)∼(ｃ)に

(ｃ)サ イ リス タ

(ｄ)逆 導 通 サ イ リス タ

つ お よ び 複 数 の 接 合 を もつ デ バ イ ス

多 数 の 結 合 を も つ デ バ イ ス の 例 を 示 す.図(ｄ)は

逆 導通 サ

イ リス タ と い い,１ 枚 の ウ エ ー ハ に サ イ リ ス タ と ダ イ オ ー ドの 機 能 を 入 れ た 複 合 デ バ イ ス の 例 で あ る.

2 3

・

パ ワー デバ イス の動作 原理

3・2・1ー

つ の 接 合 が あ る デ バ イ ス(整 流 ダ イ オ ー ド)

  図3・6の よ うに,ｐ 層, ｎ層 が 形 成 され,過 剰 キ ャ リヤ が あ る状 態 を考 え る. ｐ層 の 電 極(陽 極 端 子)に 正,ｎ 層 の 電 極(陰 極 端 子)に 負 の 電 圧 を加 え る と,ｐ 層

(ａ)順 方 向 (注 入が 起 こ る)

(ｂ)逆 方 向 (空乏 層 が広 が る)

図3・6一

(ｃ)整 流特 性

(ｄ)通 電 直 後 の 電 流 ・電圧 波 形

つ の 接 合 を も つ デ バ イ ス(整 流 ダ イ オ ー ド)の キ ャ リヤ の 挙 動

の 正 孔 は 負 電 位 に 引 か れ て ｎ層 に移 動 し,再 結 合 す る.同 様 に,電 子 も ｐ層 に 移 動 して 再 結 合 す る.こ の 状 態 で は,電 源 電 圧 と負 荷 抵 抗 で き ま る電 流(電 子 電 流 と正 孔 電 流 の和)が 陽 極 か ら陰 極 に 流 れ る.こ の と き陽 極-陰 極 端 子 間 に約1Ｖ の順 電圧 降 下 が 生 じ る.こ の 電 圧 と電 流 の 関係 を順 方 向 特 性 とい う.   これ と は逆 に,印 加 電 圧 の 極 性 を反 転 して逆 電圧 を加 え る と,今 度 は電 子 も正 孔 も 自分 自身 の電 極 に 引 か れ る だ けで 接 合 面 を通 って 流 れ るキ ャ リヤ は極 め て 少 い.し か も,電 子,正

孔 が 両 側 の電 極 に引 き寄 せ られ る の で,接 合 部 の 近 傍 に は

電 子 も正 孔 も極 め て少 な い 空 乏 層 とい う絶 縁 部 分 が 生 じ る.絶 縁 部 分 とい っ て も 極 くわ ず か の キ ャ リヤ が残 っ て い るの で,小

さな逆 阻 止 電 流 が 流 れ る.こ の状 態

を逆 阻止 状 態 とい う.逆 電 圧 と逆 阻止 電 流 の関 係 を逆 方 向 特 性 とい う.   逆 電 圧 を さ らに 高 くす る と,空 乏 層 の わ ず か の キ ャ リヤ が 高 電 圧 で加 速 さ れ て シ リ コ ン原 子 に衝 突,電 離 し,ア バ ラ ン シ ェ(雪 崩)を 起 こ して 逆 阻 止 電 流 が 急 に 増 加 す る.こ の電 圧 を逆 降 伏 電 圧 とい う.こ の領 域 で は,逆 降 伏 電 圧 と逆 阻 止 電 流 の積 の 電 力 損 失 が 発 生 し,こ れ が あ る限 度 を超 え る と ダ イ オ ー ドは逆 阻 止 能 力 を失 い,永 久 破 壊 に至 る場 合 が あ る.逆 降 伏 電 圧 は 温度 の 上 昇 と と もに増 加 す る 傾 向 を示 す.   通 常,回

路 か ら決 ま る ピー ク動 作 逆 電 圧 は余 裕 を もっ て ダ イ オ ー ドの 逆 降 伏 電

圧 以 下 とな る よ う型 名 を選 定 す る.

  順 電 流 が 流 れ て い る状 態 で 急 に逆 電 圧 を加 え る と,接 合 近 傍 に 充 満 して い る キ ャ リヤ(蓄 積 電 荷)は 逆 電 圧 に よ っ て 外 部 に 引 き 出 さ れ,過 渡 的 な 逆 電 流 が 流 れ る.こ

の 逆 電 流 の 時 間 積 分 を逆 回 復 電 荷Qrrと

は,蓄 積 電 荷 は す べ て外 部 に 引 き 出 され,同

い う． 時 間tstg(蓄 積 時 間)後 に

時 に空 乏 層 が 広 が り は じめ てttr(遷

移 時 間)後 に は完 全 に 逆 電 圧 を 阻 止 す る よ う に な る.こ の 蓄 積 時 間 と遷 移 時 間 の 和 を逆 回 復 時 間trrと い う.逆 回復 時 間 が 小 さ い ほ ど高 周 波 用 に適 す る.上 記 の 特 性 お よび 接 合 近 傍 の キ ャ リヤ の 挙 動 は デ バ イ ス の 基 本 で あ り,接 合 が 複 数 あ っ て もそ の 動 作 は 同 じで あ る.

3・2・2 二 つ の 接 合 が あ る デ バ イ ス(ト ラ ン ジ ス タ)   ｐ 層,ｎ

層 に も う 一 つ の 層 を 付 け,そ

ジ ス タ ま た はnpnト

ラ ン ジ ス タ と な る.電

ャ リヤ で 行 わ れ る の で,こ 正 方 向 に 対 し て,ｎ

の 中 間 の 層 に 電 極 を 付 け る とpnpト

流 の 流 れ が 電 子 と 正 孔 の ２極 性 の キ

の よ う な デ バ イ ス を バ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ と い う.

と ｐ と の 接 合 を コ レ ク タ 接 合,そ

中 間 の ｐ 層 を べ ー ス,ｐ

の ｎ層 の 電 極 を コ レ ク タ,

と ｎ と の 接 合 を エ ミ ッ タ 接 合,そ

タ と し た 構 造 がnpnト

ラ ン

ラ ン ジ ス タ で あ る.キ

の ｎ層 の 電 極 を エ ミ ッ

ャ リ ヤ(npn構

構 造 で は 正 孔)を 放 出 す る領 域 を エ ミ ッ タ 領 域 と い い,キ

造 で は 電 子 を, pnp ャ リヤ を 集 収 す る領 域

を コ レ ク タ 領 域 と い う.   電 極 を 接 地 す る 方 式 と し て,図3・7の ミ ッ タ 接 地 が あ る.パ

よ う に,ベ

ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス で は,通

き な 電 流 を オ ン ・オ フ で き るnpnト

ー ス 接 地,コ 常,小

レ ク タ 接 地,エ

さ なべ ー ス 電 流 で 大

ラ ン ジ ス タ の エ ミ ッ タ 接 地 が 使 用 さ れ る.

  エ ミ ッ タ 接 地 のnpnト

ラ ン ジ ス タ に つ い て 考 え る. ｐべ ー ス-ｎ エ ミ ッ タ 間 に

正 の 電 圧 を 加 え る と,添

加 物 濃 度 の 高 い,す

な わ ち 電 子 密 度 の 高 い ｎ層 の 多 数

の 電 子 は エ ミ ッ タ 接 合 を 越 え て ｐ 層 の べ ー ス 領 域 に 入 り,そ が 増 え る.コ

レ ク タ は 正 の 電 圧 の た め,ｐ

越 え て ｎ層 の コ レ ク タ 領 域 に 入 り,べ コ レ ク タ か ら エ ミ ッ タ に 流 れ る.ｐ 接 合 に と っ て 順 方 向 な の で,べ

の領 域 の キ ャ リヤ

べ ー ス に 入 っ た電 子 は コ レ ク タ接 合 を

ー ス 電 流 と電 流 増 幅 率 β で 定 ま る電 流 が

べ ー ス-ｎ エ ミ ッ タ 間 の 正 の 電 圧 は エ ミ ッ タ

ー ス-エ

ミ ッ タ 間 の イ ン ピ ー ダ ン ス は 低 く,わ

ず

(ａ)べ

ー ス接 地

(ｂ)コ

レ クタ接 地

(ｃ)エ

ミ ッタ接地

図3・7  トラ ンジ ス タの構 造 と接地 方 式 か な 制 御 電 圧 に よ る べ ー ス 電 流 で 大 き な コ レ ク タ 電 流 を 制 御 で き る.   べ ー ス 電 流 が ０の と き,コ る.こ 流Icの

レ ク タ の正 の電 圧 に よ っ て わ ず か な 漏 れ 電 流 が 流 れ

れ を コ レ ク タ 遮 断 電 流IcBOと 割 合 を α で 表 し,べ Ic=αIE+IcBO,

い う.エ

ー ス 電 流IBと

対 す る コレクタ電

の 関 係 は 次 の よ う に な る.

IB=(1-α)IE

  α を べ ー ス 接 地 の 電 流 増 幅 率 と い い,通   エ ミ ッ タ 接 地 のnpnト

ミ ッ タ 電 流IEに

(3・1)

常,α

ラ ン ジ ス タ で は,べ

に 対 す る コ レ ク タ 電 流 は αIEで あ る か ら,エ

は １に 近 い 値 で あ る.

ー ス 電 流 は(1-α)IEで

あ り,こ

れ

ミ ッ タ 接 地 の 電 流 増 幅 率 β は,次

の よ う に な る. β=α/1 -a

  β は,ト

(3・2)

ラ ン ジ ス タ の ｎ,ｐ, ｎ の 各 層 の キ ャ リ ヤ 濃 度 お よ び 層 の 厚 さ な ど構

造 に よ っ て 変 わ り,通

常10∼300程

度 の 間 に あ る.

  ベ ー ス 電 流 を パ ラ メ ー タ と し て コ レ ク タ 電 圧 と コ レ ク タ 電 流 の 関 係 は,図3・8 の よ う に な る.

図3・8 

コ レ ク タ電 圧 と コ レ ク タ 電 流 の 関 係(エ

  べ ー ス 電 流 が ０ また は負 の領 域 を遮 断 領 域,コ 領 域 を飽 和 領 域,そ

ミ ッ タ接 地)

レ ク タ接 合 が 順 バ イ ア ス と な る

の 中 間 の領 域 を能 動 領 域 とい う.ト ラ ン ジ ス タ を ス イ ッチ 動

作 させ る 時 は遮 断 領 域(オ フ状 態)と 飽 和 領 域(オ ン状 態)を べ ー ス電 流 に よ り切 り 替 え て動 作 させ る.図3・8で,べ

ー ス 電 流IB=0の

と き の動 作 点 は遮 断 領 域 の Ａ

点 に あ る.べ ー ス電 流 を増 加 させ る と能 動 領 域 を経 て 飽 和 領 域 に移 る.能 動 領 域 と飽 和 領 域 の境 界 のべ ー ス 電 流IBSを 流 す と,動 作 点 は Ｂ 点 に な る.電 源 電 圧 を Ｖ,負 荷 抵 抗 を Ｒ,コ

レ ク タ 電 流(負 荷 電 流)をIc,べ

ー ス電 流 をIB,エ

ミ ッタ

接 地 の電 流 増 幅 率 を β(β=hFE)と す れ ば,飽 和 領 域 す な わ ち オ ン状 態 に移 行 さ せ るた め のべ ー ス 電 流IBは,次

の よ う に な る. (3・3)

  この 式 か ら,β が大 き い ほ ど小 さ な べ ー ス電 流 で 大 き な負 荷 電 流 を オ ン ・オ フ す る こ とが で き る.   また,べ ー ス接 地 の と きの 電 流 増 幅 率 α との 関 係 は,β=α/(1-α)と

な る.

  トラ ン ジ ス タ を 動 作 させ る とき の 注 意 す べ き点 は,接 合 温 度,二 次 降 伏 と安 全 動 作 領 域(SOA)で

あ る.二 次 降 伏 と は,動 作 中 に 接 合 部 の 局 部 に 電 流 が 集 中 し

て温 度 上 昇 が 起 こ り,コ レ ク タ ーエ ミ ッ タ 間 の 電 圧 が 電 子 雪 崩 降 伏 を起 こ して 瞬 時 に電 圧 ・電 流 特 性 が 低 下 す る現 象 で,デ バ イ ス は使 用 不 能 と な る.ト

ラ ンジス

タ で装 置 を設 計 す る場 合 は,ま ず この 二 次 降 伏 現 象 を 考 慮 に入 れ て コ レ ク タ-エ ミ ッタ 間電 圧 とコ レ ク タ電 流 通 電 幅 で定 ま る 「順 バ イ ア ス安 全 動 作 領 域 」 内 で 動 作 させ る.   この ほか,タ

ー ンオ フ の際 に べ ー ス を 逆 バ イ ア ス させ る場 合 に は 「逆 バ イ ア ス

安 全 動 作 領 域 」 が,ま た 事 故 電 流 に対 して 「短 絡 電 流 安 全 動 作 領 域 」 を考 慮 す る 必 要 が あ り,こ れ ら は それ ぞ れ の トラ ン ジ ス タ の特 性 表 お よ び デ ー タ に記 載 され て い る.図3・9に,二

次 降 伏 現 象 と順 バ イ ア ス安 全 動 作 領 域 を示 す.

(ａ)二 次 降伏 現 象

(ｂ)順 バ イ ア ス安 全 動作 領 域

図3・9  二 次 降伏 現 象 と順 バ イア ス安 全動 作 領域

  上 述 の よ うに,ト

ラ ン ジ ス タ をス イ ッチ 動 作 さ せ る と き,定 格 コ レ ク タ電 圧,

定 格 コ レ ク タ電 流,定 格 コ レク タ損 失 の ほ か,こ

れ ら三 つ の 安 全 動 作 領 域 を考 慮

す る必 要 が あ る. npnト

ラ ンジ ス タ の動 作 原 理,特 性 を述 べ たが, npnト

ランジス タでは電流 が

コ レク タ領 域 か らエ ミ ッタ領 域 に向 か っ て 流 れ る の に 対 し,pnpト

ラ ンジスタで

は エ ミ ッ タ領 域 か ら コ レ ク タ領 域 に流 れ る こ と以 外 は基 本 的 に 同 じで あ る. な お,べ

ー ス接 地 方 式 は電 圧 増 幅 に,コ

に 用 い ら れ る.

レ ク タ接 地 方 式 は入 ・出力 の 抵 抗 変 換

3 2 3 ・

・

三 つ の 接 合 が あ るデ バ イ ス(サ イ リス タ)

三 つ の 接 合 を も つpnpn構 10の(ａ),(ｂ)の

造 は サ イ リ ス タ の 基 本 で あ る.サ

よ う に,ゲ

ー ト端 子 が ｎ 層 に あ れ ば Ｎ ゲ ー トサ イ リ ス タ,ｐ

層 に あ れ ば Ｐ ゲ ー トサ イ リ ス タ と い う.通 ス タ で あ る.Ｐ

常 の サ イ リ ス タ は,Ｐ

ゲ ー トサ イ リ ス タ は,図(ｂ)の

よ う に, pnpト

ト ラ ン ジ ス タ が 組 み 合 わ さ っ て い る の と等 価 で あ る.こ よ びpBnE(J3)接 nBPcお

合 は,そ

よ びncPB(J2)接

イ リ ス タ は,図3・

れ ぞ れpnp,npnト

ゲ ー トサ イ リ

ラ ン ジ ス タ とnpn

の 図 で,PEnB(J1)接

合 お

ラ ン ジ ス タ の エ ミ ッ タ 接 合 と な り,

合 は コ レ ク タ 接 合 と な る.サ

イ リ ス タ は,こ

の ように二

つ の トラ ン ジ ス タ の コ レ ク タ を 互 い に 相 手 の べ ー ス に 接 続 し た 構 造 と み な せ る.

(ａ)Ｎ

(ｂ)Ｐ ゲ ー トサ イ リ ス タ と そ の 等 価 的 な 構 造

ゲ ー トサ イ リス タ

図3・10サ

サ イ リ ス タ の 電 子,正 (１)

オ フ状 態

イ リス タの構造

孔 の 挙 動 は,図3・11の

状 態 に 分 け る こ と が で き る.

ゲ ー ト電 流 を 流 さ ず に,PE側(陽

極)に 正,nE側(陰

極)に

負 の極 性 の電 圧 す な わ ち 順 電 圧 を 印 加 す る と,中 央 のJ2接 合 は 高 い 電 界 で 逆 バ イ ア ス さ れ て 空 乏 層 が 生 じ,極 め て小 さい オ フ電 流 が 流 れ る.こ れ が オ フ 状 態 で あ る. オ フ 電 圧 を 高 くし て ブ レ ー ク オ ー バ 電 圧 に 達 す る と,J2接 じ て オ フ電 流 が 急 増 し,オ

合 で電 子 雪崩 が生

フ電 圧 阻 止 能 力 を失 って 電 源 と負 荷 抵 抗 で 定 ま る オ ン

電 流 が 流 れ る よ う にな る.こ の 状 態 を セ ル フ ター ンオ ン とい い,こ

の状 態 で 大 き

な オ ン電 流 を流 す とサ イ リス タエ レ メ ン トの 局 部 に電 流 が 集 中 し,特 性 劣 化 あ る

(ａ)オ

フ状 態

(ｂ)オ フ状 態 か らオ ン状 態 へ の移 行

(ｃ)オ ン状 態 か ら逆 阻止 状 態へ の 移 行

(ｄ)逆 阻止 状態

図

3・11

サ イ リス タの動 作

い は破 壊 に至 る こ とが あ る. (２)

オ フ状 態 か らオ ン状 態 へ の移 行(ゲ ー ト制 御 ター ン オ ン) 

と き,PB層

の ゲ ー ト端 子 に 正 の 電 圧 を 加 え る と,図3・11(ｂ)の

トラ ン ジ ス タ で は,J3接 通 っ てncに

流 れ る.二

合 のnEか

て い る の で,npnト

らPBに

よ う に,ncpBnE

電 子 の 注 入 が 起 き,電

子 がJ2接

合 を

つ の トラ ン ジ ス タ の べ ー ス と コ レ ク タ が 互 い に 接 続 さ れ

ラ ン ジ ス タ の コ レ ク タ 電 流 はpnpト

ラ ンジス タのベ ー ス電

流 と な り,こ

の トラ ン ジ ス タ の コ レ ク タ 電 流 が 増 加 す る.こ

加 は,npnト

ラ ン ジ ス タ の ベ ー ス 電 流 の 増 加 と な る.こ

イ リ ス タ の 内 部 で 増 幅 さ れ,多 孔 はJ3接

量 の 電 子,正

つ の トラ ン

さ な ゲ ー ト電 流 で も サ

孔 が 発 生 す る.こ

の 電 子 はJ1接

合

合 を 通 っ て 陰 極 に 引 き つ け ら れ 電 流 が 流 れ る.こ

の タ ー ン オ ン 過 程 を 経 て オ フ 状 態 か ら オ ン状 態 に 移 行 し,電 る オ ン 電 流 が 流 れ る.ゲ

の コ レ ク タ電 流 の 増

の よ う に,二

ジ ス タ は 正 の フ ィ ー ドバ ッ ク 回 路 を構 成 し て い る の で,小

を 通 っ て 陽 極 に,正

オ フ状 態 の

源 と負 荷 抵 抗 で き ま

ー ト電 流 に よ る タ ー ン オ ン を ゲ ー ト制 御 タ ー ン オ ン と い

う. こ の タ ー ン オ ン 過 程 を 数 式 で 示 す と,次   陽 極 電 流 をIA,陰 幅 率 を α1,npnト

極 電 流 をIK,ゲ

ー ト電 流 をIG,pnpト

ラ ン ジ ス タ の 電 流 増 幅 率 を α2と す る.こ

11(ｂ)の

よ う に な る.陽

な り,一

方,陰

極 か ら 陰 極 に 向 か っ てJ2を

極 か ら陽 極 に 向 か っ てJ2を

の ほ か わ ず か な オ フ 電 流IDが 流 をIGと

の よ う に な る. ラ ンジスタの電流 増 れ ら の 記 号 は,図3・

通 過 す る 正 孔 電 流 は α1IAと

通 過 す る 電 子 電 流 は α2Icと な る.こ

流 れ て い る.ゲ

ー ト信 号 に よ りPBに

注 入 され る電

す れ ば, Ic=IA+IG

(3・4)

J2を 通 過 す る 電 流 はIAに

等 し い か ら,

IA=α1IA+ID+α2Ic

二 つ の 式 か らIcを

(3・5)

消 し てIAを

求 め る と, (3・6)

と な る.分

母 の α1+α2が

１に 近 づ く に つ れ てIAは

大 き く な り,α1+α2=1に

な

る と,IAは

数 式 で 無 限 大,す

な わ ち電 源 電 圧 と負 荷 抵 抗 で 定 ま る 電 流 まで 増 加

し,サ イ リス タ は ター ンオ ン す る.タ ー ン オ ンの 条 件 は α1+α2≧1

と な る.式(3・6)は,タ

(3・7)

ー ン オ ン 直 前 ま で 通 用 す る 式 で あ る.

α1,α2は電 流 依 存 性 が あ っ て,式(3・7)の

条 件 の と き,ゲ

ー ト電 流 が な く て も オ

ン状 態 は 持 続 す る. ま た,J2接

合 に お け る 電 流 増 倍 係 数(正 孔 と電 子 に 対 す る 値 を 簡 単 の た め 等 し

い と す る)を Ｍ 同 じ く正 孔,電

と し,pnp,npnト

ラ ン ジ ス タ の エ ミ ッ タ 効 率 を γ1,γ2,お よ び

子 の 到 達 率 を αT1,αT2と す る と,

α1+α2=M(γ1・

αT1+γ2・

αT2)

(3・8)

の 関 係 が あ る.こ れ ら の 係 数 はす べ て 各 層 の 添 加 元 素 の 量(過 剰 な 電 子,正 密度),層

の 厚 さ とそ の横 方 向抵 抗,密 度 の勾 配 に 関係 が あ る.図3・12に

を示 す.上 述 した 過 程 を経 て 電 子,正

孔の

そ の例

孔 が 流 れ オ フ状 態 か らオ ン状 態 に移 行 す る

た め に μsの オ ー ダ の 時 間 を要 し,こ れ が タ ー ンオ ン時 間 とな る.

図3・12  層の構 造 と添加 物 濃度 の例

(３)

オ ン状態

陽 極 に正 の 電 圧 が 加 わ り,電 源 と負 荷 抵 抗 で 定 ま る 電 流

(オ ン電 流)が ラ ッチ ン グ電 流 以 上 で あ れ ば電 流 に応 じた 量 の電 子,正

孔が各接合

を通 っ て 注 入 さ れ,電 流 の担 い手 と な っ て 電 子 は 陽極 に,正 孔 は陰 極 に 流 れ る. この と き,陽 極-陰 極 間 に オ ン電 圧 が 発 生 す る.オ

ン電 圧 とオ ン電 流 の 積 の オ ン

損 が 発 生 し,接 合 部 の 温 度 が 上 昇 す る. (４)

オ ン状 態 か ら逆 阻 止 状 態 へ の 移 行(転 流 夕一 ン オ フ)

ゲ ー トタ ー ン オ

フサ イ リス タ を除 き,通 常 の サ イ リス タ をオ ン状 態 か ら逆 阻止 状 態 に す る に は, まず ゲ ー ト電 流 を停 止 し,同 時 に 何 らか の 方 法 で オ ン電 流 を ０に し な け れ ば な ら な い.こ

の た め,電 源転 流 か また はオ ン電 流 を保 持 電 流 以 下 に す る か あ るい は 図

3・13の 強 制 転 流 回路 を使 用 す る.電 流 が ０に な っ た 直 後 のt0か ら陽 極-陰 極 間 に 逆 電 圧 が 加 わ る. 図3・11(ｃ)の

よ う に,t0か

らt1の 期 間 Ａ で は オ ン 電 流 の 名 残 に よ り三 つ の 接

合 の キ ャ リ ヤ 密 度 は 極 め て 高 く,逆

t1以 降 の期 間 Ｂ で は,J3の

電 流 と な っ て 外 部 回 路 に 流 れ る.

キ ャ リヤ が 消 滅 し,J3は

逆 バ イ アス され て空 乏層

が 広 が り逆 電 圧 を受 け持 つ よ うに な る.

図3・13  強制 転 流 回路 の 例

t2以 降 の 期 間 Ｃ で は,キ

ャ リヤ が 消 滅 して 逆 電 流 の 減 衰 と と も にJ1の 空 乏 層

が広 が っ て逆 電 圧 阻 止 能 力 が 回 復 して い く. t3で は,逆 電 流 が 消 滅 し て逆 電 圧 阻 止 能 力 は完 全 に 回 復 す る.し か し,J2近 のnB層

傍

に残 存 す る キ ャ リヤ の た め,こ の 時 点 で も し順 電 圧 が 加 わ る とタ ー ン オ

ン して し ま っ て 順 方 向電 圧 の 阻 止 能 力 はな い. t4で は,キ

ャ リヤ は 完 全 に 消 滅 してJ2の 順 方 向 電 圧 の 阻 止 能 力 は完 全 に 回 復

す る.t0∼t4を

転 流 タ ー ン オ フ 時 間 と い う.転

流 タ ー ン オ フ は,逆

電 圧が加 わ る

こ と と 同 時 に, α1十 α2<1

(3・9)

お よ び残 存 キ ャ リヤ が消 滅 す る こ とが 条件 で あ る.   サ イ リス タ を 高 周 波 で動 作 させ る た め に は ター ン オ フ時 間 を 小 さ くす る必 要 が あ り,こ れ に適 す る よ うpnpn構

造 と キ ャ リヤ濃 度 お よ び ラ イ フ タ イ ム を設 計 し

て あ る.   (５)逆

阻 止 状 態    逆 阻 止 状 態 で は,図3・11(ｄ)の

逆 バ イ ア ス さ れ,J2は

順 バ イ ア ス さ れ る.特

わ る.こ の 状 態 で は,わ ず か の 電 子,正 る.こ の 状 態 で,さ

に,J1に

よ う に,J1お

よ びJ3は

は 高 い 逆 方 向 の 電 界 が加

孔 がJ1,J3を 通 っ て 逆 阻 止 電 流 が 流 れ

らに 高 い 逆 電 圧 を加 え る とつ い に は電 子 雪 崩 が 起 こ り,逆 阻

止 電 流 が 急 増 して サ イ リス タ は破 壊 に至 る.

3

・

3

パ ワー デバ イスの 種類, 構 造, 特性 および実例

 前 項 で 述 べ た 構 造 と動 作 を基 本 に 多 種 類 の デバ イ ス が 開 発 さ れ 実 用 さ れ て い る.次

3・3

に,そ の 主 な デバ イ ス につ い て解 説 す る.

・

1

整流 ダ イ オ ー ド

 整 流 ダ イ オ ー ドに は,次 の 三 つ の技 術 的 な 流 れ が あ る.   (１)高

電 圧 大 電 流 ダ イ オ ー ド    FZシ

化 と,ウ エ ー ハ 端 面 のpn接

リコ ン ウ エ ー ハ 面 内 の 抵 抗 率 の 均 質

合 の露 出 部 の 電 界 緩 和 技 術 の 発 達 に よ り高 耐 圧 化 が

可能 に な り,ウ エ ー ハ の 大 口径 化 お よ び平 形 セ ラ ミッ クパ ッケ ー ジ と シ リコ ンエ レ メ ン トの 圧 接 構 造 に よ る熱 抵 抗 の 低 下 に よ り大 電 流 化 が 可 能 に な った.大 電 流 ダ イ オ ー ドの 最 大 定 格 接 合 温 度 は150゜ Ｃ で あ る.  通 常,最

大 定 格 ピー ク繰 返 し逆 電 圧 の10％

増 の 電 圧 が 最 大 定 格 ピー ク非 繰 返

し逆 電 圧 と な っ て お り,い か な る場 合 も この電 圧 を超 え て は な らな い.   この種 の 大 電 流 ダ イオ ー ドは,主 に商 用 周 波 を電 源 と した 整 流 装 置 に使 用 さ れ

最大 定格   ピー ク繰 返 し逆 電圧      

4000Ｖ

  ピー ク非繰 返 し逆電 圧   

4400Ｖ

  平均 順 電 流            

2500Ａ

  ピー ク １サ イ クルサ ー ジ電 流(50Hz半   平均 順 電圧(8000Ａ,25℃) 

波)50kA

 

最 大2.0Ｖ

主 た る用 途:電 力整 流用 (ａ)高 電 圧 大電 流 ダ イ オー ドの例

最大 定格   ピー ク繰 返 し逆 電圧       

4500Ｖ

  ピー ク非 繰返 し逆電 圧     

4700Ｖ

  平均 順 電 流             

1200Ａ

  ピー ク １サ イ クルサ ー ジ電 流(50Hz半

波)21kA

  ピー ク順 電圧(所 定 の 条件 の 時)最

大2.8Ｖ

  逆 回復 電 荷(所 定 の条 件 の時)最 大1700μC 主 た る用 途:高 速 インバ ー タ,フ ライ ホ イー ル ダ ィオー ド (ｂ)高 速 ダ イ オ ー ドの 例

最 大 定格   ピー ク繰 返 し逆電 圧40Ｖ   ピー ク非 繰 返 し逆 電圧45Ｖ   平均 順 電 流150Ａ ピー ク １サ   イ クル サー ジ電 流(50Hz半

波)2400Ａ

  ピー ク順 電圧(所 定 の 条件 の 時:最 大)最 大0.Ｖ 主 た る用 途:ス ィ ッチ ン グ電 源用 低 電 圧 側 整 流 ダ イ オー ド (ｃ)シ

ョ ッ トキ ー バ リア ダ イ オ ー ド

図

3 ・ 14

各種 整 流 ダ イオー ドの例

る.図3・14(ａ)に,例

と し て4000V,2500A級

高速 ダ イオー ド

(２)

上 記(１)の

の ダ イ オ ー ド を 示 す. ダ イ オ ー ドで は,そ

の デバ イ ス 設 計 に よ

り逆 回 復 電 荷 が 大 きい の で,高 周 波 用 に は適 さ な い.高 周 波 イ ンバ ー タ 用 の フ イ ー ドバ ック ダ イ オ ー ド と して 数kHz以

上 で 動 作 させ るた め,逆 回 復 電 荷 をで き

るだ け小 さ く した構 造 と製 法 を採 用 して お り,こ れ を高 速 ダ イ オ ー ドとい う.こ の 種 の 高 速 ダ イ オ ー ドの 最 大 定 格 接 合 温 度 は125゜Cで て4500V,1200A,逆

回 復 電 荷1700μCを

合 を使 わ ず,金

とし

示 す.

シ ョ ッ トキ ー バ リ ア ダ イ オ ー ド(SBD)

(３)

あ る.図(ｂ)に,例

上 記(１),(２)の

よ うな 接

属 薄 膜 と ｎ形 半 導 体 を接 触 させ て で き る電 位 障 壁 を利 用 して 整

流作 用 を行 わ せ る.逆 回 復 電 荷 が極 め て小 さ く,順 電 圧 降 下 が 小 さ い特 長 が あ る た め高 周 波 の 整 流 に 適 す る が,構 造 上,電 る.こ の種 の ダ イ オ ー ドは,主 る.図(ｃ)に

3 3 2 ・

・

流,ピ

ー ク繰 返 し逆 電 圧 に 限 界 が あ

と し て比 較 的 低 い直 流 電 圧 の整 流 回 路 に使 用 さ れ

そ の例 を示 す.

トラ ン ジ ス タ (自 己 オ ン ・オ フ 機 能(デ バ イ ス 転 流)を も つ デ バ イ ス) ダ ー リン トン形 バ イ ポ ー ラ パ ワー トラ ン ジ ス タ    ベ ー ス電 流 の オ ン ・

(１)

オ フで ス イ ッチ 動 作 す る トラ ンジ ス タ は あ ら ゆ る用 途 に使 用 され て い る.特 パ ワー 用 に適 す る よ うに,次

①

従 来 のnpn構

の構 造 に して あ る.

造 で は,電 力 の ス イ ッ チ に対 して 安 全 動 作 領 域 が 狭 く誘 導

性 負 荷 の と きは破 壊 しや す い の で,こ の ν層 を入 れ,npνn構

②

に,

れ を改 善 す る た め コ レ ク タ層 に 高 抵 抗

造 に し て あ る.

高 精 細 リ ゾ グ ラ フ ィ技 術 を応 用 して ｎエ ミ ッタ を 微 細 な構 造 と し,エ

ミ

ッ タ 接 合 の 蓄 積 キ ャ リヤ を短 時 間 に 外 部 に 吸 い 出 して オ フ機 能 を 高 め て い る. 一 段 の パ ワ ー ト ラ ン ジ ス タ で は エ ミ ッ タ 接 地 の 電 流 増 幅 率hFEは

③

通 常 約10以

下 で あ る.hFEを

大 き く す る た め,ト

ー ド に し た ダ ー リ ン ト ン構 造(複 合 デ バ イ ス)と

小 さ く

,

ラ ン ジ ス タ を二 段 カ ス ケ し て 総 合 的 なhFEを

大 き く

し て い る.前 hFEは

段 と 後 段 の 電 流 増 幅 率 を そ れ ぞ れhFE1,hFE2と

近 似 的 にhFE≒hFE1×hFE2と

す る こ と が 可 能 で,小

の 構 造 で は,hFEを400以

合

上 に

さ な べ ー ス 電 流 で 大 き な コ レ ク タ 電 流 を オ ン ・オ フ 動

作 で き る 利 点 が あ る.し な っ て 損 失 が 増 し,蓄

な る.こ

す る と,総

か し,コ

レ ク タ-エ ミ ッ タ 間 の 飽 和 電 圧 が 若 干 高 く

積 時 間 が 増 加 して ス イ ッ チ ン グ 時 間 が 長 く な る の で 高

周 波 用 と し て 難 点 が あ る. 図3・15に,デ

バ イ ス の 構 造 を 示 す.

(ａ)

図

後 述 す るMOSFET,  (２)MOSFET(金

3・ 15

構造

(ｂ)

ダー リ ン ト ンバ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ の 例

IGBTの

性 能 向 上 に よ り,応

図3・16の

子 を 受 け 取 る 電 極)と,ｎ

の 間 の ｐ ウ エ ー ハ の 表 面 に 極 め て 薄 い(1000A程

た ゲ ー ト(Ｇ)電 極 を 配 置 す る.ゲ に,ソ

用 分 野 は 減 少 し つ つ あ る.

属 酸 化 膜 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ) 

形 ウ エ ー ハ に ｎ 形 ド レ ー ン(Ｄ;電 し,そ

等価回路

よ う に,ｐ

形 ソ ー ス(Ｓ)を 形 成 度)SiO2絶

縁 膜 を介 し

ー ト に 電 圧 を 加 え な い と き は,図(ａ)の

よ う

ー ス-ド レ ー ン 間 は 空 乏 層 で 分 離 さ れ て い る た め ド レ ー ン に 電 圧 を 加 え て

も電 流 は 流 れ ず,オ え る と,図(ｂ)の

フ 状 態 に あ る.ゲ よ う に,絶

縁 膜 に 面 し た ｐ基 板 表 面 に ｎ 形 反 転 層 が 生 じ,電

子 が 流 れ る チ ャ ン ネ ル が 形 成 す る.こ レ ー ン に,す

ー トに 正 の 電 圧 を 加 え そ れ が し き い 値 を 超

の チ ャ ンネ ル を通 っ て 電 子 が ソー ス か ら ド

な わ ち 電 流 が ド レ ー ン か ら ソ ー ス に 流 れ,オ

化 と チ ャ ン ネ ル の 抵 抗 を 減 ら す た め,チ

ン 状 態 に な る.大

ャ ン ネ ル 幅 を 広 く,長

電流

さ を短 くす る 必 要

(ａ)

図

3・16

VG=0

(ｂ) VG>VT

MOSFETの

記 号,構

造,動

(ｃ)

VG>VT, 

VD
作

(ｎチ ャ ン ネ ル エ ン ハ ン ス メ ン トMOSFET)

が あ り,LSI並

の微 細 加 工 技 術 を応 用 す る.

  ゲ ー ト電 圧 を一 定 に し た と き,電 流 の 増 加 に 従 っ てチ ャ ンネ ル の 抵 抗 に よ る 電 圧 降 下 が 生 じて ドレー ン に近 い 反 転 層 の 厚 さ を減 少 させ る こ と にな り,図(ｃ)の よ うに,反 転 層 は 消 失 し て ピ ンチ オ フ が 生 じる.こ の状 態 で は,ド

レー ン電 圧 を

高 く して も電 流 は増 加 し な い.ゲ ー ト電 圧 の 増 加 と と も に ドレ ー ン電 流 は増 加 す る.同 時 にオ ン電 圧(チ ャ ンネ ル の電 圧 降 下)も 増 加 す る.ゲ ー ト電 圧 を ０に す れ ば 電 流 も ０と な り,オ フ状 態 に な る.   ゲ ー ト電 圧 をパ ラ メ ー タ と した 特 性 は,図3・17の

よ うに,非 飽 和 領 域,飽

領 域,降 伏 領 域 が あ る.ス イ ッ チ動 作 は極 め て 速 く,波 形 の例 を 同 図 に 示 す .

図

3・17

MOSFETの

静 特 性,オ

ン ・オ フ 動 作 波 形

和

MOSFETの

①

例 を 図3・18に,そ

の 特 徴 を 次 に 示 す.

ゲ ー ト絶 縁 膜 を介 して制 御 す る の で,ゲ ー トの イ ン ピー ダ ン ス は 極 め て 高 く電 圧 駆 動 源(た だ し,膜 を形 成 す る ス トレー キ ャパ シ タ ン ス の 充 ・放 電 電 流 が 流 れ る)で オ ン ・オ フ動 作 が で き る.

②

タ ー ンオ ン時 間 は,ゲ ー ト電 圧 に よ る絶 縁膜 の キ ャパ シ タ ン ス の 充電 時 間 と,ゲ ー ト し きい値 電 圧 を超 えて か ら所 定 の ドレ ー ン電 流 を流 す の に必 要 な 電 圧 まで の 充 電 時 間 で き ま る.タ ー ン オ フ時 間 は これ ら の 放 電 時 間 で き ま る.

③

多 数 キ ャ リヤ デ バ イ ス の た め キ ャ リヤ蓄 積 時 間 が な い の で,タ 間,タ

④

ー ンオ フ 時 間 は極 め て 早 く,100MHz程

ー ンオ ン時

度 ま で の 動 作 が 可 能 で あ る.

オ ン電 圧 降 下 は比 較 的 大 き く,電 流 密 度 を 大 き く取 れ な い 欠 点 が あ っ た. 最 近 で は,微 細 加 工 技 術 な どの 進 歩 に よ リオ ン抵 抗 は 大 幅 に 減 少 し,電 流 密 度 が 増 加 す る方 向 に あ り,特 性 改 善 に よ り将 来 期 待 で き る デ バ イ ス で あ る.

最大定格 および電気的特性 ドレ ー ンｰソ ー ス 間 電 圧 

1000Ｖ

ドレ ー ン 電 流(DC 

12Ａ

ゲ ー ト し き い値 電 圧(所

定 の 条 件 の 時:最

ドレ ー ンｰソ ー ス 間 オ ン 抵 抗(所

大) 

定 の 条 件 の 時:最

タ ー ン オ ン 時 間(所

定 の 条 件 の 時:標

準) 

タ ー ン オ フ 時 間( 

    〃      :〃) 

3.5Ｖ 大)  1.0Ω 140ns 500ns

主 た る用 途:電 子 機 器 用 ス イ ッチ ン グ電源

図

  (３)IGBT(絶

3・18

MOSFETの

例

縁 ゲ ー トバ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ) 

前 述 したMOSFETと

バ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ の 良 い点 を組 み 合 わ せ た 複 合 デ バ イ ス で,MOSFETの 電 圧 駆 動 と,大 電 流 バ イ ポ ー ラ トラ ン ジス タの 低 い オ ン電 圧 降 下 の利 点 を生 か し た構 造 で あ る.図3・19の 等 価 回路 に な る が,サ

よ う に,サ イ リス タ の ゲ ー トにMOSFETを

接続 した

イ リス タ部 が オ ン し っ ぱ な しに な ら な い よ うに す るた め,

(ａ)構 造

(ｂ)等 価 回路 図3・19IGBTの

npnト

(ｃ)記 号

構 造 と等価 回路

ラ ン ジ ス タ は動 作 し な い よ う に して あ る.す なわ ち,エ

トラ ン ジス タ のベー ス にMOSFETを   タ ー ンオ ンの 場 合 は,MOSFETの

ミッ タ 接 地 のpnp

付 けた デバ イ ス で あ る. ゲ ー トに そ の しき い値 以 上 の 電 圧 信 号 を加

え る と,絶 縁 層 を介 し て ゲ ー ト電 極 直 下 の ｐ層 に ｎチ ャ ン ネ ル が 形 成 さ れ ,ｎ層 に電 子 が 注 入 され て 電 流 が 流 れ る.同 時 に,ｐ+層

と ｎ-層 の 接 合 が 順 バ イ ア ス

され て ｐ+か ら ｎ-に 正 孔 の 注 入 が 起 こ る.こ の結 果,ｎ-層 変 調 に よ り極 端 に 小 さ くな る.こ の 動 作 の た め,高

の 抵 抗 値 は,電 導 度

い電 流 密 度 が 可 能 と な り,バ

イ ポ ー ラ トラ ンジ ス タ と同 等 の 低 い オ ン電 圧 降 下 が 得 られ る.   タ ー ンオ フ の場 合 は,MOSFETの

ゲ ー ト電圧 を しき い 値 以 下 に す れ ば,チ

ンネ ル は 消 滅 てて 電 子 の 注 入 は停 止 す る.ｎ-層 の 正 孔 は 消 滅 て, pnpト

ャ

ラ ンジ

ス タ の 電 流 はオ フ状 態 に な る.   ス イ ッチ ン グ速 度 は,主

と し てpnpト

ラ ン ジ ス タ に よ っ て定 ま り,コ

レ ク タ-

エ ミ ッタ 間 飽和 電 圧 を 低 下 さ せ つ つ オ ン,オ フ時 間 を小 さ くす る よ う に デ バ イ ス を設 計 し,キ ャ リヤ の 消滅 を早 め る よ うな製 造 プ ロ セ ス を 用 い て い る.   電 流 の オ ン,オ

フ動 作 はpnpト

ラ ン ジ ス タ で 行 う た め,ス

イ ッチ ン グ 損 失,

安 全 動 作 領 域 の 考 え方 は通 常 のバ イ ポー ラ トラ ン ジ ス タ と基 本 的 に 同 じで あ る . 図3・20に,代

表 的IGBTの

波 形 と特 性 を示 す.

(ａ)60A級IGBTの

エ レ メ ン トパ タ ー ン

最大 定 格 およ び量 気 的定 格(複 数 のIGBTエ コ レ ク タ-エ

コ レ ク タ 電 流(直

 2500V

流)

 1000A

コレ ク タ遮 断電 流

 200mA

 (所定 の 条件 の時) (

〃

ゲ ー ト-エ ミ ッ タ間 遮 断 電 圧   コ レ ク タ-エ

レ メン トを同一 平 型 パ ッケー ジに 入れ た構 造)

ミッタ間電 圧

ミ ッ タ 間 飽 和 電 圧 ( 〃

ター ン オン 時 間

(

(ｃ)2500V,1000  図3・20IGBTの

５μs

)標 準    １μs

種 チ ョ ッ パ,イ

(ｂ)2500V,1000 

  ５V

)最 大    ５μs

〃

逆 回復 時 間 主 た る 用 途 ： 各種 電 動 機 制 御,各

〃

(

  ８V

〃 )標 準 )最 大  

 (

ゲ ー トタ ー ン オ フ 時 間

)最 大

ンバ ー タ

A  IGBTの

A  IGBTの

特 性 お よび 外形

ス イ ッチ 波 形

波 形 と特 性 の 例

3 ・3・ 3

サ イ リス タ

  サ イ リス タ の接 合 構 造 と動 作 原 理 につ い て は3・2・3項 で 解 説 した.こ

こで は,

サ イ リス タの 種 類 と特 徴 お よ び そ の 実例 に つ い て述 べ る ． サ イ リス タ を使 用 す る にあ た っ て,そ の 定 格 表 を見 る と きの 必 要 な項 目は. ①

ピー ク繰 返 しオ フ電 圧 お よ び逆 電 圧

②

ゲ ー ト ト リガ 条 件

③

平 均 オ ン電 圧

④

ピー ク オ ン電 圧

⑤

ピ ー ク １サ イ ク ル サ ー ジオ ン電 流

⑥

タ ー ンオ フ 時 間

⑦

臨界 オ ン電流上 昇率

⑧

臨界 オ ン電圧上 昇率

⑨

接 合-冷 却 フ ィ ン間 の 熱 抵 抗

⑩

冷 却 フ ィ ン との 圧 接 力

な どの 最 大 定 格 お よ び そ の 使 用 条件 で あ る. (１)

通 常 の サ イ リス タ (ゲ ー ト電流逆 阻止 ３端 子 サ イ リス タ; 転 流 タ ー ン オ フ催 能)

  最 大 級 の 高 電 圧,大 高 い直 径125mm級

電 流 サ イ リス タ で は,3・4・2項 で 述 べ る よ う に,抵 抗 率 の

のFZ中

性 子 照 射 シ リ コ ン単 結 晶 ウ エ ー ハ を使 用 して い る.

ウ エ ーハ の 物 理 的 特 性 とサ イ リス タ の電 気 的 特 性 は,そ の 製 造 プ ロ セ ス も含 め て 互 い に複 雑 に 影 響 し合 う の で,特 性 の トレー ドオ フ が難 しい.最 大 級 の サ イ リス タで は,オ

ン電 流 上 昇 率 を高 め るた め,ゲ ー トの 位 置 を サ イ リス タエ レメ ン トの

中 央 に配 置 し(セ ン タ ー ゲ ー ト),ゲ ー トパ タ ー ン を放 射 状 に してPB層

の オ ン領

域 を急 速 に広 め て タ ー ンオ ン時 の電 流 集 中 を避 け る よ うに し て い る.高 電 圧 ・大 電 流 サ イ リス タ ほ ど蓄 積 電 荷 が 大 き く,こ の た め タ ー ン オ フ時 間 が 長 い の で,オ ン ・オ フ動 作 の 周 波 数 は １kHz程

度 ま で で あ る.図3・21に,4000Ｖ,3000Ａ

級 サ イ リス タ例 を 示 す. (２)

高 速 サ イ リス タ (逆阻 止 ３端 子 サ イ リス タ; 転 流 タ ー ン オ フ機 能)

オ

ン ・オ フ動 作 の 周 波 数 を高 め るた め,サ イ リス タ の構 造 と製 造 プ ロ セ ス を工 夫 し て 逆 回 復 電 荷 を極 力 減 ら して あ る.2500Ｖ,400Ａ ター ンオ フ 時 間 は約40μsで サ イ リス タ の 約1/10に

あ る.こ の 値 は,ほ

級 で は,規 定 の 条 件 の と き ぼ同 じ電 圧 ・電 流 定 格 の 通 常 の

小 さ くな っ て い る.動 作 周 波 数 は,20kHz程

度 まで の

最大 定格 お よび 電気 的 特 性 ピー ク繰返 し オフ電 圧 お よび ピー ク繰 返 し逆 電 圧 ピー ク非繰 返 し逆電 圧

 4000V  4400V

平 均 オ ン電 流

 3000A

ピ ー ク １サ イ ク ル サ ー ジ 電 流(50Hz半

波)

保持電 流

 60kA  300mA

ター ン オ ン時 間(所 定 の 条件 の 時) 〃

タ ー ン オ フ 時 間(

 最大   10μs

)

 最 大400μs

臨 界 オ ン電 流上 昇 率

  300A/μs

臨 海 オ フ電圧 上 昇 率(所 定 の 条 件 の時)

 2000V/μs

主 た る用 途 ：電 力変 換 用

図3・214000V,3000A級

サ イ リス タ

高 周 波 イ ンバ ー タ装 置 に適 して い る が,ゲ ー トタ ー ン オ フサ イ リス タ との 特 性 の 勘 案 に よ り応 用 分 野 は減 少 てつ つ あ る.   (３)逆

導 通 サ イ リス タ(逆 導 通 ３端 子 サ イ リス タ;転 流 タ ー ンオ フ機 能)

  電 力 変 換 装 置,特

にイ ンバ ー タ,チ

ョ ッパ で は,サ

イ リス タ が 転 流 後,回

路の

エ ネ ル ギ ー を フ ィー ドバ ック させ る た め サ イ リス タ に逆 並 列 に 整 流 ダ イ オ ー ドを 接 続 す る場 合 が あ る.こ の サ イ リス タ とダ イ オ ー ドを １枚 の シ リコ ン ウ エ ー ハ に 配 置 した の が 逆 導 通 サ イ リス タ で,一 種 の 複 合 デバ イ ス で あ る.ウ エ ー ハ 面 内 の サ イ リス タ部 とダ イ オ ー ド部 の間 に分 離 帯 を設 け る.逆 導 通 サ イ リス タ は,逆 電 圧 を阻 止 す る能 力 は な い が,逆 方 向 に も順 方 向 と同等 か また は1/3程

度 の平 均 電

流 を流 す こ とが で き る.逆 電 圧 を 阻 止 す る必 要 が な い の で,特 性 の トレ ー ドオ フ に よ り,ほ か の 特 性(例 え ば,転 流 タ ー ンオ フ時 間)を 改 善 す る こ とが で き る.逆 導通 サ イ リス タ を使 用 す れ ば 部 品 点 数 を減 らせ る ので,装

置 を小 型 ・軽 量 化 で き

る利 点 が あ る.変 換 装 置 の 回 路 構 成 に よ っ て はサ イ リス タ に逆 電 圧 が か か る場 合 が あ り,こ の と き は逆 導 通 サ イ リス タ で な く,通 常 の 逆 阻 止 サ イ リス タ を使 用 す る.逆 導 通 サ イ リス タの 構 造 と定 格 の 例 を 図3・22に 示 す.

最大定格および電気的特性 ピー ク繰 返 し オ フ電 圧 

2500Ｖ

ピー ク非繰 返 し オフ電 圧 

2500Ｖ

平均 オ ン電 流 

400Ａ

平 均 逆 電 流 

150Ａ

ピ ー ク １サ イ ク ル サ ー ジ オ ン 電 流(50Hz半 ピ ー ク １サ イ ク ル サ ー ジ 逆 電 流(同

波) 

7kA

上) 

臨 海 オン電 流 上昇 率 

2.5kA

200A/μs

ピー クオ ン電 圧(所 定 の 条件 の時)       

最 大 

3Ｖ

ピー ク逆 電 圧   (     〃       )       最 大  2.3Ｖ ター ンオ ン時 間(   

〃      )       最 大   6μs

ター ンオ フ時 間(   

〃       )       最 大   40μs

転 流 時 臨 界 オフ 電圧 上 昇率(同 上)        最 小 350V/μs 主 た る 用 途:電

力 変 換,イ

図3・22 

ンバ ー タ用

逆 導通 サ イ リス タの例

(４)  光 ト リガ サ イ リス タ(ト リガ 信 号 を電 気 か ら光 に換 え た転 流 タ ー ン オ フ 形 サ イ リス タ) 

通 常 の サ イ リス タ で は,ゲ ー ト ト リガ電 流 を流 してPB層

ャ リヤ を発 生 させ て ター ンオ ン させ る.シ

にキ

リコ ン原 子 の Ｍ 軌 道 の 電 子 は弱 い 結

合 の た め,光 エ ネ ル ギ ー を 受 け て 電 離 す る の で,あ 0.8∼1.05μmに

ピー ク感 度 が あ る)をPB層

る 強 さ の 光(近 赤 外 波 長

に照 射 す れ ば タ ー ン オ ン す る.サ イ

リス タ エ レ メ ン トの 中 心 部 を光 に対 して 感 度 を電 気 的 トリガ感 度 の １桁 以 上 高 め る よ う に設 計 し,エ レ メ ン ト全 面 を直 ち に ター ン オ ン させ る た め の パ タ ー ン を付 け る. 光 で タ ー ン オ ン す る メ カ ニ ズ ム は,図3・23の

(ａ)光 信 号

よ う に な る.オ

(ｂ)補 助 サ イ リス タ の ター ン オ ン

フ状 態 に あ る光

(ｃ)主 サ イ リ ス タ の ター ン オ ン

(ｄ)ゲ ー トパ ター ン

最大定格および電気的特性 ピー ク繰返 しオフ電 圧 お よび逆 電圧 平均 オ ン電 流

  8000Ｖ  3500Ａ

ピー ク １サ イ ク ル サ ー ジ オ ン 電 流(50Hz)

 60000Ａ

臨界 オ ン電 流 上 昇率

 200A/μs

光 ト リガ パ ワ ー

オ ン電 圧

図

3・

  8mW  (所定 の 条件 の 時)

  2.7Ｖ

ター ンオ ン時 間   (     ″     )

 10μs

ター ンオ フ時 間   (     ″     )

 400μs

23

光 に よ る タ ー ン オ ン過 程 と8000Ｖ,

3500Ａ

級 光 サ イ リス タ

ト リ ガ サ イ リ ス タ に 電 離 に 必 要 な 光 エ ネ ル ギ ー をPB層 に 電 子,正

孔 が 発 生 す る.こ

に 拡 散 す る.横 はPBとnEの

の う ち,正

に 拡 散 す る と,PB層

接 合J3に

孔 は,図(ａ)の

に 照 射 す る と,そ よ う に,PB層

の 抵 抗 に よ り電 位 差 を 生 ず る.こ

対 し て 順 バ イ ア ス と な り,こ

の近 傍

を横 方 向 の電 位 差

れ が あ る値(約0.7Ｖ)を

超 え

る と補 助 サ イ リ ス タ が 通 電 状 態 に な る.こ

の 補 助 サ イ リ ス タ に よ り増 幅 さ れ た 電

流 が,図(ｂ)の

の 結 果,導

よ う に 横 方 向 に 広 が る.こ

に 広 が り,図(ｃ)の

よ う に タ ー ン オ ン す る.例

通 部 分 が エ レ メ ン ト全 面 積

と し て,8000Ｖ,3500Ａ

ガ サ イ リ ス タ の 特 性 お よ び ゲ ー トパ タ ー ン を 図(ｄ)に (５)ゲ

ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ(略 称GTO;Gate 

通 常 の サ イ リ ス タ で は,正

示 す. Turn-Off  Thyristor)

の ゲ ー トパ ル ス 電 流 に よ っ て タ ー ン オ ン し,電

負 荷 で 定 ま る オ ン 電 流 が 流 れ る.い 電 流 を 遮 断 で き ず,オ

光 トリ

源 と

っ た ん オ ン 状 態 に な っ た ら ゲ ー ト電 流 で オ ン

ン 電 流 を 保 持 電 流 以 下 に す る(消 流)か,ま

た は転 流 回 路 で

オ ン 電 流 を 強 制 的 に ０(転 流 タ ー ン オ フ)に し な け れ ば オ フ状 態 に で き な い. ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ は,正

の ゲ ー トパ ル ス 電 流 で タ ー ン オ ン さ せ,負

の ゲ ー トパ ル ス 電 流 で そ の オ ン 電 流 を 遮 断 し て オ フ 状 態 に す る 機 能 を も た せ た デ バ イ ス で あ る.ゲ

ー ト タ ー ン オ フ サ イ リ ス タ の タ ー ン オ ン 動 作 は,3・2・3項

(２)で 説 明 し た 通 常 の サ イ リ ス タ と 同 じ で あ る.そ

の

の タ ー ン オ フ 動 作 を 図3・24

で 説 明 す る. オ ン電 流 が 流 れ て い る と き は,電 る.オ

ン 電 流 を 遮 断 す る た め,ゲ

電 圧 を 加 え る と,PB層 れ る.ゲ

の 電 子 の 供 給 は 停 止 し,逆

のJ3接

合 は 逆 バ イ ア ス さ れ る の で, nEか

ら

孔 は 再 結 合 に よ っ て 消 滅 し, J3接 合 の 逆 阻 止 能 力

は 完 全 に 回 復 す る と と も に,J2接

合 は オ フ 電 圧 阻 止 能 力 を 回 復 す る よ う に な る.

ー ト に 負 の 電 圧 を 加 え 続 け る こ と に よ っ てJ2接

残 存 キ ャ リ ヤ を 消 滅 さ せ る と,ゲ し続 け る よ う に な る.

ー ト電 源 に よ っ て ゲ ー ト-陰 極 間 に 負 の パ ル ス

阻 止 能 力 が 回 復 す る よ う に な る.

域 の 電 子,正

さ ら に 再 結 合 と,ゲ

孔 は陰 極 に 向 か っ て 流 れ て い

の 正 孔 が 外 部 に 吸 い 出 さ れ て 負 の ゲ ー トパ ル ス 電 流 が 流

ー ト電 源 に よ っ てPB-nE間

そ の 後,PB領

子 は 陽 極 に,正

合近 傍 の

ー ト に 負 の 電 圧 を 加 え な くて もオ フ電 圧 を 阻 止

(ａ)オ

ン状 態

(ｂ)ゲ 図3・24 

ー トター ン オフ過 程

ゲ ー ト タ ー ン オ フ サ イ リ ス タ の ター ン オ フ 動 作

負 の パ ル ス 電 圧 を 加 え て か らJ3接 を 蓄 積 時 間tgs(ts),そ 下 降 時 間tgf(tf)と

こ か らJ3接

し て,ゲ

(ｃ)タ ー ン オ フ 波 形

合 の逆 阻 止 能 力 が 回 復 し始 め る ま で の 時 間

合 の 逆 阻 止 能 力 が 完 全 に回 復 す る ま で の 時 間 を

ー トタ ー ン オ フ 時 間tgqはtgf(tf)とtgs(ts)の

ゲ ー トタ ー ン オ フ 時 間 以 降 極 め て わ ず か な オ ン 電 流 が 流 れ る が,負

和 で 表 す. の ゲ ー ト電 圧

に よ っ て 消 滅 す る ま で の 時 間 を テ イ ル 時 間tg tailと い う . ゲ ー トタ ー ン オ フ 時 間 直 後 に ス パ イ ク 電 圧VDSPが 期 間 の オ ン電 流 降 下 率,ス タ ン ス に よ る.テ 圧VDMが

発 生 す る が,こ

ナ バ 回 路 に 流 れ る電 流 の変 化 率 とそ の 回 路 の イ ン ダ ク

イ ル 時 間 中 にス ナバ 回路 の コ ン デ ンサ が 充 電 され て 高 いオ フ電

加 わ る.コ

ン デ ン サ 容 量 を 大 き く す る ほ どVDMは

回 路 の 電 力 損 失 は 増 加 す る 欠 点 が あ る.ゲ

減 少 す る が,ス

ナバ

ー ト タ ー ン オ フ 時 間 内 に ゲ ー ト端 子 か

ら 流 れ 出 る ゲ ー ト電 流 の 時 間 積 分 を ゲ ー トタ ー ン オ フ 電 荷QcQと tgqとQGQは

れ はtgf(tf)

い う.

タ ー ン オ フ 時 の オ ン 電 流 が 大 き い ほ ど 大 き く,tgqは

パ ル ス 電 流 が 大 き い ほ ど 小 さ く な る .図3・25に,タ

負 のゲ ー ト

ー ン オ フ 時 の 波 形 を 示 す.

図3・25ゲ

ー トタ ー ン オ フ 時 の 波 形 (4000Ｖ,3000Ａ,GTOの

PB領 域 の 電 子,正

孔 は,キ

オ フ 状 態 に 移 行 す る が,こ

ャ リ ヤ ラ イ フ タ イ ム に よ る 再 結 合 に よ っ て 消 滅 し, の と き,ゲ

層 の 横 方 向 抵 抗 が 大 き い と,正 が 困 難 と な る.こ

場 合)

ー ト電 極 と 陰 極 の 距 離 が 遠 く,か

孔 の 吸 い 出 しが し に く く な り,ゲ

ー トタ ー ン オ フ

の た め 陰 極 を 小 さ な 長 方 形 の セ グ メ ン ト に し,そ

トで 取 り 囲 む 構 造 と し て,PB層

つ,PB

の 回 りを ゲ ー

の 横 方 向 抵 抗 を で き る だ け 小 さ くす る.

負 の ゲ ー トパ ル ス 電 流 が 小 さ くて 正 孔 の 吸 い 出 し が 不 十 分 で あ る と,セ トの 局 部 に オ ン 電 流 が 集 中 し て 過 熱 し,ゲ

ー トタ ー ン オ フ 失 敗 し て,デ

グメ ン

バ イスは

破 壊 す る. い か な る 運 転 条 件 で も十 分 大 き な 負 の ゲ ー トパ ル ス 電 流 を 流 せ る ゲ ー ト電 源 を 接 続 し,確

実 に 正 孔 を 吸 い 出 す こ と が ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ を 破 壊 か ら防

ぐ 絶 体 必 要 条 件 で あ る.ゲ 合 せ と 等 価 で あ る.い ジ ス タQ2の

ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ も二 つ の トラ ン ジ ス タ の 組

ま,pnpト

ラ ン ジ ス タQlの

そ れ を α2,陽 極 電 流(Q1の

い 出 す 電 流 をIGと

し て, Q2の

電 流 増 幅 率 を α1,  npnト

エ ミ ッ タ 電 流)をIA,ゲ

べ ー ス 電 流IBQ2は,

ラ ン

ー ト電 極 か ら 吸

IBQ2=α1IA-IG

一 方

,陰

極 電 流(Q2の

(3・10)

エ ミ ッ タ 電 流)をIkと

す る た め のQ2の

べ ー ス 電 流 は,

IBQ2=(1-α2)(IA-IG)

で あ る.従

っ て,ゲ

(3・11)

ー トタ ー ン オ フ の 条 件 は, (3・12)

(α1IA-IG)≦(1-α2)(IA-IG)

に す れ ば よ い.ゲ

ー ト タ ー ン オ フ に 必 要 な 負 の ゲ ー ト電 流IGは,

(3・13)

と な る.タ

ー ン オ フ 可 能 の 臨 界 条 件 のIA/IG,す

な わ ち タ ー ン オ フ 利 得Gqは,

次 式 と な る.

(3・14)

Gqを し,Gqを

大 き くす れ ば 負 の ゲ ー トパ ル ス 電 流 源 を 小 さ くで き る 利 点 が あ る.し 大 き くす る た め 設 計 上 で は α2を で き る だ け 大 き く,し

１ よ り わ ず か に 大 き くす れ ば よ い こ と に な る が,他

５前 後 で あ る.

負 の ゲ ー ト電 流 で タ ー ン オ フ で き る最 大 の オ ン 電 流,す ,ゲ

ト を た く さ ん 並 列 に 接 続 す れ ば よ い.例 ー ク ゲ ー ト タ ー ン オ フ 電 流4000Ａ 160μm)か

ら な る セ グ メ ン ト を,直

円 状 に 配 置 し て あ る.陰

な わ ち ピー クゲ ー トタ

ー ト と陰 極 の 対 か ら な る微 細 な セ グ メ ン え ば,1994年

で は

,長

に 開 発 さ れ た6000Ｖ,ピ

方 形 の 陰 極(長

径 約90mmの

さ 約 ３mm,幅

ウ エ ー ハ に 約3800個

極 セ グ メ ン トの 幅 を 狭 く し,同

ン サ 容 量 を 大 き くす る ほ ど,図3・26の

か も(α1+α2)が

の 特 性 と の ト レ ー ドオ フ に よ

り高 電 圧 大 電 流 ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ で は,Gqは

ー ン オ フ電 流 を 大 き くす る た め に は

か

よ う に,ピ

約

を同 心

時 にスナバ回路 の コンデ

ー ク ゲ ー トタ ー ン オ フ 電 流 は

増 加 す る傾 向 に あ る.

ゲ ー トタ ー ンオ フ サ イ リス タ の構 造 と して,通 常 の サ イ リス タ の よ う に 高 い 逆 電 圧 を 阻 止 す る機 能 を もっ た 逆 阻 止 形 と,せ い ぜ い15Ｖ

程 度 しか 逆 阻 止 能 力 の

な い陽 極(エ ミ ッタ)短 絡 形 の ２種 類 が あ る.前 者 は,電 流 形 イ ンバ ー タ に,後 者 は電 圧 形 イ ン バ ー タ に使 わ れ る.図3・27は,陽

極 短 絡 形 の 構 造 で あ るが,オ

フ

図3・26 

ゲ ー ト ター ン オ フ 能 力

最大定格および電気 的定格 ピ ー ク繰 返 し オ フ 電 圧 

6000Ｖ

ピー ク繰 返 し逆 電圧 

17Ｖ

ピー ク ゲ ー トタ ー ン オ フ 電 流(所

6000Ａ

   〃     ) 

2700Ａ

実 効 オ ン電 流( 

定 の 条 件 の 時) 

ピー ク １サ イ クル サ ー ジ 電 流(50Hz半 タ-ン

オ ン 時 間(所

波) 

46kA

定 の 条 件 の 時)最

大  12μs

ゲ-ト ター ンオ フ時 間( 

    〃      )最 大   44μs

ター ンオ フゲー ト電 流( 

   〃       )最 大  1500Ａ

主 た る用 途:電 力用 お よび電 車 用 インバ ー タ 図3・27 

電 圧 はJ2接

6000Ｖ,6000Ａ

級エ ミッタ短絡 形 ゲ ー トター ン オ フサ イ リス タ

合 で 阻 止 す る け れ ど も,逆

い.図3・27に,6000Ｖ,6000Ａ

電 圧 を 阻 止 す るJ1接

合 はそ の能 力 が低

級 エ ミ ッ タ 短 絡 形 ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス

タ の 特 性 を 示 す.

3・4  シ リ コ ン単 結 晶 と ウ エ ー ハ の 特 性

パ ワ ー デバ イ ス の 基 本 材 料 は,IC,LSIと

同 様 に,薄

い 円 板 状 の シ リコ ン単

結 晶 ウエ ー ハ で あ り,単 結 晶 の 品 質,特 性 が デ バ イ ス の 特 性 に大 き な影 響 を与 え

る.

IC,LSIで

は,ウ エ ー ハ の 表 面 に近 い 層 の 結 晶 の 品 質 が 微 小 な セ ル を形 成 す

るた め重 要 で あ るが,パ 形 成 す る の で,厚

ワー デバ イ ス で は ウ エ ー ハ の厚 さ方 向 に複 数 の 接 合 面 を

さ 方 向 の 結 晶 の 品 質 が 重 要 で あ る.

シ リコ ン単 結 晶 の原 料 は シ リコ ン多 結 晶 で あ り,ま た そ の 出 発 原 料 は地 中 か ら 産 出 され る天 然 の珪 石 で あ る.天 然 の 珪 石 に は多 種 多 様 の 不 純 物 が 含 まれ て い る の で,シ

リ コ ン の み を取 り出 す高 純 度 化 技 術 が 極 め て 重 要 で あ る.

図3・28に,天

然 の 珪 石 か ら多 結 晶(ポ リ)シ リ コ ン を製 造 す る工 程 を示 す.

図 3・28 天 然珪 石 か ら 多結 晶 シ リコ ン まで の製 造工 程

天 然 珪 石 に炭 材 を 加 え て多 量 の 電 力 を使 っ て ま ず金 属 シ リコ ン を製 造 す る.日 本 で は電 気 料 金 が他 国 に比 べ て 高 い た め,金 属 シ リ コ ンの ほ とん ど を輸 入 して い る. 次 に,金 属 シ リ コ ン に塩 酸 を加 えて ３塩 化 シ リ コ ンガ ス に して 多 結 晶 製 造 リア ク タ に送 り,核 とな る多 結 晶 シ リコ ン棒 を 通 電 加 熱 しつ つ 長 時 間 か けて,そ

の棒

に ガ ス 中 の シ リ コ ン を堆 積 さ せ て 太 い多 結 晶 シ リ コ ン ロ ッ ドを造 る.ガ ス化 す る こ と と不 純 物 の な い リア ク タ 内 で 堆 積 さ せ るの で,シ

リコ ン は格 段 に高 純 度 化 さ

れ,純

度 は10ナ

イ ン 以 上 に な る.リ

晶 で あ る た め,こ

ア ク タ で 製 造 さ れ た シ リ コ ン ロ ッ ドは多 結

の ま ま で は パ ワ ー デ バ イ ス やLSIに

は 使 え ず,単

結 晶 にす る

必 要 が あ る.

3・4・1  シ リ コ ン 単 結 晶 多 結 晶 シ リ コ ン を デ バ イ ス,LSIに 法 が あ る.そ

の 一 つ はFZ(Floating 

(１)  FZ法 工 程 を示 す.図

適 す る単 結 晶 シ リコ ンに す る の に 二 つ の 方 Zone)法,他

はCZ(Czochralski)法

に よ る シ リ コ ン単 結 晶     図3・29に,  FZ法

で あ る.

に よる単結 晶の製造

の よ うに,多 結 晶 シ リコ ンの ロ ッ ドの 下 部 に単 結 晶 シ リコ ン の種

(シ ー ド)を 付 け,炉

内 を 高純 度 不 活 性 ガ ス に置 換 し,高 周 波 加 熱 コイ ル で 単 結 晶

化 温 度 まで 加 熱 す る.こ の 際,ロ

ッ ドを 回 転 しつ つ コ イル を下 部 の シー ド部 か ら

上 に 向か っ て ゆ っ く り移 動 させ る.こ の工 程 に よ り,多 結 晶 シ リコ ン ロ ッ ドは下 部 の シ ー ド取 付 け部 を 出発 点 と し て上 に 向 か っ て単 結 晶 化 が 進 展 し,ロ ッ ド全 体 が 抵 抗 率 の 高 い シ リ コ ン単 結 晶 に な る.高 純 度 ガ ス の 雰 囲 気 で 単 結 晶 化 す る の で,シ

リコ ン に不 純 物 が 入 る 可能 性 は極 め て 少 な い.雰 囲 気 ガ ス の種 類 と濃 度 に

図3・29  FZ法 に よる単 結 晶化 工 程 の概 念図

よ っ て 単 結 晶 を ｐ形,ｎ 形 お よ び そ れ らの 濃 度 を制 御 す る こ とが で き る.FZ法 に よ る単 結 晶 は,現 在 で は 直 径 約150mmま

で 市 販 さ れ て お り,よ

り大 口 径 の

単 結 晶 は技 術 的 に は 可 能 で あ る. (２)  CZ法

に よ る シ リコ ン単 結 晶     図3・30に,単

結 晶 引 上 げ機 に よ る 単

結 晶 の 製造 工 程 を示 す.多 結 晶 シ リ コ ンの 塊 を引 上 げ 機 に セ ッ ト した 高 純 度 石 英 る つ ぼ に 充 〓 し,蓋 を閉 め て 引 上 げ機 内 部 を ア ル ゴ ンガ ス に置 換 して か ら ヒー タ ー で約1450℃

に加 熱 し て 多結 晶 シ リ コ ン を溶 解 す る.溶 け た シ リ コ ンの 入 っ た

図3・30  CZ法

に よ る単 結 晶 化 工 程 の概 念 図

るつ ぼ と上 か ら垂 ら した単 結 晶 シ リコ ン の シー ドは互 い に逆 方 向 に ゆ っ く り回 転 させ て お く.単 結 晶 シ ー ドを下 ろ して 溶 融 面 に 接 触 させ て単 結 晶 化 の き っ か け を つ くる.溶 融 シ リコ ン が シー ドの近 傍 で 単 結 晶 にな り始 め た ら,シ ー ドを 回 転 さ せ なが ら ゆ っ く りシー ドを引 上 げ て 単 結 晶 の ロ ッ ドを つ くる.ロ ー ド とる つ ぼ の 回 転 数 ,シ ー ドの 引 上 げ速 度 で き ま る.ロ

ッ ドの直 径 は シ

ッ ドが 冷 え て か ら引 上

げ機 の蓋 を開 け て ロ ッ ドを取 り出 す.CZ法 容 易 に製 造 で き るが,抵 抗 率 をFZ法

の 特 徴 は,大 口径 の 単 結 晶 を比 較 的

の よ う に高 くし に く く,石 英 るつ ぼ の酸 素

が 単 結 晶 に微 量 に 溶 け込 む こ とで あ る.石 英 るつ ぼ に 多結 晶 シ リコ ン を充 填 す る 際,微

量 で 高 純 度 の ア ン チ モ ン(５ 価 の 元 素)を 添 加 し て溶 解 す れ ば 単 結 晶 は ｎ

形 に な り,ホ ウ素(３ 価 の 元 素)を 添 加 す れ ば ｐ形 に な る.添 加 す る量 に よ っ て ｐ 形,ｎ 形 の 濃 度 を制 御 す る. パ ワ ー デ バ イ ス 用 と し て 直 径 約150mmま さ れ て い る.LSIに 将 来 直 径 約300mmが

一 般 に,FZ法

は 直 径 約200mmま

で のFZお で のCZウ

よ びCZウ

エーハ が使 用

エ ー ハ が 使 用 さ れ る が,近

い

考 え ら れ て い る.

に よ る シ リ コ ン単 結 晶 は抵 抗 率 を 高 く製 造 で き る の で,高

パ ワー デバ イ ス に適 して お り,CZ法

電圧

に よ る単 結 晶 は 抵 抗 率 を高 く しに くい の で

中 ・低 電 圧 用 パ ワ ー デ バ イ ス お よ びLSI用

に使 用 され る.

3・4・2  ウ エ ー ハ 化 プ ロ セ ス

シ リコ ン単 結 晶 ロ ッ ドの 結 晶 特 性 を 測 定 した 後,薄

い 円板 状 のパ ワー デバ イ ス

用 シ リコ ンウ エ ー ハ にす る に は,概 略 次 の 工 程 で 進 め る.こ の 工 程 は,FZ法 も,CZ法

で

で も単 結 晶 ロ ッ ドの ウ エ ー ハ 化 は 同 じで あ る.

結 晶 方 位 の 測 定 … … Ｘ 線 測 定 器 で 方 位 を 測 定 し,印 ス ライス

をつ け る.

 内周 刃 の ブ レー ドを高 速 回転 させ,仕 上 が りウ エ ー ハ 厚 さ の約 倍 の 厚 さで ロ ッ ドを輪 切 りに して粗 ウエ ーハ を取 る.

ラツプ

 粗 ウ エ ー ハ 表 面 に残 る ブ レー ドに よ る破 砕 層 を 回転 定 盤 に 挟 ん で ラ ッ プ油 と と も に研 磨 して 取 り除 く.

ベ ベル

 ウエ ーハ 外 周 部 の 端 部 を研 磨 して 所 定 の丸 み をつ け る.

ケ ミ カ ル ポ リ シ ュ … 薬 液 に よ る エ ッ チ ン グ で,さ

らに細 か い破 砕 層 を ウ エ ー ハ

両 面 か ら取 り除 く. ポ リシ ュ

 研 磨 定 盤 と研 磨 液 に よ り両 面 を磨 く.

ミ ラ ー ポ リ シ ュ … … パ フ に て ウ エ ー ハ の 片 面 ま た は 両 面 を 鏡 面 研 磨 す る.数

の研 磨 工 程 に よ りウ エ ー ハ 表 面 の キ ズ,平 り 除 き,ウ

坦 度,反

次

りを取

エ ー ハ 厚 が 所 定 の 厚 さ と な る よ う に す る.

ウ エ ー ハ 測 定 … … … 自動 測 定 器 に よ る抵 抗 率,厚

さ,反

りを 測 定 し,合 否 を判

定 す る.

洗  浄

 特 殊 な薬 液 に浸 け,超 音 波 で 入 念 に 洗 浄 す る.

目視検 査

 暗 室 で ウ エ ー ハ 表 面 に ス ポ ッ トラ イ トを 当 て,肉

眼で表面

の キ ズ等 をチ ェ ック し,最 終 の 合 否 を判 定 す る. 出 荷 ・保 管

 ウエ ー ハ を特 殊 な容 器 に 密 封 し,デ バ イ ス プ ロ セ ス に投 入 す る直 前 まで 清 浄 な状 態 で 保 管 す る.

現 在 の パ ワー デ バ イ ス 用 シ リ コ ン ウ エ ー ハ の 最 大 の 直 径 は150mmで

あ る が,

これ は需 要 側 の 要 求 と製 造 側 の設 備 か ら この よ う な直 径 に な っ た.将 来,需

要側

の 強 い 要 望 が あ れ ば製 造 側 の設 備 を新 設 して さ ら に大 きな 直 径 の ウ エ ーハ が 実 用 され る で あ ろ う.図3・31に

ウ エ ー ハ 直 径 の変 遷 を示 す.FZウ

増加 はパ ワ ー デ バ イ ス の 電 流 定 格 の増 加 に,CZウ

エ ー ハ の 直 径 の 増 加 は 中 ・小

電 力 用 デバ イ ス の 低 価 格 化 に貢 献 し て い る とい え る.

図3・31 

FZ,CZウ

エ ーハ の直 径 の

エー ハ の直 径 の 変遷

下 記 に,高 電 圧 大 電 流 サ イ リス タ 用 ウ エ ー ハ の 仕 様 の例 を示 す. ウ ェ ー ハ 仕 様   FZ,

ｎ形,  ND*

直  径

 150±0.5mm

厚

さ

 1000±15μm

反

り

 20μm以

抵抗 率

下

 500∼1000Ω

・cmの

内 の

指定 した値  ウ エ ー ハ 面 内 の 抵 抗 率 の バ ラ ツ キ

5

3 ・

 ±10%以

デバ イス製造 プ ロセス と特性 の相関性

製 造 プ ロセ ス の 要 点

3・5・1

  (１)接

合 面 の 形 成    前 項 で 述 べ た ｎ形 また は ｐ形 シ リ コ ン ウ エ ー ハ を 出

発 ウエ ー ハ と して デバ イ ス の 製 造 プ ロ セ ス ラ イ ン に投 入 す る.ト npnま

内

た はpnpの

３層,サ

イ リス タ で はpnpnの

形 あ る い は ｐ形 の ウ エ ー ハ に,① オ ン注 入 法,④

接 着 法,ま

ランジス タでは

４層 が 基 本 構 造 で あ る た め, ｎ

拡 散 炉 に よ る加 熱 拡 散 法,②

合 金 法,③

イ

た は ⑤ 気 相 成 長(エ ピ タ キ シ ャル)法 に よ っ て 複 数

の ｐ形 あ る い は ｎ形 の 添 加 元 素 の 層 を形 成 し,接 合 面 を つ くる.   ① は,拡 散 炉 用 高純 度 石 英 管 に ウ エ ー ハ と添 加 元 素(３ 価 あ る い は ５価 の 元 素) を入 れ,炉 の 温 度(例 え ば,約1000℃)を

設 定 して加 熱 す る.蒸 気 化 した 添 加 元

素 あ る い は ウエ ー ハ 表 面 に一 様 に塗 布 した 添 加 元 素 が ウエ ー ハ 内 に拡 散 し,添 加 元 素 の 層 と接 合 面 を形 成 す る.層 の 厚 さ と添 加 元 素 の濃 度 は,そ の 元 素 の 拡 散 係 数 と添 加 量,炉

の 温 度 と時 間 で定 ま る.こ の 方 法 は,比 較 的 厚 い層 を形 成 す る の

に適 し て い る. *NDと

は

,ニ ュー トロ ン ・ ドー プ処 理 の 略 で, FZ単 結 晶 を原 子 炉 に入 れ て 中 性 子 を 照射 す る

  と,単 結 晶 内 の抵 抗 率 が一 様 に な る こ とを利 用 した処 理 法 で あ る.FZ単

結晶 の ままではウ

 エ ー ハ 内の 抵抗 率 が面 内 で不 均 一 な の で,高 電 圧 用 サ イ リス タ に は使 用 しに くい.

② の合 金 法 は,ウ

エ ー ハ に あ らか じめ 濃 度 を設 定 した添 加 元 素 を含 む箔 を載 せ

て 加 熱 合 金 化 し,添 加 元 素 の 層 と接 合 面 を形 成 す る方 法 で あ る. ③ は,ガ

ス状 に した添 加 元 素 を イ オ ン化 し,注 入 す る元 素 を磁 場 に よ り分 離 し

た の ち電 界 で加 速 して ウエ ー ハ に衝 突 させ て注 入 す る.こ

の方 法 は,層 の 濃 度 と

厚 さ を精 密 に制 御 で き る利 点 が あ る. ④ は,ｎ 形 シ リコ ン ウエ ー ハ の ｐ形 シ リコ ン ウ エ ー ハ の 表 面 を平 坦 か つ 清 浄 に して,そ れ ら表 面 同 士 を加 圧 接 触 させ,特

殊 雰 囲 気 中 で加 熱 して ２枚 の ウ エ ー ハ

を接 着 させ る 方 法 で あ る. ⑤ は,気 相 成 長 炉 内 に平 面 状 に ウ エ ー ハ を並 べ て 加 熱(例 え ば,約1150℃) し,還 元 ガ ス に 四 塩 化 ケ イ 素 ガ(SiCl4)と ーハ 表 面 に気 相 成 長 させ る と ｐ層 が,ま

ジ ボ ラ ン(B2H6)ガ

ス を混 合 して ウ エ

た ホ ス フ ィ ン(PH3)ガ

ス を混 合 して 気 相

成 長 さ せ る と ｎ層 の 単 結 晶 が 形成 し,接 合 面 が で き る. 気 相 成 長 層 の 厚 さ,ｐ 層,ｎ 層 の 濃 度 は,混 合 ガ ス の 種 類 と濃 度,温 度 と時 間 で定 ま る.こ の 方 法 は,接 合 の境 界 面 が 均 一 に形 成 さ れ る利 点 が あ り,比 較 的 薄 く,か つ,精 度 の 高 い層 の 形 成 に適 して い る. 特 に,こ

の気 相 成 長 法 は,IGBTの

製 造 プ ロセ ス に とっ て 重 要 な技 術 で あ る.

現 在 の パ ワ ー デ バ イ ス の 製 造 プ ロ セ ス に は ①,③,⑤

が 使 用 さ れ て い る.

(２)  パ タ ー ン ニ ン グ     ゲ ー ト タ ー ン オ フ サ イ リ ス タ の ゲ ー トー陰 極,バ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ の べ ー ス-エ ミ ッ タ

,MOSFETの

イポ

ゲ ー ト-ソ ー ス,IGBTの

ゲ

ー ト-エ ミ ッ タ に は オ ン ・オ フ 動 作 に 必 要 な 微 細 な パ タ ー ン の ｐ層 ,ｎ 層 お よ び 接 合 を 形 成 す る.こ

の 微 細 な パ タ ー ン を 形 成 す る た め,LSIの

光 露 光 技 術(リ ゾ グ ラ フ ィ ー(写 真 食 刻);Photo 

Lithography)を

製 造 で 開 発 され た 利 用 す る.

光 露 光 技 術 と は,ま ず,透 明 で ひ ず み の な い ガ ラ ス に ク ロ ム 系 の 薄膜 を付 け, そ の 薄膜 に所 望 の 電 極 パ ター ン を書 い た 「マ ス ク」 を用 意 す る.一 方,ウ

エーハ

のパ タ ー ン を形 成 した い ｐ層 また は ｎ層 の 面 に 紫 外 線 に感 度 の 高 い高 分 子 ホ ト レ ジ ス ト溶 液 を均 質 に塗 布 し た感 光 膜 を用 意 して お く. マ ス ク とホ トレ ジ ス トを塗 っ た ウ エ ー ハ を重 ね 合 わ せ た の ち,マ ス ク に高 圧 水 銀 ラ ン プの 紫 外 線 を 照射 して マ ス ク の 電 極 パ タ ー ン を感 光 膜 に露 光 し,感 光 部 分

(あ るい は光 が 当 た らな い 部 分)の 膜 質 を変 質 さ せ る.照 射 後,感

光膜 の ついた ウ

エ ー ハ を現 像 用 溶 剤 に 漬 け,不 要 の膜 部 分 を洗 い流 して 電 極 パ タ ー ン ど お りの膜 を ウエ ー ハ 面 上 に残 す.こ

の よ う な プ ロセ ス に よ っ て ガ ラ ス マ ス ク の電 極 パ タ ー

ン を ウエ ーハ 面 上 に転 写 す る. こ の あ と は,膜 た り,拡

の つ い た ウ エ ー ハ を エ ッチ ン グ して ウ エ ー ハ 表 面 に溝 を加 工 し

散 炉 や エ ピ タ キ シ ャ ル 炉 に 入 れ て パ タ ー ン ど お り の ｐ 層,ｎ

て べ ー ス,ゲ

ー ト ま た は エ ミ ッ タ 電 極 を 造 る.

現 在 の パ ワ ー デ バ イ ス 用 リ ゾ グ ラ フ ィ ー 技 術 の パ タ ー ン精 度 は,ゲ オ フ サ イ リ ス タ で は 約5μm,IGBTで い わ れ て お り,将

(３)ベ

層 を形 成 し

は 約1μm,MOSFETで

ー トター ン

は1μm以

下 と

来 は さ ら に 高 い 精 度 が 要 求 さ れ る と思 わ れ る .

ベ ル 構 造(ウ エ ー ハ 表 面 の 電 界 緩 和) 

デバ イ ス の オ ン ・オ フ動 作 の

際,デ バ イ ス を構 成 す る接 合 に は オ フ電 圧 あ る い は 逆 電 圧 が加 わ る が,接 合 部 が 薄 いた め そ の 電 界 強度 は極 め て 大 き くな る. 接 合 部 の 耐 電 界 強 度(ブ レー ク ダ ウ ン電 圧)は,エ い る端 面 の ほ うが 低 い.こ

レメ ン ト内部 よ り も露 出 して

の た め,デ バ イ ス に過 電 圧 が 加 わ る と露 出 して い る接

合 部 が 局 部 的 に ブ レー ク ダ ウ ンが 起 こ り,電 流 が 集 中 して 接 合 が 破 壊 され る よ う に な る.こ れ を防 ぐた め,露

出 して い る接 合 部 に傾 斜 を付 け た加 工 に よ って 電 界

を和 ら げ る よ う にす る.電 界 を和 ら げ る形 状 をベ ベ ル 構 造 とい う. 図3・32(ａ)の よ うに,pn接 場 合 をポ ジ テ ィブ ベ ベ ル,そ

合 で,強

く ドー プ した り領 域 が 広 が る よ う に した

の逆 をネ ガ テ ィブベ ベ ル とい う.端 面 の 傾 斜 角 を変

え た と きの 端 面 の 電 界 強 度 は 図(ｂ)と な る.こ の 図 で,ネ

ガ テ ィブベベ ル が約

45゜の と き電 界 強 度 は 最 大 と な るの で,こ れ を避 け て90゜ に近 い 値 ま で傾 斜 をつ け た加 工 をす る.ポ

ジ テ ィ ブベ ベ ル は同 程 度 の電 界 強 度 を もた せ る と し て30゜ 程

度 の傾 斜 をつ け る.オ

フ電 圧 と同等 の逆 電 圧 に耐 え られ る よ う に した サ イ リス タ

の べ ベ ル構 造 の 例 を図(ｃ)に 示 す.電 界 が 加 わ る ベ ベ ル 面 を電 気 的 に保 護 す るた め,絶 縁 性 シ リコ ン ゴム を塗 布 す る. 図3・32(ｃ)の 構 造 で は,陰 極 側 の 面 積 が 陽 極 側 よ り小 さ く な っ て 電 流 密 度 か ら不 利 とな る.こ れ を改 善 す る た め,図3・33の

よ うな ダ ブ ル ポ ジ テ ィ ブ ベ ベ ル

(ａ)ポ

ジ テ ィ ブ/ネ ガ テ ィ ブ ベ ベ ル

(ｂ)ベ ベ ル角 と電 界強 度

(ｃ)具 体 例

図3・32  電 界強 度 緩和 の ため のベ ベ ル構 造

構 造 を 用 い る.こ

の 構 造 は,サ

ッ チ ン グ(破 砕 層 の 除 去),シ

ン ド ブ ラ ス ト(ト レ ン チ 加 工),コ

ン タ リ ン グ とエ

リ コ ン ゴ ム 塗 布 の 工 程 に よ っ て 加 工 す る.

(ａ)

図3・33 

(ｂ) ダプ ル ポ ジテ ィブベ ベ ル構 造

図3・34  デバ イス 製造工 程 の概 略 (高電 圧大 電 流陽 極 短 絡形 ゲ ー トター ン オ フサ イ リス タ)

デ バ イ ス製 造 プ ロセ ス の 例

(４)

製 造 ラ イ ン に ウエ ー ハ を投 入 し て か ら デ

バ イ ス が で き る まで の 工 程 に 最,先 に 述 べ た接 合 面 の 形 成 ,リ

ゾグラ フィーの ほ

か エ ッチ ン グ,電 極 形 成 な どの 要 素 技 術 が 各 工 程 で繰 返 し利 用 され て い る.設 計 どお りの 特性 を得 る た め に 最,各 要 素 技 術 が 確 立 し精 度 よ くデ バ イ ス を加 工 で き な けれ ば な らな い.

図 3・ 34 に,デ バ イ ス の製 造 工 程 の概 略 を 示 す.

3 5 2 ・

・

特性の相関性

  デ バ イ ス の 電 気 的 諸 特 性 は,シ

リコ ン ウエ ー ハ の特 性 も含 め て複 雑 に絡 ん で い

る.デ バ イ ス の 設 計 に 最,特 性 の トレ ー ドオ フ を知 っ た う えで 目的 に適 した 条 件 を選 択 す る.図3・35(ａ)は

トラ ン ジ ス タ の 場 合,図(ｂ)最

サ イ リ ス タ の場 合 の

概 念 的 な 特 性 の相 関 性 を示 す.

(ａ)

バ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ の 相 関 性

図 3 ・ 35

(ｂ)通 常 の サ イ リス タの相 関 性

デ バ イス の構 造 と特 性 の相 関性 の概 念 図

  図 中,右 上 りの 矢 印〓 は 増 加 の傾 向 を,右 下 りの矢 印〓 は 減 少 の傾 向 を,空 欄 は 極 め て 弱 い相 関性 か もし くは 無 関 係 を示 す.こ

の 図 に は,シ

リ コ ン ウエ ー ハ

の抵 抗 率 との 関 係 も示 した.具 体 的 な デ バ イ ス の 特 性 は,pnp,  npn,  pnpn各 の厚 さ と配 置,各 ほ か,ゲ

層

層 の 添加 元 素 濃 度 とそ の 濃 度 勾 配 お よ び縦 お よび 横 方 向 抵 抗 の

ー ト-陰極,ベ

ー ス-エ ミ ッ タ お よ び ゲ ー ト-ソ ー ス の 寸 法 と配 列 な ど 多

くの パ ラ メ ー タ に依 存 す る.

演

習

問

題

〔３〕

〔 問 題 〕 １.通 常 の サ イ リス タ の オ フ 状 態 か らオ ン状 態 へ の 移 行(タ ー ン オ ン)お よ び オ ン 状 態 か ら 逆 阻 止 状 態 へ の 移 行(転 流 タ ー ン オ フ)の 際 の 電 子 と正 孔 の 挙 動 を 説 明 せ よ.

〔 問 題 〕 ２.光

ト リガ サ イ リス タ の 光 に よ る タ ー ンオ ン過 程 を説 明 せ よ.

〔 問 題 〕 ３.シ

リコ ンFZ単

結 晶 とCZ単

結 晶 の 製 法 上 の 違 い と単 結 晶 の 特 性 の 差 を 述 べ

よ.

〔 問 題 〕 ４.MOSFET,

IGBTの

構 造 の 違 い と特 性 の 共 通 点,相

違 点 を説 明 せ よ.

第

パ ワ ー デ バ イ ス の基礎 (そ の ２)

４章

− ゲ ー ト駆 動 回 路

, 安全 動作領 域, 熱抵 抗−

パ ワ ー デ バ イ ス が もつ 機 能 を十 分 に発 揮 し,確 実 か つ長 期 信 頼 性 を もっ て ス イ ッチ動 作 させ る た め に は 個 々 の デ バ イ ス の デ ー タ 表 に記 載 され て い る諸 定 格 を超 え な い よ う に所 定 の 条 件 で 使 用 しな けれ ば な らな い.

4

・

1

駆動方法 と駆動回路

  パ ワ ー デ バ イ ス を ス イ ッチ 動 作 させ るた め に,そ の ゲ ー トま た は べ ー ス の駆 動 方 法 は重 要 で あ り,そ れ ぞ れ の デバ イ ス に適 した 駆 動 回 路 が あ る.

4

・1・

1

  (１)パ

トラ ン ジ ス タ ワ ー トラ ンジ ス タ(ス イ ッチ モ ー ド)   トラ ン ジ ス タ を 高速 か つ低 損

失 で オ フ か らオ ン に ス イ ッチ させ るた め に は,べ ー ス電 流 の立 上 りを速 くか つ ピ ー ク値 を大 き くす る.オ 以 上 あれ ば よい.オ

ン状 態 で の べ ー ス 電 流値 は,コ

レ ク タ電 流/電 流 増 幅 率

ンか らオ フ に高 速 に切 り換 え る に は,べ

の電 流 を瞬 間 的 に流 す.図4・1に,２

ー ス 電 流 と は逆 方 向

電 源 方 式 の べ ー ス駆 動 回路 とオ ン,オ フ の

波形 の例 を示 す.   駆 動 回 路 のQ3に

オ ン 信 号 を 与 え る とQ1は

オ ン 用 べ ー ス 電 流Ib1が を与 え る とQ2が R2で

抗R1で

制 限 され る

主 トラ ン ジ ス タ に 流 れ て オ ン 状 態 に な る. Q3に

オ ン と な り, Q1に

オ フ信 号

逆 バ イ ア ス を与 え な が ら主 トラ ン ジ ス タ に

制 限 さ れ る オ フ 用 べ ー ス 電 流Ib2が

に よ っ てQ1,  Q2は

オ ン と な り,抵

速 く タ ー ン オ ン,タ

流 れ て オ フ 状 態 に な る・ コ ン デ ン サ Ｃ ー ン オ フ す る.

(ａ)駆 動 回路 (ｂ)オ 図4・1 

  (２)MOSFET(金

ン ・オ フ 波 形

トラ ン ジ ス タ の 駆 動 回 路 と 波 形

属 酸 化 膜 電 界 効 果 トラ ンジ ス タ) 

MOSFETの

特 徴 は,

キ ャ リヤ の 蓄 積 効 果 が な い た め 高 速 の オ ン ・オ フ が可 能 で,か

つ,ゲ

ー ト-ソ ー

ス間 は酸 化 膜 で 絶 縁 さ れ て い る た め イ ン ピー ダ ン ス は 高 く,正

・負 の 電 圧 駆 動 で

ス イ ッチ動 作 が 可 能 な こ とで あ る.   タ ー ンオ ンの 遅 れ 時 間td(on)は,正

の ゲ ー ト電 圧 信 号 に よ っ て ゲ ー ト-ソ ー ス

間 の キ ャパ シ タ ン スが ゲ ー ト し きい 値 電 圧 まで 充 電 され る時 間 で あ り,立 上 り時 間trは そ の し き い値 を超 え て 能 動 領 域 に 入 り,ド レ ー ン電 流 が 流 れ る ま で の 時 間 で あ る.タ ー ンオ フ の 遅 れ 時 間td(off)は,ゲ

ー ト電 圧 が 高 い 値(オ ー バ ー ドラ

イ ブ電 圧)か ら能 動 領 域 の ゲ ー ト電 圧 ま で そ の キ ャパ シ タ ン ス が 放 電 し て 低 下 す る ま で の 時 間 で あ り,下 降 時 間tfは 能 動 領 域 の電 圧 か ら し き い値 電 圧 ま で 放 電 す る に要 す る時 間 で あ る.MOSFETは

電 圧 駆 動 で あ るが,オ

ン,オ

フ時 に は デ

バ イ ス 内 部 の キ ャパ シ タ ン ス の た めパ ル ス状 の充 ・放 電 電 流 が ゲ ー ト回路 に流 れ る.ス イ ッ チ動 作 時 間 は,ゲ ー ト回 路 の 内 部 イ ン ピー ダ ンス と この キ ャパ シ タ ン ス の時 定 数 で 定 ま る の で,ゲ 要 で あ る.MOSFET用

ー ト回 路 は 電 圧 源 とパ ル ス 電 流 源 と して の 機 能 が 必

の ゲ ー ト回路 の 例 を図4・2に 示 す.図(ａ)は,パ

圧 器(オ ン用)と トラ ン ジス タ(オ フ用)を 用 い た 回 路 で,図(ｂ)は き くす る ほ どス イ ッチ ング 時 間 が短 くな る こ と を示 す.

ル ス変

逆 バ イ ア ス を大

(ａ)ゲ

ー ト回 路 の 例 (ｂ)逆 図4・2 

  (３)IGBT(絶 同 様,電

MOSFETの

バ イ ア ス 電 圧 と ス イ ッ チ ン グ時 間

ゲ ー ト回 路 と ス イ ッ チ ン グ時 間

縁 ゲ ー トバ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ) 

圧 駆 動 の デバ イ スで あ る.MOSFETと

ー ラ トラ ン ジ ス タ の た め にIGBTの

比 べ,主

IGBTはMOSFETと た るスイ ッチはバ イ ポ

ほ うが オ ン電 圧 降 下 が 小 さ く

,従 っ て 同 じ

電 流 で は損 失 が 小 さ く,ま た オ ン電 流 密 度 を大 き く取 れ るの で 大 電 流 の 高 周 波 動 作 が 可 能 で あ る.し か し,バ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ の た め 動 作 周 波 数 はMOS FETよ

り低 い.

  タ ー ンオ ン させ る に は,ゲ ー トし き い値 電 圧 よ り も高 い 正 の 電 圧(例 え ば15 Ｖ)を 加 え る と電 流 が増 加 して コ レ ク タ側 か ら正 孔 の 注 入 が 起 こ り,キ ャ リヤ 蓄 積 が 始 ま る.タ ー ン オ フ させ る に は,ゲ ー トに 負 の 電 圧 を 加 え て ゲ ー トし き い値 電 圧 以 下 に す る と正 孔 は 消 滅 す る.  図4・3に,IGBTの は,±15Ｖ

ゲ ー ト回 路 と オ ン,オ

フ の 波 形 の 例 を 示 す.こ

の 回路

の ２電 源 方 式 で,信 号 系 との 電 位 差 と ノ イ ズ 侵 入 防 止 の た め ホ トカ プ

ラ を 用 い て い る.Q1の のオ ン状 態 に な り,Q2の

オ ン に よ りIGBTの

ゲ ー トに正 の 電 圧 が 加 わ っ てIBGT

オ ン に よ り負 の 電 圧 が 加 わ っ てIGBTは

る.ノ イ ズ に よ る誤 動 作 を 防 ぐた め,15Ｖ

オ フ状 態 に な

程 度 の 負 バ イ ア ス を オ フ期 間 に 加 え

て お くの が 無 難 で あ る.ゲ ー ト抵 抗Rgは50∼200Ω

程 度 で あ る.

図4・31GBTの

4

・1・

2

  (１)通

ゲ ー ト回 路 と オ ン,オ

フ波 形

サ イ リス タ 常 の サ イ リス タ(転 流 タ ー ンオ フサ イ リス タ) 

サ イ リス タ の ゲ ー ト

に所 定 の ト リガ 電 流 を 流 す とタ ー ン オ ンす る.ゲ ー ト ト リガ電 流 の10%の の 時 間 か らオ フ電 圧 が 下 が り始 め て90%に 時 か らオ フ 電圧 が10%に

な る まで の 時 間 を遅 れ 時 間td,そ

な る まで の 時 間 を立 上 り時 間tr,そ

とき の

の和 をター ンオ ン

時 間tgtと い う.   こ の 遅 れ 時 間 は,主 間 で あ り,立

と し て ゲ ー ト-カ ソ ー ド接 合 部 に 電 子 が 注 入 さ れ て い る 期

上 り時 間 は 主 と し て 注 入 に よ る 電 子,正

ャ リヤ が 増 加 し て い る 過 程 で あ る.ゲ 間 は 長 く な り,つ

ー ト電 流 を 小 さ く し て い く と タ ー ン オ ン 時

い に は タ ー ン オ ン し な く な る.ゲ

ー ンオ ン時 間 は あ る値 に落 ち 着 く

孔 の 雪 崩 現 象 が 起 こ り,キ

.図4・4に,4kV,3000 

ー ト電 流 を 増 や し て い く と タ Ａ 級 サ イ リス タ の ゲ

(ａ)ゲ ー ト ト リ ガ の 範 囲 図4・4 

ー ト トリガ 特 性 を 示 す   図(ａ)で,す

(ｂ)ゲ ー ト ト リ ガ に 関 す る 用 語

４kV,3000Ａ

サ イ リ ス タ の ゲ ー ト ト リガ 特 性

.

べ て の サ イ リ ス タ の ゲ ー ト イ ン ピ ー ダ ン ス は 直 線 Ａ,Ｂ

に 入 っ て お り,曲

の範 囲

線 Ｃ は 許 容 し う る ピ ー ク ゲ ー ト損 失 を 示 す.

  ゲ ー ト端 子 の電 圧 の 上 限 は ピー クゲ ー ト順 電 圧 で,電 流 の 上 限 は ピー ク ゲ ー ト 順 電 流 で規 定 さ れ て い る.ま た,ゲ ー ト接 合 部 の 逆 阻 止 電 圧 能 力 か ら,ピ ー ク ゲ ー ト逆 電 圧 が 規 定 さ れ て い る.斜 め の 直 線 は,ゲ ー ト回 路 の 推 奨 す る出 力 特 性 で あ る.ア

ミ点 部 分 は,所 定 の 温 度 範 囲 で す べ て の サ イ リス タが トリガ し得 る範 囲

を示 す が,低

温 時 に も確 実 に タ ー ンオ ン させ るた め に,線

範 囲 で ゲ ー トに な る べ く高 い トリガ電 圧,大

Ａ， Ｂ,Ｃ で 囲 まれ た

きい トリガ 用 パ ル ス電 流 を加 え る の

が よ い.   さ ら に,ゲ

ー ト ト リ ガ 特 性 に は,図(ｂ)の

よ う に,タ

大 ゲ ー ト電 圧 ・電 流 を 定 義 す る ゲ ー ト ト リ ガ 電 圧,ゲ

ー ンオ ン させ るた め の最 ー ト ト リガ 電 流,お

よ び所

定 の 条 件 で タ ー ン オ ン さ せ る こ とが で き な い 最 小 ゲ ー ト電 圧 ・電 流 を 定 義 す る ゲ ー ト非 ト リ ガ 電 圧

,ゲ

ー ト非 ト リ ガ 電 流 と い う用 語 が あ る.

  図4・5は ゲ ー ト回 路 の例 で,ト

ラ ン ジ ス タの オ ンで コ ン デ ンサ が 放 電 し,絶 縁

変 圧 器 を 介 して 二 次 側 に パ ル ス電 圧 が 誘 起 し,D1,Ｒ ト ト リガ 電 流 が 流 れ る.D2は

を通 っ て パ ル ス状 の ゲ ー

ゲ ー ト逆 電 圧 保 護 用 で,C2は

ノイズのバ イパ ス用

で あ る.変 圧 器 を直 流 偏 磁 しな い よ うに設 計 して お け ば,ト る まで の 期 間,広 電 流 は,軽   一 般 に,タ ほ ど,ま

ラ ンジ ス タ をオ フ す

幅 の ゲ ー ト ト リガ 電 流 を流 す こ とが で き る.広 幅 ゲ ー ト トリガ

負 荷 時 の オ ン電 流 の ラ ッチ ング に とっ て 有 利 で あ る. ー ン オ ン 遅 れ 時 間tdは

ゲ ー ト トリ ガ電 流 の ピー ク値 を大 き くす る

た そ の 立 上 り を 大 き く す る ほ ど 小 さ く な る が,タ

ー ン オ ン立 上 り時 間

trは ほ と ん ど変 わ ら な い.

(ｂ)ゲ ー トピー ク順 電 流 をパ ラ メー タに した と きの ター ン オン波 形

(ａ)ゲ ー ト回 路 の 例 図4・5 

(２)

ゲ ー ト回路 の 例 と タ ー ン オ ン 波 形

光 ト リガ サ イ リス タ(ト リガ 信 号 を電 気 か ら光 に 変 え た 転 流 タ ー ンオ フ

形 サ イ リ ス タ)    シ リ コ ン 原 子 の Ｍ 軌 道 の 電 子 は 弱 い 結 合 の た め 光 エ ネ ル ギ ー を 受 け て 電 離 す る の で,あ 外 光)をpB層

る 強 さ の 光(波 長0.8∼1.05μmに

ピー クのあ る近赤

に 照 射 す れ ば タ ー ン オ ン す る.6000Ｖ,2500Ａ

ト リガ パ ワ ー は パ ッ ケ ー ジ の 光 入 力 端 子 で 最 大 ８mWで

光 サ イ リス タ の 光 あ る.

  発 光 ダ イ オ ー ドと し て,発 光 波 長 が 近 赤 外光 で,か つ,発 光 出 力 が大 き く,長 期 信頼 性 の高 い もの を使 用 す る.光 入 力 端 子 で の光 が 強 い ほ ど タ ー ンオ ン遅 れ 時 間 は 短 くな り,あ

る値 に な る.確 実 に タ ー ンオ ン さ せ るた め,最 初 の光 を強 く し

そ の 後 は光 を弱 く して 所 要 の 通 電 幅 の 光 パ ル ス波 形 をPB層

に 加 え る.発 光 ダ イ

オ ー ドに は,発 光 ダ イ オ ー ドと光 フ ァイバ との 結 合 損 失 お よ び 光 フ ァイ バ の 伝 送 損 失 を考 慮 し,か つ,光 入 力 端 子 で 所 要 の光 の 強 さ と光 パ ル ス 波 形 とな る よ う な 電 流 を流 す.図4・6に,発

光 ダ イ オ ー ドと光 フ ァ イバ か ら な る光 トリガ シス テム

図4・6光

を示 す.光

トリガ シス テム

の 強 さ は,通 常 ホ トダ イ オ ー ドの 出 力 で測 定 す る.

この光 ト リガ シ ス テ ム は,従 来 の ゲ ー トパ ル ス変 圧 器 を用 い た 電 磁 ト リガ シ ス テ ム と比 較 して,絶 縁 設 計 が極 め て容 易 で,ノ

イ ズ の 影 響 を受 け に く く,か つ,

部 品点 数 を大 幅 に減 らす こ とが で き る.こ の た め,高 電 圧 大 電 流 変 換 装 置 に最 適 で あ り,装 置 を小 型 ・軽 量 に で き る大 き な利 点 が あ る. (３)

ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ(自 己 オ ン ・オ フ 機 能 を も っ た サ イ リ ス タ)

タ ー ン オ ン時 の 用 語,波

形,ゲ

ー ト特 性,ゲ

ー ト回 路 は,上

述 の(１)と

同 じで

あ る.ゲ

ー ト と 陰 極 の 対 か ら な る 小 さ な セ グ メ ン ト を １枚 の ウ エ ー ハ 上 に 多 数 形

成 し,そ

れ ら を 並 列 に 接 続 し て い る 構 造 の た め,通

常 の サ イ リス タ に比 べ て タ ー

ン オ ン 用 の ゲ ー ト ト リ ガ 電 流 は 少 し 大 き く な り,タ る.ま

た,保

持 電 流,ラ

ー ンオ ン時 間 も少 し長 くな

ッ チ ン グ 電 流 も 大 き く な る.

ゲ ー トタ ー ンオ フ させ る た め に は,デ バ イ ス 内部 に 蓄 積 さ れ た オ ン電 流 に相 応 す る量 の 蓄 積 キ ャ リヤ を で き る だ け早 くデ バ イ ス外 に 吸 い 出 さ な けれ ば な ら な い.こ の た め,タ ー ン オ フ 時 に は蓄 積 キ ャ リヤ に相 当 す る大 きな パ ル ス 電 流 を カ ソー ドか らゲ ー トに向 け て 流 し得 る パ ル ス電 流 源 を も った ゲ ー ト回路 が 必 要 で あ る. ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ で は,タ の ゲ ー ト電 流 が 異 な る た め,ゲ

ー ン オ ン 用 の ゲ ー ト電 流 と タ ー ン オ フ 用

ー ト回 路 に は 二 つ の 独 立 し た 電 源 が 必 要 と な る.

ピ ー ク ゲ ー ト タ ー ン オ フ 電 流2500Ａ

図4・7に,

図4・7大

電 流 ゲ ー ト タ ー ン オ フ サ イ リ ス タ用 ゲ ー ト回 路 の 例

ホ トカ プ ラ １ を通 っ た オ ン 信 号 に よ りQ1,Q2が ン オ ン 用 電 流 が 流 れ る.こ で 定 ま り,そ

級 用 の ゲ ー ト回 路 を 示 す.

の と き,タ

の 平 坦 部 の 電 流 はR5で

オ ン し,独

立 電 源 １か ら タ ー

ー ン オ ン用 ゲ ー ト電 流 の ピ ー ク 値 はC1,R6 定 ま る.

ホ トカ プ ラ ２を通 っ た オ フ信 号 に よ りQ3が

オ ン し,並 列 のQ4群

が 同時 にオ

ン して 独 立 電 源 ２に よ り充 電 され た コ ン デ ン サ が 瞬 時 に放 電 し,大 きな パ ル ス 電 流 とな って カ ソー ドか らゲ ー トに流 れ て,ゲ

ー トタ ー ンオ フサ イ リス タの 蓄 積 キ

ャ リヤ を一 気 に 外 に吸 い 出 す. ゲ ー トの 負 バ イ ア ス と して 独 立 電 源 ２の 電 圧 がR12とR7に ゲ ー ト-カ ソー ド間 に加 わ る.オ る た め,ゲ

よ っ て 分 圧 され て

ン お よ び オ フ用 ゲ ー ト電 流 の 立 上 りを大 き くす

ー ト回 路 を ゲ ー トタ ー ン オ フサ イ リス タ に で き るだ け接 近 させ て取 り

付 けて 配 線 の イ ン ダ ク タ ンス を小 さ くす る.ゲ ー トタ ー ンオ フ の失 敗 は デバ イ ス の破 壊 に つ な が るの で,ゲ ー ト回 路 に は信 頼 性 の 高 い部 品 を使 用 す る.

4

・

2

電力損失 と安全動作領域およびスナバ回路

パ ワ ー デ バ イ ス が オ ン,オ

フ の ス イ ッ チ 動 作 を す る 際,図4・8の

よ う に,(１)

(ａ)サ

イ リス タ

(ｂ)ゲ ー ト ター ン オ フ サ イ リ ス タ

図4・8  ス イ ッチ動 作 時 の 損失

タ ー ン オ ン す る 過 程,(２)オ で 電 力 損 失 を 発 生 し,熱

一般 に

ン 状 態,(３)タ

ー ン オ フ す る 過 程,(４)オ

と な っ て デ バ イ ス エ レ メ ン トの 温 度 を 高 め る.

,デ バ イ ス は温 度 が 過 度 に高 くな る と ほ とん どの 特 性 が 低 下 す る.こ の

た め,最 大 定 格 接 合 温 度 は トラ ン ジ ス タ で は150℃,サ 規 定 さ れ て い る.も

し,エ

イ リス タ で は125℃

使 用 す る と き は,そ (SOA;Safty 

・

・

っ て,パ

の 機 能 を 十 分 に 発 揮 さ せ る た め,下

Operation

と

レ メ ン トの局 部 に 電 流 が 集 中 す る と ホ ッ トス ポ ッ トが

生 じて接 合 が 破 壊 し,デ バ イ ス の 機 能 は 失 な わ れ る.従

4 2 1

フ状 態

ワーデバ イス を

記 の安全 動作領域

Area)の 特 性 表 を順 守 す る必 要 が あ る.

安全動作領域

トラ ン ジ ス タ の場 合,エ

レメ ン ト内部 の 接合 の 欠 陥,層

の 横 方 向 の温 度 分 布 の

不 均 一 な どに よ り,局 部 的 に電 流 が 集 中 し て熱 暴 走 し,そ れ が 原 因 で二 次 降 伏 現 象 を起 こ して デ バ イ ス は破 壊 す る.コ ク タ-エ ミ ッ タ 間 電 圧VCEと 流Icの

関 係 で,VCEを

レ

コ レ ク タ電

大 き くす る と,

図4・9の よ うに 二 次 降 伏 現 象 を起 こす. こ の よ うな現 象 を起 こ さ な い電 圧 ・電 流 の範 囲 で トラ ン ジ ス タ を動 作 させ な け れ ば な らな い.動 作 さ せ る に あ た っ て放 熱 設 計 と と も に,べ ー ス(あ る い は ゲ ー ト)の 「 順 バ イ ア ス 安 全 動 作 領 域 」,「逆

図4・9  二次 降 伏 現 象

バ イ ア ス安 全 動 作 領 域 」 お よ び 「短 絡 安 全 動 作 領 域 」 を 考慮 す る必 要 が あ る. (１)

通 常 の トラ ン ジ ス タ

(ａ)

順 バイアス安全動 作領域

べ ー ス に順 電 圧 を加 えた 状 態 で の 順 バ イ ア ス

安 全 動 作 領 域 の例 を図4・10に 示 す.順

図4・10

バ イ ア ス の場 合,(１)コ

順バ イア ス安 全 動作 領 域 の例 斜 め の線 は 電 力損 失 と 接合 部 温 度 で決 ま る上 限

(

)

レ ク タ電 流 の 上

限 値,(２)VCEo(sus)電

圧 上 限 値,(３)

最 高 接 合 温 度 か ら許 容 され る電 力 損 失 の 上 限,(４)二

次 降 伏 で 決 ま る二 次 降 伏

電 圧 ・電 流 曲線

に よ って トラ ン ジ ス タ

の 動 作 範 囲 が 決 ま る,順 合,接

バ イ ア ス の場

合 部 の 温 度 上 昇 が 支 配 的 な制 限 要

素 の た め,ト

ランジスタの特性 デー タに

接 合 部 温 度Tc=25゜Cに 形,特

お け る電 流 波

にパ ル ス 幅 をパ ラ メ ー タ と して 同

図 の よ うに安 全動 作 範 囲 が示 され て い る. 従 っ て,冷 却 条 件 を考 慮 して,接 合 部

図4・11デ

ィ レー テ ン グの 例

温 度 が 最 大 定 格 を超 え な い よ う に電 流 値 を デ ィ レー テ ン グ し な け れ ば な らず,接 合 部 動 作 温 度 が 高 くな る ほ ど安 全 動 作 領 域 は狭 くな る.図4・11に,デ (ｂ)

ィ レー テ ン グ した 安 全 動 作 領 域 の例 を示 す.

逆 バ イアス安全動作領域

通 常,ト

ラ ン ジ ス タ の べ ー ス に負 の電 圧 を加

えて コ レ ク タ電 流 をオ フ しよ う と し て もイ ンバ ー タ や チ ョ ッパ 回 路 の イ ンダ ク タ ンス の た め 電 流 は 流 れ 続 け る.べ ー スが 負バ イ ア ス され て い るの で,に の電 流 は べ ー ス か ら遠 い エ ミッ タ の 中央 に 集 中 し,こ の 部 分 で デバ イ ス が 破 壊 す る場 合 が 多 い.こ

の場 合 の安 全 動 作 領 域 は,接 合 温 度 で は な く,逆 バ イ ア スの 増 加,イ

ン

ダ ク タ ン ス の 増 加 と と も に狭 くな る傾 向 に あ る.べ ー ス に逆 電 圧 を加 え た状 態 で の逆 バ イ ア ス安 全 動 作 領 域 の 例 を図4・12に 示 す. (ｃ)

短絡安 全動作領域

変換 装置が故障 あ るいは短 絡 な どの事故時 の際,短

時 間 に大 き な電 流 を流 して も耐 え られ る破 壊 限 界 が あ る.図4・13に,短 動 作 領 域 の試 験 回 路 と破 壊 に至 る まで の 時 間 を示 す.こ

絡安 全

の 条 件 で は,デ バ イ ス の

電 力 損 失 は極 め て 大 き く,コ レ ク タ-エ ミ ッ タ問 の電 圧 が あ る値 を超 え る と(図 で は600Ｖ)急

激 に限 界 耐 量 が 低 下 し,短 時 間 の通 電 損 失 で 破 壊 す る.変 換 装 置 の

事 故 電 流 が 短 絡 安 全 動 作 領 域 内で あ り,か つ,制 御 回 路 に 事 故 電 流検 出 ・遮 断 機

図4・12逆

バ イア ス安 全動 作 領域 の 例

図4・13  短絡 安 全動 作 領域 の 試験 回路 と破 壊 に 至 る まで の時 間

能 が つ い て い れ ば,デ バ イ ス は 破 壊 す る こ とな く運 転 を継 続 で き る.

( ２ ) MOSFET (ａ )

順 バ イ ア ス 安 全 動 作 領 域   MOSFETは

構 造 的 に電 流 集 中 が な い の で,

バ イ ポ ー ラ トラ ン ジス タ の よ うな 二 次 降 伏 現 象 は な く,デ バ イ ス の 熱 抵 抗 で制 限 され る 等 電 力 線 で,電 流 の幅 を パ ラ メ ー タ と して 図4・14の よ う に表 され る.

図4・14MOSFETの

順 バ イア ス安 全 動 作領 域 の例

(斜め の 線 は,電 力 損失 で決 まる上 限)

(ｂ)

逆バ イアス安全動作領域

MOSFETは,多

的 に キ ャ リ ヤ 蓄 積 効 果 が な い た め,ゲ

数 キ ャ リヤ デ バ イ ス で 本 質

ー ト-ソ ー ス 間 の 逆 バ イ ア ス を 大 き くす る

こ と に よ っ て バ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ の よ う に 逆 バ イ ア ス 安 全 動 作 範 囲 が 狭 く な る こ と は な い.図4・15に,逆

バ イ ア ス 安 全 動 作 領 域 の 比 較 を 示 す.

(３)

IGBT

(ａ)

順 バイ アス安全 動作領域

IGBTに

た め,安 全 動 作 領 域 を理 解 し,IGBT回 例 と し て1500Ｖ,40Ａ

IGBTの

も二 次 降 伏 と同様 の 現 象 が 見 られ る

路 を適 切 に 設 計 す る必 要 が あ る. 順 バ イ ア ス 安 全 動 作 領 域 を 図4・16に

示 す.

接 合 部 の 温 度 上 昇 と と も に領 域 を低 減 しな けれ ば な らな い. (ｂ)

逆バ イアス安全動作 領域

IGBTで

た場 合 は大 きな 電 力 損 失 が発 生 す るが,バ

は逆 バ イ ア ス に よ り大 電 流 をオ フ し イ ポ ー ラ トラ ン ジス タ の よ う に す ぐ に

図4・15MOSFETの

図4・16  IGBTの

破 壊 す る ので はな く,MOSFETの

逆 バ イ ア ス安 全動 作 領域 の例

順 バ イア ス安 全 動 作 領域 の 例

アバ ラ ン シ ェ降 伏 と同 じ よ う に あ るエ ネ ル ギ

一 量 を 自 己 ク ラ ン プ す る能 力 を も っ て い る.逆 バ イ ア ス 安 全 動 作 領 域 の 保 証 値 は この ク ラ ン プ 電圧 以 下 と し て い る.図4・17に,1500Ｖ,40Ａ

IGBTの

逆バ イ

ア ス 安 全 動 作 領 域 を示 す.

図4・17IGBTの

(ｃ)短

絡安全動 作領域

逆 バ イ ア ス安 全 動作 領 域 の例

バ イ ポ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ で は コ レ ク タ-エ

電 圧 が あ る限 度 を超 え る と急 激 に破 壊 に至 るが,IGBTで ー 定 の 限 界 耐 量 を示 す

ミ ッタ 間

は電 圧 が 高 くて も電 力

.パ ル ス 幅 を広 げ る と動 作 領 域 が 広 が るの で,過

電流 を高

速 で 検 出 して ゲ ー ト遮 断 す れ ば 破 壊 か ら保 護 で き る. 図4・18に,IGBTの (４)ゲ

特 性 と バ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ との 比 較 の 例 を 示 す.

ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ

ゲ ー トタ ー ンオ フ過 程 の 終 期 に は カ ソ

ー ドセ グ メ ン トの 局 部 に オ ン電 流 が 集 中 す る.こ の と き,オ フ 電 圧 が 急 激 に立 ち 上 が る と,微 小 部 分 に 電 力 損 失 が 発 生 して ホ ッ トス ポ ッ ト とな り,そ れ が あ る 限 度 を超 え る と デバ イ ス は 破 壊 す る.こ の現 象 は負 の ゲ ー ト電 流 が 不 十 分 で ゲ ー ト ター ン オ フ失 敗 し た と き に も起 こ る.   ゲ ー トタ ー ン オ フ 時 の 電 力 損 失 を 低 減 す る た め,図4・19の 抵 抗,ダ

よ う な コ ン デ ン サ,

イ オ ー ドか ら な る ス ナ バ 回 路 を 接 続 し て オ フ 電 圧 の 立 上 り を で き る だ け

低 く抑 え る.

図4・18IGBTの

短 絡安 全 動 作領 域 の例

(ａ)ス

(ｂ)タ ー ン オフ 波 形 とスナ バ電 流

ナ バ 回路

(ｃ)ゲ

ー トタ ー ンオ フ サ イ リス タのSOAと

図4・19  ス ナバ 回 路 と安 全動 作 領 域

動 作 曲線

  コ ン デ ンサ を 大 き くす る ほ ど電 圧 の 立 ち 上 が りは 低 くな る が,ス

ナバ 回路 の

充 ・放 電 に よ る電 力 損 失 は大 き くな る.ま た,動 作 周 波 数 が 高 くな る ほ どデ バ イ ス の ター ン オ ン損,タ

ー ン オ フ損 お よ び ス ナバ 回路 の 電 力 損 失 は増 加 す る.ス ナ

バ 回 路 と安 全 動 作 領 域 は 密 接 な 関係 が あ り,回 路 定 数 は動 作 周 波 数 に対 す る安 全 動作 領 域 に入 る よ う に選 定 す る.

4 ・2・ 2

スナバ回路

  パ ワー デ バ イ ス の オ ン ・オ フ動 作 は 過 渡 現 象 で あ る た め,デ 用 変 圧 器,配

バ イ ス側 か ら電 源

電 系 統 を見 た 回 路 の イ ン ダ ク タ ン ス お よ び ス トレー キ ャパ シ タ ン ス

に よ っ て 立 上 りの大 き い振 動 性 の 過 電 圧,過

電 流 を発 生 す る.こ の 過 電 圧,過

電

流 は デバ イ ス の ス イ ッチ ン グ 損 失 を増 大 させ,そ れ らが 定 格 値 を超 え る とデ バ イ スの 特 性 は 劣 化 し,破 壊 す る場 合 が あ る.こ れ ら過 渡 現 象 か らデバ イ ス を保 護 す るた め,陽 極 に イ ン ダ ク タ ンス を接 続 して タ ー ンオ ン時 の オ ン電 流 上 昇 率 と電 力 損 失 を抑 え,ま た デバ イ ス に並 列 にス ナバ 回路 を接 続 して蓄 積 キ ャ リヤ 消 滅 後 の 振 動 性 逆 方 向過 電 圧 の抑 制 と,オ フ電 圧 上 昇 率 お よ び電 力 損 失 を抑 え る.ス ナ バ 回 路 に よ っ て デ バ イ ス の 安 全 動 作 領 域 内 で動 作 す る よ う に す る.そ

の 例 を図4・

20に 示 す.

(ａ)通 常 の サ イ リ ス タ (ｂ)ゲ 図4・20ス

ナ バ 回 路 と波 形

ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ

  ス ナ バ 回路 の抵 抗Rsお

よ び コ ン デ ンサCsは

無誘 導構 造で イ ンダ ク タ ンスが

で き るだ け小 さい もの を使 用 す る.ダ イ オ ー ドDsは,抵

抗 を短 絡 し て オ フ電 圧

上 昇 率 を 抑 え る.同 図 の 回路 は,す べ て の パ ワー デ バ イ ス に必 要 で あ る.   タ ー ン オ ン時 に,定 格 オ ン電 流 上 昇 率di/dtを 得 る た め の イ ン ダ ク タ ン スLa は,タ ー ンオ ン直 前 の 電 源 電 圧V1,負

荷 抵 抗 をR〓 と して,近 似 的 に (4・1)

  タ ー ン オ フ 直 後 の オ フ電 圧 をV3,コ

ン デ ンサ の 容 量 をCsと

す れ ば,定 格 オ

フ電 圧 上 昇 率dν/dtを 満 足 す るCsは, (4・2)

と な る.通

常Csは0.1∼0.3μF程

さ く な る.抵 と し て,次

抗Rsは10∼30Ω

度 で,で 程 度 で,抵

きる だ け小 さ い ほ う が電 力 損 失 は 小 抗 の 電 力 損 失 ｐ は,動

作 周 波数 を ｆ

式 と な る.

(4・3)

電 源 転 流 直 後 の オ フ電 圧V1の

電 圧 上 昇 率(dν/dt)cは,近

似 的 に次 式 と な る ．

ゲ ー ト タ ー ン オ フ サ イ リ ス タ 用 ス ナ バ 回 路 で は,

①

コ ン デ ンサCsに

は,タ ー ン オ フ時 に オ ン電 流 と同 じ ピ ー ク値 の パ ル ス電

流 が 流 れ る の で,内 部 イ ン ダ ク タ ン スが 極 め て小 さ く,か つ,パ

ルス電流 に

耐 え られ る構 造 の もの を使 用 す る. ②

抵 抗Rsが

大 き い と ゲ ー ト タ ー ン オ フ 時 のVDSPが

フ 損 失 が 増 加 す る.Rsが な り,タ

③

大 き く な り,タ

小 さ い と タ ー ン オ ン 時 にCsの

ー ンオ

放 電 電 流が 大 き く

ー ン オ ン 損 失 が 増 加 す る.

ダ イ オ ー ドDsは パ ル ス 電 流 耐 量 が 大 き く,逆 回復 時 間 が 小 さ い 高 速 形 を 使 用 す る.

２個 直 列 のMOSFETあ

る い はIGBTで

は,図4・21の

回 路 の 例 が あ る.

(ａ)

(ｂ) 図4・21 

(ｃ)

4・2・3

パ ワ-デ

  (１)パ 損,オ

IGBTの

バ イ ス の パ ッ ケ-ジ

ッケ ー ジ と熱 抵 抗

ン損,タ

２個 直 列 の ス ナ バ 回 路 の 例

と放 熱

  デバ イ ス が オ ン ・オ フ動 作 す る と,タ ー ンオ ン

ー ンオ フ損 が 発 生 し て,接 合部(エ レ メ ン ト)の 温 度 が 上 昇 す る.

エ レ メ ン トの 発 熱 は パ ッ ケ ー ジ を通 っ て取 り付 け られ た 放 熱 フ ィ ン を経 て外 気 に 放 散 され,冷

却 さ れ る.熱 の 流 れ は電 気 の分 布 抵 抗 回路 と 同 じ よ う に扱 う こ とが

で き る.デ バ イ ス が安 定 運 転 状 態 の と き の接 合 部 か ら外 気 ま で の 温 度 勾 配 に対 応 す る抵 抗 を熱 抵 抗Zthと

い う.

 負 荷 電 流 が 時 間 的 に変 化 す る とき は,熱 抵 抗 の ほ か 各 部 分 の 熱 容 量(コ ン デ ン サ に相 当)か らな る分 布RC回

路 で 扱 え る.負 荷 が 急 変 時 の 熱 的 過 渡 応 答 を過 渡

熱 イ ン ピ ー ダ ン スZth(ｔ)と い い,こ

れ の 長 時 間 後 の 飽 和 値 が 熱 抵 抗 と な る.

定 常 動 作 時 の デ バ イ ス の 最 大 定 格 接 合 温 度 が 規 定(例 え ば,整 流 ダ イ オ-ド は150℃,ト の 定 格 電 圧,電

ラ ン ジス タ,通 常 の サ イ リス タで は125℃)さ

で

れ て い る.デ バ イ ス

流 の 大 き さ に よ っ て種 々 の パ ッケ ー ジが 採 用 され て お り,そ の外

形 の例 を 図4・22に 示 す.

(ａ)樹 脂 モ ー ル ド形

(ｂ)ス 図4・22 

図(ａ)で は,エ

タ ッ ド形

(ｃ)平 形(最 新 の パ ッ ケ ー ジ)

デ バ イ ス の パ ッ ケ ー ジ の 外 形 の 例(外

形 は 同 じ 寸 法 で は な い)

レ メ ン トの 陽 極 を冷 却 兼 取 付 け用 の 金 属 板 に 接 着 し,陰 極 とゲ

ー トの ア ル ミ線 は そ れ ぞ れ の 金 属 端 子 に超 音 波 で ボ ンデ ン グ す る

.そ の 後,全 体

を絶 縁 性 の 樹 脂 で モ ー ル ドす る. 図(ｂ)は,シ

リ コ ン に近 い 熱膨 張 係 数 を も った タ ング ス テ ン あ る い は モ リブ デ

ン の 円板 に合 金 層 を介 して エ レ メ ン トの 陽 極 側 を 接 着 し,機 械 的 に補 強 す る.モ リブ デ ン板 は ネ ジ付 きの 銅 ス タ ッ ドに 合 金 接 着 す る.陰 極 は 可 と う性 の 銅 の 編 線 を合 金 接 着 し,機 械 的 ひ ず み を吸 収 す る.こ の構 造 で は,合 金 層 と金 属 材 料 を 通 過 して熱 が 流 れ るの で 熱 抵 抗 を極 度 に 小 さ くで きず,300Ａ 合-パ ッ ケ ー ジ間 の熱 抵 抗 は0.10℃/W程

級 サ イ リス タ で は 接

度 で あ る.こ の構 造 を ス タ ッ ト形 とい

う.   図(ｃ)は,平 直 径 は100mm程

形 と い い,400Ａ

級 以 上 の デ バ イ ス に 用 い ら れ る.エ

度 ま で,図(ｂ)と

レ メ ン トの

同 様 に 金 属 円 板 を 合 金 接 着 さ せ て 補 強 す る.

  この金 属 円板 の 板 厚 は,直 径 の 増 加 と と もに 大 き くす る.広 トか ら電 流 と熱 を取 り出 す た め,銅

い面 積 で エ レ メ ン

ポ ス トの直 径 を大 き く し,か つ,銅

ポ ス トと

エ レ メ ン トを 強 い 力 で 加 圧 接 触 させ る.直 径 が 大 き くな る に伴 い,通 電 に よ りエ レ メ ン トに熱 変 歪 が 生 じる の で,最 近 の 大 電 流 ゲ ー トタ ー ンオ フサ イ リ ス タ で は 薄 い 熱緩 衝 円板 を挟 んで 銅 ポ ス トを加 圧 接 触 さ せ,多 数 の微 細 な陰 極 セ グ メ ン ト を並 列 に接 続 させ て 大 電 流 と熱 を 取 り出 して い る.こ の 構 造 で は,接 合-冷 却 フ ィ ン間 の 熱 抵 抗 は0.01℃/W程 (２)

度 で,図(ｂ)よ

過 渡 熱 イ ン ピー ダ ン ス,熱 抵 抗

の等 価 回 路 と3000Ａ

り １桁 程 度 小 さい. 図4・23に,過

渡熱 イ ンピー ダ ンス

級 サ イ リス タ に 直 流 電 流 を流 した と き の過 渡 熱 イ ン ピ ー ダ

ンス と熱 抵 抗 の例 を示 す.

(ａ)等 価 回 路

(ｂ)過 渡 熱 イ ン ピー ダ ン ス (接合 部 温度-外 気 温度 間) 図4・23過

渡 熱 イ ン ピー ダ ン ス

  時 間 的 に 変 動 す る電 流 に対 す る接 合 部 温 度 を 求 め る に は,図4・24の

よ う に,

パ ル ス状 の 電 力 発 生 パ タ ー ン を想 定 し,オ フ状 態 の と きは 負 の 電 力 発 生 パ ター ン を重 ね て接 合 部 温 度 の時 間 的 変 化 を推 定 す る.

(ａ)パ ル ス 電 力 波 形

(ｂ)ス テ ップ波 形 の重 ね 合 わせ

(ｃ)接 合 温 度 図4・24  パ ル ス電 力 に対 す る接 合 部 の 温度 上 昇

 4・2・4 モ ジ ュ ー ル   (１)モ

ジ ュー ル の 構 造 と特 長     前 項 で は,一 つ の エ レ メ ン トを一 つ の パ ッ

ケ ー ジ に入 れ た デバ イ ス の 構 造 を説 明 した.1970年

代 後 半,複

数 のエ レメ ン ト

を一 つ のパ ッケ ー ジ に 入 れ た モ ジ ュー ル構 造 が 考 案 さ れ,現 在 で は小 ∼ 中 容 量 の 電 力 変 換 に必 要 な デ バ イ ス と回 路 を 封 入 し た モ ジ ュ ー ル が 多 種 類 市 販 され て い る.モ

ジ ュ ー ル に 入 っ て い る デ バ イ ス の 種 類 は ト ラ ン ジ ス タ,MOSFET,

(ａ)内 部 構 造 の例

(ｂ)内 蔵 され る回路 の例 図4・25モ

ジュー ルの 例

IGBT,一

般 用 サ イ リス タ,ゲ ー トタ ー ン オ フサ イ リス タ,整 流 ダ イ オ ー ドで,

これ ら を組 み 合 わ せ 若 干 の 電 子 部 品 も加 え て 変 換 回 路 に 必 要 な ユ ニ ッ トを構 成 し て い る.図4・25に

モ ジ ュー ル の 構 造 とそ の 内 部 の 変 換 回 路 の例 を示 す.

  モ ジ ュー ル の特 長 は,  ①

換 言 す れ ば 「集 積 化 され たパ ワー ユ ニ ッ ト」 で,変 換 電 力,動

作 周波数 に

応 じた モ ジ ュ ー ル を広 い 種 類 か ら選 択 で き る.  ②

デ バ イ ス相 互 の 絶 縁 はモ ジ ュ ー ル 内 部 で 取 られ て い る.絶 縁 性 が よ く,か つ,熱 伝 導 の よい 窒 化 ア ル ミニ ウ ム(AIN)の

セ ラ ミ ック 基 板 の 片 面 に デ バ イ

ス エ レ メ ン トを接 着 し,そ の片 面 に冷 却 用 の 金 属 板 を接 着 して い る.  ③

陽極,陰

極,コ

レ ク タ,エ

ミ ッ タ,ゲ ー ト,ベ ー ス の 電 極 端 子 は す べ て モ

ジ ュ ー ル の 上 面 に 配 置 され て い る の で 配 線 が容 易 で あ る.   モ ジ ュー ル の下 面 の金 属 板 を 冷 却 フ ィン に取 り付 け る こ とに よ っ て 多 数 の デバ イ ス を一 括 して 冷 却 で き る.こ の た め変 換 回 路 の取 付 け ・配 線 作 業 が 極 め て容 易 で あ る.  ④

モ ジ ュー ル の直 列 接 続 は 困 難 で あ るが,並 列 接続 は容 易 な た め比 較 的 大 電 流 の電 力 変 換 装 置 をモ ジ ュー ル で構 成 で き る.

  (２)窒

化 ア ル ミニ ウ ム 基 板(AIN基

板) 

無機 質 で安定 的 か つ優 れ た電 子

用 絶 縁 材 料 と して 酸 化 物 セ ラ ミ ッ ク ス が あ る.特

に,酸 化 ア ル ミニ ウ ム(Al2O3)

基 板 は金 属 との 接 着 性 が よ く安 価 の た め 広 く使 わ れ て い る.各 種 セ ラ ミ ッ ク ス の 熱 伝 導 率 を 表4・1に 示 す.   ベ リ リア(BeO)基 は有 毒 性,SiCは

板 と炭 化 け い 素(SiC)基 板 は優 れ た熱 伝 導 性 を 示 す が, BeO

絶 縁 性,誘

電 率 に 難 点 が あ る. AlN基

板 は, Al2O3基

板 よ りも

優 れ た 熱 伝 導率 を示 す が,デ バ イ ス エ レ メ ン ト相 互 を接 続 す る銅 回 路 との 接 着 性 に以 前 は難 点 が あ った.最 る こ とに よ っ てAlN基

近 の 技 術 開 発 に よ り,酸 素 含 有 雰 囲 気 中 で 加 熱 処 理 す

板 の表 面 に1∼3μm程

度 の 厚 さのAl2O3層

を形 成 す る と

銅 との 接 着 性 が十 分 に得 られ る こ とが わ か っ た.   図4・26にAlN基 AlN基

板 に デ バ イ ス を 実 装 し,ボ

ン デ ン グ した 例 を示 す.ま

た,

板 は シ リ コ ン に 近 い 熱 膨 張 係 数 を 示 す の も利 点 で あ る.最 近 で は,17

表4・1熱

伝 導 率 の比 較

*純 度 に依 存

複 数 の デ バ イ スエ レ メ ン トをマ ウ ン ト し, ワ イヤ ボ ン デ ン グ したAIN基 板 図4・26AIN基

kV/mm程

度 の 絶 縁 性,190 

係 数4.5×10-6/℃   AlN基

板 は,シ

多 層 の 金 属 層,合

W/mKの

の モ ジ ュ ー ル 用AlN基

板 の例

熱 伝 導 率,誘

電 率8.8(1  MHz),熱

膨 張

板 が 広 く使 わ れ て い る.

リ コ ン の 熱 膨 張 係 数 に 近 い た め,従

来 のAl2O3基

板 の よ うに

金 層 を 介 し て 接 着 す る 必 要 が な い.こ

の た め,デ

バ イスエ レメ

ン トか ら ヒ ー ト シ ン ク ま で の 熱 抵 抗 を 小 さ く で き,接 る の が 大 き な 利 点 で あ る.

合 温 度 を下 げ る こ とが で き

3

4 ・

各種 パ ワー デバ イスの特性 比較 と適用分 野

4・3・1特

性 比較

  第 ３章 以 降 で各 種 パ ワー デバ イ ス の 動 作 原 理,特 性,駆 事 項 な ど を解 説 した.ま

動 方 法,使

用 上 の注 意

とめ と して,現 在 の 自己 オ ン ・オ フ機 能 を も った パ ワ ー

デ バ イ ス の 特 性 を比 較 す る と表4・2の よ う に な る.

表4・2

各 種 デバ イ ス転 流形 パ ワー デ バ イ スの 特性 比 較

  パ ワ ー デ バ イ ス の 動 向 と し て,そ ー トター ンオ フ サ イ リス タ

,IGBT, 

の 大 き な 特 長 を も つ 光 ト リ ガ サ イ リ ス タ,ゲ MOSFETの

特 性 改 善 が 進 み,今

後 のパ ワ

ー エ レ ク トロニ ク ス の 主 役 とな ろ う

4 3 2 ・

・

.

適用分野

  電 力 変 換 側 か らパ ワ ー デ バ イ ス を比 較 す る と き,ス イ ッ チ 可 能 な 電 力(陽 極 電 圧 とオ ン電 流 ま た は 可 制 御 オ ン電 流 との積)を 縦 軸 に,ス イ ッ チ 動 作 周 波 数 を横 軸 と し て整 理 す る と,そ れ ぞれ の デ バ イ ス の 特 徴 お よび 適 用 範 囲 が 明 快 に な る.

図4・27パ

図4・29に,代

ワー デ バ イ スの 適 用 範囲

表 的 パ ワ ー デ バ イ ス の 適 用 範 囲 を 示 す.こ

の 図 か ら,

①

通 常 の サ イ リス タ は,商 用 周 波 の 中容 量 ∼ 大 容 量 の 電 力 変 換 に,

②

ゲ ー トタ ー ン オ フサ イ リス タ は,１kHz程

③

バ イ ポ ー ラ パ ワ ー ト ラ ン ジ ス タ は,数kHz程

度 ま で の 中容 量 の 電 力 変 換 に, 度 ま で の 小 ∼ 中 容 量 の電 力

変 換 に, ④IGBTは,数kHz∼ ⑤MOSFETは,数10kHz∼1  適 して い る こ と が 分 か る.

数10kHz前

後 で 小 容 量 ∼ 中容 量 の 電 力 変 換 に, MHz程

度 まで の 小 容 量 の 電 力 変 換 に,

  今 後 の パ ワー デ バ イ ス の 技 術 開 発 の 動 向 は,「 よ り高 い 動 作 周 波 数 で よ り大 き い 電 力 の オ ン ・オ フ を よ り低 い 電 力 損 失 で,か

つ使 い や す い デ バ イ ス」 に 要 約 さ

れ る.

演

習

問 題

〔４〕

〔 問 題 〕 １.ゲ

ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ に と っ て何 故 ス ナ バ 回 路 が 必 要 か 説 明 せ よ.

〔 問 題 〕 ２.モ

ジ ュ ー ル の 特 長 は何 か?

〔 問 題 〕 ３.各 種 自 己 オ ン ・オ フ 機 能 を も っ た デ バ イ ス の 特 性 を 比 較 せ よ.

第 ５章

電力変換回路

  電 気 エ ネル ギ ー を あ る 目的 の た め に交 換 す る場 合,第

３章,第

４章 で 述 べ た デ

バ イ ス と と も に 目 的 に適 した 回 路 と組 み 合 わ せ て 電 力 変 換 を 行 う.「 電 源 側 」 に は,商 用 周 波 の送 配 電 お よび 動 力 用 の 「交 流 」 と,そ れ を整 流 した 「直 流 」 お よ び 各 種 電 池 が あ る.一 方,「 負 荷 が 要 求 す る電 力 」 に は,例 び交 流電 動機 駆 動 用 の 「交 流 」 と,直 流 電 動 機,電 る.こ れ らの 組 み合 わ せ は,表5・1の

表5・1電

えば無停 電電 源 お よ

気 化 学 用 な どの 「直 流 」 が あ

よ う に な る.

力 変換 の 組合 せ

  本 章 で は,同 表 の 四 つ の 部 分 につ い て 回路 の 動 作 と特 徴 を解 説 す る が,回 路 の 選 択 に あ た っ て は,次 の 点 が 条 件 に な る. ①

使 用 す るデ バ イ ス の 機 能 と特 性 が 発 揮 で き る こ と.

②

回 路 の電 力 変 換 効 率 が 高 い こ と.

③

デバ イ ス の使 用 個 数 が 少 な い こ と.

④

波 形 の高 調 波 成 分 が 小 さ い こ と.

5

・

交流-直流電力変換回路

1

 代 表 的 な単 相 お よび 三 相 の 順 変 換 回 路 に つ い て 解 説 す る.使 用 す る デ バ イ ス は,ダ イ オ ー ド と通 常 の サ イ リス タ(オ

単相交流電源

5・1・1

(１)

ン機 能 の み)と す る.

単 相半波回路

通 常 の サ イ リ ス タ を使 用 す る場 合,電

源電圧 の ゼロ点

か らの ゲ ー ト トリガ の位 相(制 御 遅 れ 角 α と い う)を 大 き くす る こ と に よ っ て 直 流 電 圧 を最 大 値 か らゼ ロ ま で制 御 す る こ とが で き る.ダ イオ ー ドの 場 合 の 直 流 電 圧 お よび 波 形 は α=0と 同 じ で あ る.電 源 の イ ンダ ク タ ン ス を 無 視 し,交 流 電 圧 (実効 値)を

Ｖ とす れ ば,制 御 角 が0° の と き の直 流 電 圧(平 均 値)Vdは,抵

抗負

荷 の と き, (5・1)

と な る.こ

の0.225は,こ

α=0° の と き のVdをVd0と

の 回 路 の 交-直 電 圧 変 換 係 数 で あ る. す れ ば,最

大 値 はVd0=0.45Vと

な る.

直 流 側 に イ ンダ ク タ ン ス が あ る誘 導 負 荷 の と き, (5・2)

  こ こ で,θ1は tan-1(X/R)と

電 流 の 継 続 時 間 で,負 す る と,次

荷 の リ ア ク タ ン ス を Ｘ,抵

抗 を Ｒ,φ=

の 関 係 が あ る. (5・3)

  コ ン デ ン サ 負 荷 の と き は,コ が,コ

ン デ ン サ Ｃ の 端 子 電 圧(最 大 値)は √2Ｖ とな る

ン デ ン サ に 並 列 に抵 抗 Ｒ が あ れ ば,端

電 の正 の 半 波 ま で 減 衰 す る.図5・1に,負

子 電 圧 はCRの

荷 とそ の 波 形,制

時 定 数 で,次

の充

御 角 α と電 圧 制 御

特 性 を示 す. この 回 路 は,単 相 交 流 電 源 か ら直 流 を得 る の にた だ １個 の デ バ イ ス(整 流 ダ イ

(ａ)回

路

(ｂ)波 形

(ｃ)特 性

図5・1単

相 半波 回 路

オ ー ドまた は サ イ リス タ)で す む利 点 は あ るが,負 荷 の種 類(抵

抗 負 荷,誘

荷,コ

電期 間 が変化 す

ン デ ン サ 負 荷)に

る.特 に,コ

よ っ て デ バ イ ス に 加 わ る 電 圧 波 形,通

導負

ン デ ン サ 負 荷 で は,変 圧 器 直 流 巻 線 電 圧 Ｖ の 最 大 値 の ２倍 が デ バ

イ ス の 逆 電 圧 と して 加 わ る の で,デ バ イ ス の 選 択 に注 意 が 必 要 で あ る.ま た,変 圧 器 直 流 巻 線 に は直 流 電 流 が 流 れ るの で,鉄

心 の 偏 磁 に 注 意 す る必 要 が あ る.こ

(ａ)回 路

(ｂ)波

形

(ｃ)特 性 図5・2 

単相 セ ン タ タ ップ回路

の 回 路 は,ダ   (２)単

イ オ ー ドを用 い た比 較 的 小 容 量 の 高 電 圧 電 源 に採 用 され て い る.

相 セ ン タ タ ップ 回 路

変 圧 器 の 二 次 側 直 流 巻 線 に 中 点 タ ッ プ を付

け,そ れ と ２個 の サ イ リス タ の共 通 陰 極 の間 を員 荷 で結 ぶ. 制 御 角 α と直 流 電 圧 の 関 係 は,抵 抗 負 荷 の と き, (5・4) α=180゜

でVd=0と

な る.

誘 導 負 荷 の と き, Vd=0.90Vcosα α=90゜

でVd=0と

(5・5) な る.

こ の0.90は,こ

の 回 路 の 交-直 電 圧 変 換 係 数 で あ る.図5・2に,回

路,波

形,

制御 特 性 を示 す.  直 流 リア ク トル が 大 きい と き,サ イ リス タ に流 れ る電 流 の 通 電 期 間 は180゜ で, そ の 最 大 値 はIdと な る.変 圧 器 の 交 流 巻 線 と直 流 巻 線 の 中 性 点-端 子 間 の巻 線 比 が １の とき,交 流 線 路 電 流(実 効 値)Iaは 次 式 に な り,交-直

電 流 変 換 係 数 は １で

あ る. Ia=1・Id

(5・6)

変 圧 器 の 容 量Pacは,α=0゜

の と き,

Pac=1.11VdId と な り,交-直

(5・7)

電 力 変 換 係 数 は1.11と

な る.

この 回 路 で は,変 圧 器 の巻 線 に交 流 電 流 が 流 れ るの で 偏 磁 す る こ と は な い. (３)単

相 均-ブ

な り 角u=0゜)考

リ ッ ジ(全 波)回 路

電 源 の イ ン ダ ク タ ンス を無 視 して(重

え る.

直 流 電 圧(平 均 値)Vdは,抵

抗 負 荷 の と き, (5・8)

α=180゜

でVd=0と

な る.

誘 導 負 荷 の と き,次 式 に な る.

Vd= α=90゜

でVd=0と

こ の0.90は,こ

2√2/πVcosα=0

.90Vcosα

(5・9)

な る.

の 回 路 の 交-直 電 圧 変 換 係 数 で あ る.

  サ イ リス タ に 流 れ る電 流 は(２)と 同 じで あ る か ら,交 流 線 路 電 流 の 交-直 電 流 変 換 係 数 お よ び 変 圧 器 の交-直 電 力 変 換 係 数 も同 じで あ る.   誘 導 負荷 の と き,電 流 通 電 期 間 φ=60゜ の と き は,α=60゜

を境 と し て電 圧 波 形

が 変 わ る の で,制

御 特 性 は α=60゜ で 不 連 続 と な る.図5・3に,回

御 特 性 を示 す.こ

の 回 路 は,単 相 セ ンタ タ ッ プ 回路 に 比 べ て,サ

必 要 とす るが,直

流 電 圧Vdを

電 圧 は1/2と

路,波

形,制

イ リス タ を ４個

同 じ と した と きサ イ リ ス タ に加 わ る オ フ お よび 逆

な り,サ イ リス タの 定 格 電 圧 の 選 択 の 際 に 有 利 で あ る.

直 流 電 圧 に含 まれ る高 調 波 の 基 本 波 は電 源 周 波 数 の ２倍 で あ る.

(ａ)回 路 (ｂ)波

(ｃ)特 性 図5・3単

相 均一 ブ リッジ 回路

形

三相交流電源

5・1・2

  波 形 と数 式 を簡 単 化 す る た め 電 源 の イ ン ダ ク タ ン ス を 無 視 し(重 な り角u= 0゜),か つ,直  (１)三

流 リア ク トル が 大 き く(誘 導 負荷)直

流 電 流 は連 続 とす る.

相星 形 回 路     図5・4(ａ)の よ う に,変 圧 器 直 流 巻 線 側 の 各 相 に サ イ

リス タ を付 け,一 括 した 陰 極 と変 圧 器 中性 点 の間 に負 荷 を接 続 す る. 直 流 巻 線 相 電 圧 をVsと

して,直 流 電 圧(平 均 値)Vdは, (5・10)

α=90゜

でVd=0と

  こ の1.17は,こ

な る.

の 回 路 の 交 一直 電 圧 変 換 係 数 で あ る.

抵 抗 負 荷 の と き,α ≧30゜ で は 誘 導 負 荷 の と き と波 形 が 変 わ り,α=150゜ =0と

なる

でVd

.

  サ イ リ ス タ の 電 流,す そ の 最 大 値 はIdで

な わ ち 変 圧 器 直 流 巻 線 の 電 流 は,通

あ る.交

流 側 巻 線 の 電 流(実

効 値)1ι

電 期 間 は120゜ で,

は,変

圧 器巻 線 比 を １

と し, 1ι=0.47Id

こ の0.47は,こ

(5・11)

の 回 路 の 交-直 電 流 変 換 係 数 で あ る.

α=0゜ の と き の 変 圧 器 交 流 巻 線 の 容 量Pacは, Pac=1.21VdId

  この1.21は,交-直

(5・12)

電 力 変 換 係 数 で あ る.

  同 図 の 回路 で は,サ イ リス タ に加 わ る逆 電 圧(最 (最大 値)に

等 しい.オ

大 値)は

ン電 流 の最 大 値 はId(=Vd/R;Rは

通 電 期 間 は120゜(=2π/3)で あ る.従

っ て,オ

直 流 巻 線 の 線 間電 圧 負 荷 抵 抗)で,そ

ン電 流 の 平 均 値 はId/3と

の

な る.こ

の直 流 成 分 の電 流 が 直 流 巻 線 に流 れ るの で,鉄 心 が偏 磁 す る お それ が あ る.こ れ を 防 ぐた め,直 流 巻 線 を三 相 千 鳥 と して 直 流 成 分 を打 ち消 す よ う に す る.   直 流 電 圧 に含 まれ る高 調 波 の 基 本 波 周 波 数 は,電 源 周 波 数 の ３倍 とな る.

(ａ)回

路

(ｂ)波

形

(ｃ)特 性

図5・4三

 (２)三

相(均 一)ブ リッジ 回路

相 星 形 回路

サ イ リス タ ６個 の う ち,陽 極 を共 通 と した

３個 の 群 と陰 極 を共 通 した ３個 の 群 とが あ り,そ の 陽 極-陰 極 間 に 負 荷 を接 続 す

る.変 圧 器 直 流 巻 線 は星 形 で も三 角 で も よい. 直 流 巻 線 の線 間 電 圧(実 効 値)を Ｖ と し て,誘 導 負荷 の と きの 直 流 電 圧Vdは, (5・13)

こ の1.35は,こ a=90゜

の 回 路 の 交-直 電 圧 変 換 係 数 で あ る.

でVd=0と

な る.

抵 抗 負 荷 の と き は,a=150゜ サ イ リ ス タ の 電 流 波 形 は,通 る.変 値)I2は

でVd=0と

な る.

電 時 間 は120゜,そ

の 最 大 値 はIdの

圧 器 の 交 流 側 と直 流 側 の 磁 脚 の 巻 線 比 が 等 し い と き,直 交 流 線 電 流(実 効 値)と 等 し く,こ

よ う に0.816と

方 形 波 とな

流 巻 線 電 流(実 効

の 回 路 の 交-直 電 流 変 換 係 数 は,次

式 の

な る. (5・14)

a=0゜

の と き の 変 圧 器 交 流 巻 線 の 容 量Pacと

直 流 電 力Pdcの

関 係 は,

(5・15)

  この1.05は,こ 制 御 特 性 を 示 す.こ

の 回 路 の 交-直 電 力 変 換 係 数 で あ る.図5・5に,回

路,波

形,

の 回 路 は,三 相 星 形 回路 を ２組 直 列 に した の と等 価 で,交

流

側 電 圧 が 同 じで あれ ば,三 相 星 形 の ２倍 の直 流 電 圧 が 得 られ る.ま た,直 流 電 圧 を同 じ と した と き,サ イ リス タ に加 わ る電 圧 は三 相 星 形 の1/2で

す む.従

っ て,

この 回 路 は直 流 高 電 圧 を得 る場 合 に適 して い る.   この 回 路 は,単 相 ブ リ ッ ジ 回 路 と同 様 に,サ

イ リス タ が 直 列 に な っ て い る の

で,２ 個 の サ イ リス タ が 同 時 に オ ン状 態 に な らな けれ ば電 流 は 流 れ な い.こ

のた

め,60゜ の 位 相 差 を も っ た ダ ブ ル パ ル ス か ま た は120゜ の 幅 を も っ た パ ル ス 電 流 を各 サ イ リス タの ゲ ー トに与 え る必 要 が あ る.陽 極 が 共 通 の サ イ リス タ 群 の ゲ ー ト回 路 は,互 い に直 流 巻 線 の線 間 電 圧(最 大 値)以 上 の 絶 縁 が 必 要 で あ る.こ の 回 路 の 直 流 電 圧 に 含 まれ る高 調 波 の 基 本 波 周 波 数 は電 源 周 波 の ６倍 とな る.

(ａ)

回路

(ｂ) 波 形

(ｃ )特

図

5・5

性

三 相(均 一)ブ

リッジ 回路

(３)

三相混 合ブ リッジ回路

図5・6の 三 相 均 一 ブ リッ ジ 回 路 で,陽 極 が 共

通 の ３個 の サ イ リス タ をダ イオ ー ドに置 き換 えた 回 路 で,ダ

イ オ ー ドの採 用 と ゲ

ー ト回 路 の簡 略 化 に よ り装 置 が 経 済 的 とな る .

(ａ)

回路

(ｂ) 波 形

図   抵 抗 負 荷 の と き,a≧60゜

5・6

三 相混 合 ブ リ ッジ回 路

で 直 流 電 圧 波 形,サ

三 相 星 形 回路 と同 じに な る.図5・6に,三 (４)

三相 二重星形 回路

イ リ ス タ に加 わ る電 圧 波 形 は,

相 混 合 ブ リ ッ ジ回 路 と波 形 を示 す.

２組 の 三 相 星 形 回 路 の 中性 点 を互 い に相 間 リア ク

トル で 接 続 した 回路 で,60゜ の位 相 差 の あ る三 相 星 形 回 路 を 並 列 に接 続 し た構 成 で あ る.  誘 導 負 荷 の と き の 直 流 電 圧Vdは,相

電 圧Vs,制

御 角 αと して三 相 回路 の

(１)と 同 じで, vd=1.17Vscosα

従 っ て,交

(5・16)

一直 電 圧 変 換 係 数 は(１)と 同 じで あ る.サ イ リス タ に加 わ る電 圧 の

最 大 値 は,直 流 巻 線 の 線 間 電 圧(最 大 値)に 等 しい.直 ス タの 電 流 の 通 電 期 間 は120゜,そ の 最 大 値 はId/2の

(ａ)

回路

(ｂ) 波 形

(ｃ)

図

5・7

特性

三 相 二 重星 形 回 路

流 電 流 がIdの

と きサ イ リ

方形 波 と な り,そ の オ ン電

流(平 均 値)はId/6で

あ る.

  交 流 線 電 流I〓 と直 流 電 流Idの 関 係 は, (5・17)

  こ の0.408は,こ

の 回 路 の 交-直 電 流 変 換 係 数 で あ る.変 圧 器 交 流 側 の 電 力

Pacと 直 流 側 の電 力Pdcの

関係 は,変 圧 器 の磁 脚 の 巻 線 比 が 等 しい と き,

Pac=1.05Pdc こ の1.05は,こ

  図5・7に,三

(5・18)

の 回 路 の 交-直 電 力 変 換 係 数 で あ る.

相 二 重 星 形 回 路 と波 形 お よび 制 御 特 性 を示 す.相 間 リア ク トル の

励 磁 電 流 よ りも負 荷 電 流 が 小 さ くな る と,相 間 リア ク トル が正 常 に動 作 せ ず,六 相 星 形 回路 にな っ て直 流 電 圧 は約10%上

昇 す る.こ れ を防 ぐた め,相 間 リア ク

トル が 正 常 に動 作 す る程 度 の 小 さ い 負 荷 を接 続 して お く.   直 流 電 圧 に含 まれ る高 調 波 の基 本 波 周 波 数 は電 源 周 波 の ６倍 で あ る.   こ の 回路 は,二 つ の三 相 星 形 回路 が 並 列 の た め大 電 流 が 得 られ る と同 時 に,直 流 電 圧 波 形 に含 まれ る高 調 波 の周 波 数 が 高 く,か つ,そ の 振 幅 が 小 さ くな る利 点 が あ る. (５)

上 述 した 電 力 変 換 回 路 の 直 流 側 の パ ル ス数 ｐ は,

多相電 力変 換回 路

単 相 回 路 の(１)はp=1,(２)と(３)はp=2,三 =6

,(３)は

α=0゜

の と きp=6,a>0゜

相 回 路 の(１)はp=3,(２)はp と きp=3,(４)はp=6で

あ る.

  こ れ らの 回 路 よ り も直 流 電 圧 波 形 お よ び 交 流 電 流 波 形 に含 まれ る高 調 波 を減 ら す た め に は,直 流 側 の パ ル ス数 ｐを増 や す 方 法 が と られ る.例

え ば,図5・8の

よ う に,変 圧 器 の巻 線 を 互 い に 位 相 をず ら し た 十 二 相 変 換 回 路(p=12)を る方 法 が と られ る.図(ａ)は した 回路,図(ｂ)は

構成す

二 つ の 三 相 ブ リッ ジ を相 間 リア ク トル で並 列 に接 続

二 つ の三 相 ブ リッ ジ を直 列 に接 続 した 回路,図(ｃ)は

二つ の

二 重 星 形 を相 間 リア ク トル を 介 して 並 列 に 接 続 した 回 路 で あ る.図(ｂ)は,例 ば,高 電 圧 大 電 力 の 直 流 送 電 お よび 周 波 数 変 換 に,図(ｃ)は

え

低 電圧大電 流の電解

工 業 用 電 源 に使 用 され る.   さ らに,高 調 波 成 分 を減 ら した い場 合 は,さ

らに 変 圧 器 直 流 巻 線 の相 数 を増 や

(ａ)三

相 ブ リッ ジの並 列

(ｂ)三

相 ブ リ ッジの 直列

(ｃ)二 重 星 形 の並 列 図5・8十

して 二 十 四 相(p=24)に

二相 電 力 変換 回路 の 例

す る.

主 な 電 力 変 換 回 路 の特 性 比 較 を 表5・2に 示 す.

5・1・3重 (１)重

な り角 を 考 慮 した 直 流 電 圧(平 均 値)の 一 般 式 な り角    前 述 した 各 種 の 電 力 変 換 回 路 の 波 形 お よ び 電 圧 制 御 特 性

は,変 圧 器 お よ び交 流側 の イ ン ダ ク タ ン ス を無 視 して説 明 した.実

際 に は,変 圧

器 お よ び交 流 系 統 に イ ン ダ ク タ ンス が 存 在 し,ま た 事 故 時 の サ ー ジ 電 流 抑 制 の た め,あ

る程 度 の イ ン ダ ク タ ン ス を 入 れ て お か な けれ ば な らな い.

この イ ン ダ ク タ ン ス に よ っ て,電 源 転 流 時 に サ イ リス タ の オ ン電 流 は急 に は ０ に な らず,重

な り角 μ を経 て次 の サ イ リス タ に 転 流 す る.こ の 現 象 を 図5・9で

説 明 す る.L1∼L3は,変

圧 器 お よ び 交 流 系統 の一 相 当 た りの イ ン ダ ク タ ン ス の

和 を直 流 巻 線 側 か ら見 た イ ン ダ ク タ ンス で,転 流 イ ン ダ ク タ ンス とい う. 図(ａ)の 三 相 星 形 回 路 で,通 電 中 の サ イ リス タS1の 電 流 をS2に 移 す べ く制 御

表

〔注 〕 Ｖ:交 流 電 圧(実 効 値),Id:直 δ:全

5・2

主 な電 力 変

流 電 流(平 均 値),α:制

振 幅 脈 動 率(α=μ=0),ka=√1−

α/π,Pdo=Vdo 

御 角, Id

換 回 路 の特 性 比 較

μ:重 な り角,Ｘ:転 *印:直

流 リア ク タ ン ス, ｆ:電 源 周 波 数,

流電 流 平 滑 の場 合

(ａ)回 路

(ｂ)重 な り期 間 中 の 波 形

(ｃ)α と μの 関 係

図5・9 

遅 れ 角 αでS2を ず,図(ｂ)の

転 流 イ ン ダ ク タ ン ス と重 な り 角(三 相 星 形 回 路)

オ ン さ せ る と,転 流 イ ン ダ ク タ ン ス の た め 電 流 は直 ち に転 流 せ

よ う にS1とS2が

同 時 に通 電 す る期 間,重

な り角 μ を経 て 電 流 は

S2に 移 る.こ の 重 な り期 間 中 は Ｕ 相 と Ｖ 相 が 短 絡 と な る の で,直 Ｕ 相 と Ｖ 相 の 平 均 値,す 順 変 換 の場 合,図(ｂ)の

な わ ち(eu+eυ)/2と

流 電 圧 波形 は

な る.

斜 線 の 面 積 だ け転 流 イ ン ダ ク タ ン ス を 無 視 した場 合 よ

り も直 流 電 圧(平 均 値)は 低 くな る.こ の 面 積 を １サ イ ク ル 当 た りの 平 均 値 に した 値 が 転 流 リア ク タ ン ス 降 下dxと な る. 一般 に ,転 流 イ ン ダ ク タ ンスＬ と重 な り角 μ と の 関 係 は,転 流 リア ク タ ンス X=ωL(ω

は電 源 周 波 数),直

流 電 流 をId,直

流 側 の パ ル ス 数 を ｐ,無 負 荷 無 制

御 時 の 直 流 電 圧(平 均 値)をVd0と

す れ ば, (5・19)

式(5・19)の 右 辺 を Ｋ とす れ ば,Ｋ

をパ ラ メ ー タ と して,制 御 角 α と重 な り角

μ の 関係 は 図(ｃ)の よ う に な る.な

お,こ の 図 に は逆 変 換 領 域(α ≧π/2)の 関 係

も示 して い る. 制 御 角 を一 定 と した と き,転 流 イ ン ダ ク タ ン ス の増 加 と と もに,ま

た直流電 流

の 増 加 と共 に 重 な り角 は増 加 し,転 流 リア ク タ ンス 降下 は増 加 す る. (２)直

流 電圧(平 均 値)の 一 般 式    直 流 側 の イ ンダ ク タ ン ス が 大 き く,直 流

電 流 が 平 滑 で あ る と して 次 式 とな る. Vd=Vd0 

cos  α-dx-dr-da

(5・20)

こ こ で,

Vd0;無

負荷 無 制 御 時 の 直 流電 圧(平 均値)〔Ｖ 〕 (π/p)

Vs;変 圧 器 直 流 巻 線 の星 形 電 圧 〔 Ｖ〕 ｐ;直 流 側 の パ ル ス 数(表5・1参

照)

α;制 御 遅 れ 角 dx;転

流 リア ク タ ン ス に よ る電 圧 降 下 〔 Ｖ〕

X;X=ωL(ω

は 電 源 の 周 波 数, Ｌ は変 圧 器 直 流 巻 線 側 か ら電 源 側

を 見 た 一 相 当 た りの転 流 イ ン ダ クタ ンス)〔Ω〕 Id;直

流 電 流 〔Ａ 〕

μ;重

な り角

dr;変

圧 器,電 源 系 統 の抵 抗 分 の 電 圧 降下 〔Ｖ〕

da;サ

イ リ ス タ(ダ イ オ ー ド)の オ ン 電 圧 〔Ｖ 〕

5・2  交 流-交 流電 力変換 回路 交 流 電 源 か ら負 荷 側 に所 望 の 交 流 電 力 を供 給 し,そ の電 力 を制 御 す る場 合 は 次 の 回 路 が あ る.こ の 場 合,「 電 源-負 荷 」 の 間 で相 数,電 圧,周

波 数 が 異 な る場 合

も あ る.

①  交 流電力 調整 回路 ②  交 流電力直 接変換 回路 ③  交 流電力 間接変換 回路 ま た,「 電 源-負 荷 」 の 問 の 周 波 数 変 換 と そ の制 御 に,次 の 方 式 が あ る. ①CF-CF(Constant-Frequency-Constant-Frequency)変 例 え ば,ヨ

換

ー ロ ッ パ の50Hz-16・2/3Hz鉄

道 電 化

②CF-VF(Constant-Frequency-Variable-Frequency)変 主 な 用 途 は,交

流 誘 導 電 動 機 お よ び 交 流 同 期 電 動 機 の速 度 制 御

③  VF-CF(Variable-Frequency-Constant  例 え ば,航 ④ 

換

Frequency)変

換

空 機 の エ ン ジ ン に 直 結 し た 交 流 発 電 機 か ら定 周 波 の 交 流 へ 変 換

VF-VF(Variable-Frequency-Variable-Frequency)変 主 な 用 途 は,②

換

と同 じ

負 荷 側 の 周 波 数 制 御(一 定 また は可 変)と 同 時 に,負 荷 側 の交 流 電 圧 も同時 に 制 御(一 定 また は 可 変)す る方 式 が あ る. 負 荷 側 の電 圧 と周 波 数 を同 時 に 制御 す る た め に次 の 方 式 が あ る. ⑤  CVCF(Constant  主 な 用 途 は,無 ⑥  VVVF(Variable  主 な 用 途 は,交

Voltage,  Constant 

Frequency)制

御

停電電源装 置 Voltage,  Variabule  流 誘 導 電 動 機,同

Frequency)制

御

期電動 機の速度制 御

5・2・1 交 流 電 力 調 整 回 路 図5・10の

よ う に,ト

ラ イ ア ッ ク また は サ イ リス タ を 逆 並 列 に す れ ば

制 御 交 流 ス イ ッ チ 」 と な り,ト IGBTを

「オ ン 可

ラ ン ジ ス タ ま た は ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ,

逆 並 列 す れ ば 「オ ン ・オ フ 可 制 御 交 流 ス イ ッ チ 」 と な る.

図5・10 

交 流 スイ ッチ の例

(１)  オ ン可 制 御 交 流 ス イ ッ チ に よ る単 相 電 力制 御 (ａ)  抵 抗 負 荷   図5・11の(ａ)の

単 相 回 路 で,オ

ン可 制 御 交 流 ス イ ッチ の 制

(ａ) 回 路

(ｃ) 波 形

(ｂ)  制御特性 図5・11  単 相 回路(抵 抗 負荷)の 制御 特 性 と波 形

御 角 α に よ って 負 荷 側 の 交 流 電 圧 を制 御 で き る.交 流 電 源 電 圧 の 実 効 値 をVs, 負荷 側 の そ れ をV〓 とす れ ば, (5・21)

と な る.制

御 角 α とV〓/Vsの

関 係 は 図(ｂ),波

形 は 図(ｃ)と

な る.

制 御 角 αの制 御 に よ り負 荷 へ の 電 力 を ０か ら最 大 まで 連 続 的 に制 御 で き る. (ｂ)  誘 導 性 負 荷   負 荷 の イ ン ダ ク タ ン ス を Ｌ,抵 と す れ ば,基

本 波 力率 角

φ は φ=tan-1(2πf・L/R)と

の 大 小 関 係 で 波 形 が 変 わ る.α<φ α≧ φ で は,負 は 制 御 角,負

の と き は,無

抗 を Ｒ,電 な り,こ

制 御(α=0)と

荷 電 流 が 断 続 す る 波 形 と な り,図5・12(ａ)の 荷 力 率 角(tanφ)に

源周 波 数 を ｆ

の φ と制 御 角 α 同 じ波 形 と な る .

よ う に な る .図(ｂ)

対 す る 負 荷 電 流 比I〓/I〓0の 関 係 を 示 す .

(ｂ)  負荷 電 流 比 (ａ) 波 形

図5・12  単 相 回路(誘 導 性 負 荷)の 波 形 と負荷 電 流

(ｃ)  容 量 性 負 荷   交 流 回 路 の コ ン デ ン サ に流 れ る電 流 は,電 圧 に対 して90° 進 ん で い る.こ の た め,制 御 角 で 位 相 制 御 す る と突 入 電 流 が 流 れ る の で,デ バ イ ス の オ ン位 相 を電 源 電 圧 の ピー ク時 点 に 固 定 す る.回 路 と波 形 を図5・13に 示 す. この 回路 は,電 源 周 波 で の コ ンデ ンサ の 高 速 多 頻 度 開 閉 が で き るの で,交 の 無 効 電 力 補 償 装 置 に使 用 され る.

流系統

図5・13  単相 回路(容 量 性 負 荷)の 波 形

(２)  オ ン 可 制 御 交 流 ス イ ッチ に よ る 三 相 電 力 制 御     三 相 回路 の 場 合 の 回 路 の 例 を 図5・14に 示 す.図(ａ),(ｂ)の

よ う に,単 相 交 流 ス イ ッチ を星 形 また は

三 角 形 に接 続 す る.星 形 回路 で 抵 抗 負 荷 の と きの 波 形 と制 御 特 性 を 図(ｃ) ,(ｄ) に示 す. 応 用 例 と して,直 流 高 電 圧 を制 御 す る場 合,変

圧 器 の二 次側 の 三 相 ブ リッ ジ 回

路 で 制 御 す る よ り も一 次 側 の 交 流 ス イ ッチ で 制 御 す る ほ うが 経 済 的 な 場 合 が あ る.図5・15に,回

路 と制 御 特 性 を示 す.

(３)  通 電 サ イ クル 可 変 に よ る電 力 制 御   を説 明 した が,あ

前 項 まで は位 相 角 に よ る電 力 制 御

る期 間 中 の 通 電 サ イ クル 数 と休 止 サ イ クル 数 の比 の制 御 に よ っ

て も負 荷 へ の電 力 を 制 御 で き る.こ の 方 式 に は,図5・16の

よ うに,交 流 ス イ ッ

チ の オ ン状 態 の連 続 サ イ ク ル 数 制 御 と,オ ン とオ フ と を交 互 に行 い そ の比 率 を制 御 す る 方 法 が あ る. 電 源 電 圧 をVs,負

荷 側 電 圧 をV〓,周

波 数 をf,オ

ン ・オ フ動 作 の 周 期 を Ｔ,

Ｔ 秒 間 に オ ン状 態 を続 け る サ イ クル 数 を ｎ とす る と,負 荷 側 の電 圧V〓 は,

(ａ) 星 形 回 路

(ｂ)  三 角 回路

(ｃ) 波 形

(ｄ)  制御特性 図5・14  三 相 交 流電 力調 整 回路 と波 形,制 御特 性 の例

(ａ) 回

路

(ｂ)  電 圧 制 御特 性

図5・15  交 流 ス イ ッチ に よ る直 流電 圧 制御

(ａ)連 続 式制 御 図5・16通

(ｂ)間 欠 式制 御 電 サ イ クルに よ る電 力制 御

(5・22)

(た だ し,1≦n≦f・T)

とな る.変 圧 器 を 介 し て この 方 式 で制 御 を行 う とき は,正 の 半 波 と負 の 半 波 の 数 が 同 じ に な る よ う に し て直 流 分 を な くす 必 要 が あ る. (４)

オ ン ・オ フ 可 制 御 交 流 ス イ ッチ に よ る 電 力 制 御

交 流 チ ョ ッパ と いわ

れ る この 方 式 の 回 路 と波 形 の例 を 図5・17に 示 す.

図5・17オ

ン ・オ フ 可 制 御 交 流 ス イ ッ チ

オ ン ・オ フ 動 作 時 の 比 率Ton/(Ton+Toff)に

よ っ て 電 力 を 制 御 す る.こ

の比 が

大 き い ほ ど負 荷 へ の 電 力 は大 き くな る.

5・2・2

交流電力直接変換回路

  交 流 電 力 直 接 変 換 と は,5・1節

で 解 説 した 変 換 回 路 ２組 を,図5・18の

よう

に,「 正 群 」,「負 群 」 と して 逆 並 列 に接 続 し,電 圧 の 零 線 に対 して 上 下 対 照 的 な 位 相 制 御 に よ っ て 電 源 の 交 流 電 圧,周

波 数 と は異 な っ た 交 流 電 圧,周

波数の電力

を負 荷 に供 給 す る方 式 で あ る.こ の よ うな 回 路 構 成 と,電 源 周 波 に対 す るゲ ー ト

(ａ)循 環電 流方 式

(ｂ)非 循 環 電 流 方式 図5・18サ

イ クロ コンバ ー タの基 本 回 路

位 相 の 変 調 制 御 に よ っ て 出 力 電 圧 と周 波 数 を 別 々 に 変 換 す る 方 式 を サ イ ク ロ コ ン バ ー タ(Cycloconverter)と

い う .サ

環 電 流 の 処 理 に 関 し て,(１)循 (１)

循環 電流方 式

イ ク ロ コ ン バ ー タ に は,同

環 電 流 方 式,(２)非

図 の よ う に,循

循 環 電 流 方 式 が あ る.

循環 電流方式 は,正 群 変換 回路 と負群変換 回路 の間 に

リア ク トル を 接 続 し,循 環 電 流 を常 に流 しな が らゲ ー トの 位 相 変 調 制 御 に よ り変 調 周 波 数 の 正 弦 波 出力 電 圧 を得 る方 式 で あ る.リ ア ク トル の た め 両 群 の電 圧 瞬 時

値 の 差 が リ ア ク トル で 平 均 化 さ れ て,図5・19(ｃ)の

出 力 電 圧 波 形 と な る.

(ａ)正 群 コ ン バ ー タの 出 力 電 圧

(ｂ)負

群 コンバ ー タの 出 力電圧

(ｃ)破 線 が 合 成 出力 電 圧(正 弦 半 波) 図5・19  循 環 電 流方 式 の 出 力電 圧 波形

  出 力 電 圧(実 効 値)V〓 は,正

群 の 電 源 電 圧(実 効 値)Vp,負

群 をVnと

し て,次

の よ う に な る.

(5・23)

この 方 式 の特 徴 は, ①

リア ク トル の ほ か,変 圧 器 に は ２組 の二 次 巻 線 が 必 要 とな る.

②

非循環電流 方式 のよ うな正群 と負群の極性切換 時間が不 要 なので,安 定 な 電 流 制 御 が 可 能 と な る.

③

出 力 周 波 数 の 上 限 は,電 源 周 波 数 の約1/2ま

での低 周 波領 域 で制 御 で き

る.

④

正 群 と負群 の鋸 歯 状 出 力 電 圧(瞬 時 値)の 差 は リア ク トル で 分 圧 さ れ るの で,非

循 環 電 流 方 式 に比 べ 低 周 波 出 力 電 圧 に 含 まれ る 高 調 波 の 振 幅 は少 な

い (２)

非循環電流 方式

負 荷 電 流 の 極 性 に応 じて 正 群 また は負 群 の ど ち らか

一 方 の み を 動 作 させ るの で,循 環 電 流 は 流 れ な い.正 群 ← → 負群 の切 り換 え に は一 定 の 電 流 休 止 期 間 を必 要 とす るの で,極 性 検 出器 を用 い位 相 制 御 を行 う.   出 力 電 圧(実 効 値)V〓 は,図5・20の 電 圧(実 効 値)Vpと

よ う に,出 力 電 流 が 正 の と き は正 群 の 交 流

な り,出 力 電 流 が 負 の と き は 負群 の交 流 電 圧(実 効 値)Vnと

な

る.

図5・20  非 循 環電 流 方 式 の 出 力電 圧 波 形

この 方 式 の 特 徴 は,

①

正群 と負群 の極性切 換時間 が必 要で あ る.

②

出 力 周 波 数 の 制 御 範 囲 は,電 源 周 波 数 の 約1/3を

上 限 と した 低 周 波領 域 で

あ る.

③

出 力 電 圧 は 正 群 と負群 の 差 の鋸 歯状 電 圧 と な る の で,循 環 電 流 方 式 に 比 べ て低 周 波 出力 に含 ま れ る高 調 波 の振 幅 は大 き い.

(３)

定比式サ イ クロコンバー タ

電 源 周 波 数 の1/2サ

イ ク ル を単 位 と し て

1/2サ イ ク ル の ｎ倍 ご と に 正 群 と 負 群 の 出 力 を 切 り換 え る こ と に よ り,図5・ 21(ａ)の よ う な電 源 周 波 数 の整 数 分 の １の 低 周 波 交 流 出 力 が 得 られ る.多 相 の 電 源 を用 い れ ば,図(ｂ)の

よ うな 台 形 状 の低 周 波 交 流 出 力 が 得 られ る.ヨ ー ロ ッパ

の 鉄 道 は,こ の 原 理 で50Hzの で 電 化 さ れ て い る.

六 相 の 電 源 か ら単 相16・2/3Hzに

変換 した交 流

(ａ)ｎ 分 周 波 の 波 形

(ｂ)162/3Hz波 図5・21定

5・2・3

形

比 式 サ イ ク ロ コ ン バ ー タの 出 力 電 圧 波 形 の 例

交流電力間接変換回路

  交 流 電 力 間 接 変 換 回 路 とは,5・1節

で解 説 した 変 換 回 路 ２組 を 図5・22の よ う

に直 流 回路 を介 し て逆 並 列 に接 続 した構 成 で あ る.そ れ ぞ れ の変 換 回 路 の ゲ ー ト 位 相 を独 立 に,か つ,相

関 性 を もっ て制 御 す る こ と に よ り,異 な っ た 交 流 電 圧 と

周 波 数 の ２つ の 系 統 を電 気 的 に結 ん で電 力 の 流 れ る方 向 と大 き さ を制 御 で き る.   また,独

立 した 発 振 装 置 か らの ゲ ー ト信 号 に よ り,順 変 換 あ る い は電 池 を直 流

電 源 と し て独 立 し た電 圧,周

波 数 の 交 流 出力 を得 る こ とが で き る.

(ａ)

基本構成 (ｂ) 交 流系 統 の連 携

(他励 自制 式)

(ｃ)

独 立 した 交 流 出力 (自 励 他制 式)

図

(１)

5・22

間接変換 回路 の分類

交 流 電 力 間接 変 換 回路 の 購 成

この構 成 で,片 方 の 変 換 回路 を順 変 換,も

方 を 逆 変 換(イ ンバ ー タ)で 運 転 す る場 合,こ

う一

の構 成 の 動 作 を 別 の 視 点 で 分 類 す る

と次 の よ う に な る. (ａ)

直流回路

平 滑 コ ンデ ン サ また は電 池 が あ る場 合 は,直 流 電 圧 とそ の 極

性 が確 立 して い る た め 定 電 圧 源 とな り,逆 変 換 の 動 作 は電 圧 形 とな る.こ れ を電 圧 形 イ ンバ ー タ とい う.   直 流 リア ク トル が あ る場 合 は,直 流 電 流 の時 間 的 変 化 が妨 げ られ るの で定 電 流 源 とな り,逆 変 換 の 動 作 は電 流 形 とな る.こ れ を電 流 形 イ ン バ ー タ とい う. (ｂ)

転流方式

①

他 励 式;出

力 側 交 流 系 統 の 電 圧 に よ る 「電 源 転 流 」

②

自励 式;補

助 回 路 に よ る通 常 の サ イ リス タ の 「イ ンパ ル ス 転 流 」,ま た は

自 己 オ ン ・オ フ機 能 を も った デバ イ ス に よ る転 流 お よ び回 路 の オ ン ・オ フ ゲ ー ト位 相

(ｃ)

①

自制 式:出

②

他 制 式:独 立 した 発 振 装 置 で ゲ ー トを制 御

進相 電力

(ｄ)

①

力 側 交 流 系 統 の 電 圧 に同 期 して ゲ ー トを制 御

転 流 ター ン オ フ時 間 の あ る通 常 の サ イ リス タ を使 う と き は,出 力 交 流 系統 また は転 流 コ ン デ ンサ か ら得 る.

②

自 己 オ ン ・オ フ 機 能 の あ る デ バ イ ス(GTO,MOSFET,IGBT)を

使 う

と き は 不 要 で あ る.

  (２)順

変 換-逆 変 換(イ ンバ ー タ)動 作

逆 変 換 動 作 を 理 解 す る た め,サ

イ

リス タ を 使 用 し た三 相 星 形 回 路 を例 に と り,ゲ ー ト制 御 角 と各 部 の 波 形 を 図5・ 23に 示 す.順

変 換 動 作 領 域 で は,制 御 角 αの 増 加 と共 に 直 流 電 圧(平 均 値)Vdr

は減 少 し,交 流 系 統 か ら直 流 負 荷 へ の 電 力 は α=90゜ で 零 と な る.さ 大 き く(α=180゜-β;β

図

5・23

ら に,α を

を 制 御 進 み 角 とい う)す る と逆 変 換 動 作 領 域 に入 っ て,

ゲー ト制 御 角 と各部 の 波 形(三 相 星 形;重 な り角 を無視)

変 換 回路 の 直 流 端 子 電 圧 の 極 性 が 反 転 し,見 掛 け の直 流 端 子 電 圧Vdiと

な る.こ

の と き,こ の 極 性 の直 流 電 源(例 え ば,直 流 機 の 逆 起 電 力)が あ り,か つ,Vdiよ り高 け れ ば直 流 電 源 か ら交 流 系統 に電 力 が 流 れ 逆 変 換 動 作 とな る.こ の 領 域 で の サ イ リス タの 転 流 は,交 流 系 統 の 電圧(電 源 転 流)で 行 わ れ る.   通 常 の サ イ リ ス タ の 逆 変 換 運 転 に は,転 β=0゜ で は 運 転 で き ず,タ 位 相 の 限 界 と な る.自 必 要 な い.こ

流 タ ー ン オ フ 時 間 を 必 要 と す る た め,

ー ン オ フ 時 間 以 上 の 時 間(余

裕 角 γ と い う)が

己 オ ン ・オ フ機 能 の あ る デ バ イ ス で は,こ

の よ う に,ゲ

ゲー ト

の よ うな 時 間 は

ー トの 位 相 制 御(0゜ ≦ α≦180゜ − β)に よ っ て 順 変 換-逆

変 換 を 行 う こ とが で き る.順

変 換,逆

変 換 時 の 直 流 電 圧 は,次

式 と な る.

順変換 時の直流電圧 Vdr=Vd0cosα

−dx−dr−da

(5・24)

逆変換時 の直流電圧 Vdi=Vd0cosβ+dx+dr+da

(5・25)

こ こで，

(３)

Vd0;無 負 荷 制 御 時 の直 流 電 圧

dx;転

流 リア ク タ ン ス

α;制 御 遅 れ 角

dr;回

路 の抵抗降 下

β;制 御 進 み 角

da;デ

バ イ ス の オ ン電 圧

転 流 電 圧,ゲ

ー ト位 相,運 転 特 性

図5・22(ｂ)の

他 励 自 制 式 で は,

転 流電 圧 お よ び所 要 進 相 電 力 は逆 変 換 側 の大 容 量 交 流 系 統 か ら と り,ゲ ー ト位 相

表 5・3

逆変換の分類 と運転特性 の要点

は そ の交 流 電 圧 に 同期 し て制 御 す る.   図(ｃ)の 自励 他 制 式 で は,強 制 転 流 回路 の付 加 また は デ バ イ ス 自身 の オ ン ・オ フ機 能 に よ り逆 変 換 運 転 を行 う.交 流 出力 周 波 数 は ゲ ー ト制 御 装 置 の発 振 周 波 数 で 決 まる.従

っ て,高 精 度 の 周 波 数 一 定 制 御(CF)あ

るい は可 変 周 波 数 制 御(VF)

が 可 能 で あ る.逆 変 換 の 運 転 特 性 の 要 点 を 表5・3に 示 す.   逆 変 換 の 応 用 分 野 の 大 部 分 は,図5・22(ｂ),(ｃ)の

た め,略

し て 他 励 式,自

励 式 と い う 場 合 が 多 い. (４)

差,す

力 率,無

効電 力

図5・23の 波 形 で,交 流 電 圧 とデ バ イ ス 電 流 の 位 相

な わ ち力 率 お よ び所 要 無 効 電 力 を

見 る と,制 御 遅 れ 角 α の 増 加 と と も に 遅 れ 力 率 は 減 少 し,α=90゜(制 御 進 み 角 β=90゜)で 直 流 電 圧 は ０,遅 れ 力 率(進 み 力 率)は ０,遅 れ 無 効 電 力 は最 大(進 み 無 効 電 力 は最 大)と な る.α ≧90゜(β≦90゜) で は,変 換 回路 の 出 力 直 流電 圧 の極 性 は 反転 し,β の 減 少 と と も に進 み 力 率 は １ に近 づ き,進 み 電 力 は 減 少 す る.図5・ 24に 制 御 角 と直 流 電 圧,図5・25(ａ)に 制 御 角 と所 要 遅 れ ・進 み電 力,図(ｂ)に 順 変 換,逆 変 換 運 転 時 の ベ ク トル 図 を示 す.通 常,遅

れ電 力 は交 流 系 統 か ら,進

み 電 力 は交 流 系統 お よ び コ ン デ ンサ か ら

図

5・24

制 御 角 と直 流電 圧

得 る. (５)

電 力の流 れ,電 力の制御(他励 式電 力変 換)

換 回 路 に お い て,二

つ の 変 換 回 路 Ａ,Ｂ

他励式 の交流電 力間接 変

の 動 作 に よ っ て,電

力 は 図5・26図

の よ

う に 流 れ る. 変 換 回 路 Ａ,Ｂ

の ゲ ー ト制 御 角 を そ れ ぞ れ0゜ ∼180゜ の 間,互

て 制 御 す る こ と に よ り,電

い に協 調 を もっ

力 の 流 れ の 方 向 と大 き さ を 制 御 す る こ とが で き る.

(ａ)

制御 角 と無 効電 力

(ｂ) ベ ク トル 図

図

5・25

制御 角 と遅 れ ・進 み 電 力

  図(ｃ)の 直 流 短 絡 は避 け な け れ ば な らな い(Ａ

と Ｂ を定 格 電 流 以 内 で 通 電 試

験 す る と き に使 用 す る場 合 が あ る).   交 流 電 力 間 接 変 換 回 路 は,大 容 量 の 直 流 送 電,周

波 数 変 換 の ほ か,無 停 電 電

源,直 流 回路 に接 続 した 直 流 電 動 機 の 可 逆 運 転 に使 用 され て い る. (６)

電 圧 形 イ ン バ ー タ,電 流 形 イ ンバ ー タ(自 励 式 電 力 変 換)逆

変換 回路

の 出 力 側 が大 き な交 流 系 統 に接 続 され て お らず,逆 変 換 に よ り独 立 した 交 流 電 力 を発 生 す る 自励 式 の場 合 は,次 の特 性 を示 す. (ａ)

電 圧 形 イ ンバ ー タ

電 圧 形 イ ンバ ー タ は,二

つ の 変 換 回路 を結 ぶ 直 流部

(ａ)Ａ

を 順 変 換,Ｂ を 逆 変 換 VdA＞VdBの とき電 力は Ａ か ら Ｂに 流 れ る。

 電 圧 差 が 大 きいほ ど流 れ る電 力は 大 きい。 ＜VdBの とき電 力 は 流 れ ない 。 VdA (ｂ)Ａ

を逆 変 換,Ｂ を順 変 換 ＜VdBの とき電 力 は Ｂ VdAか ら ＞VdBの

Ａ に 流 れ る。 と き電 力 は VdA流 れ な い 。

(ｃ)Ａ を順 変 換,Ｂ を順 変 換 直 流 短絡 電 流が 流 れ る。

(ｄ)Ａ

を逆 変 換 、Ｂ を逆 変 換

電 流 は流 れ な い。

  直:流回路 の〓 は 順 変換 した出 力直 流 電圧 の 極性 を示 す 。   直流 回路 の〓 は 逆 変換 動 作 の 見掛 け の 直流 電圧 の極 性 を示す 。   実際 には,変 換 回路 Ａ,Ｂ は 直 流 回路 で接 続 され て い るが,上 図 で は 理 解 しや す い よ うに 回 路 を開 いて 説 明 した 。 図 5・26二 つ の 変 換 回路 の動 作 と電 力 の流 れ(他 励 式 電 力 変 換)

分 に 平 滑 コ ンデ ン サ あ る い は蓄 電 池 を接 続 し,極 性 を 固 定 した 直 流 定 電 圧 電 源 か らな る回 路 構 成 で あ る.   この 構 成 で は, ①

負 荷 が誘 導 性 の と き,逆 変 換 回 路 の ス イ ッチ ング デバ イ ス に逆 並 列 に帰 還 ダ イ オ ー ドを接 続 し,負 荷 の イ ン ダ ク タ ン ス の エ ネ ル ギ ー を処 理 す る.

②

図5・26(ｂ)の よ う に,直 流 電 圧 の極 性 反 転 は で き な い.直

流電 流 の方 向

を可 逆 に し な け れ ば,電 力 の 流 れ の 方 向 を可 逆 制 御 で きな い.可 逆 制 御 の た め に は,表5・4の ③

よ うに,直 流 回 路 に逆 変 換 回路 を接 続 す る.

逆 変 換 回 路 の 出 力 電 圧 波 形 は,抵 抗 負 荷 で も誘 導 負 荷 で も,定 電 圧 化 さ れ た 直 流 電 圧 の た め 方 形 波 に な る.出 力 電 流 波 形 は,負 荷 が 抵 抗 の とき は電 圧

波 形 と同 じ方 形 波 とな り,誘 導 性 の と き は正 弦 波 状 に な る.

④

定 電 圧 直 流 電 源 の た め,負 荷 変 動 に対 して 出 力 交 流電 圧 の 変 動 は小 さ い.

(ｂ)

電 流 形 イ ンバ ー タ

電 流 形 イ ンバ ー タ は,直 流 部 分 に大 き な 直 流 リア ク

トル を接 続 して電 流 の 変 動 を抑 え た直 流 定 電 流 電 源 か らな る 回路 構 成 で あ る.こ の構 成 で は,

①

図5・26(ａ),(ｂ)の

よ う に,直

流 電 流 の 方 向 は 一 定 で あ る が,制

御 角 を

電 気 角0゜∼180゜の 範 囲 で 制 御 す る こ と に よ り直 流 電 圧 の 極 性 を 可 逆 に で き る の で,電 力 の 方 向,大

②

き さ を制 御 で き る.

定 電 流 化 さ れ て い るた め 出 力 電 流 波 形 は方 形 波 とな る.出 力 電 圧 波 形 は負 荷 が 抵 抗 の と きは 方形 波 とな り,誘 導 性 の とき正 弦 波状 に な る. 表5・4電

圧 形 イ ン バー タ,電

流 形 イ ンバー タの比 較

③

出 力 側 の 負荷 変 動 に対 し て交 流 出 力 電 圧 の 変 動 は 大 き い.

電 圧 形 イ ンバ ー タ,電 流 形 イ ンバ ー タ の 比 較 を表5・4に 示 す.特 機 を駆 動 す る際,ど

に,交 流 電 動

ち ら の形 式 を採 用 す るか に よっ て 運 転 特 性 が 変 わ る.

この 項 で は,通 常 の サ イ リス タ を用 い て 電 源 転 流 お よ び強 制 転 流 回 路 に よ る転 流 動 作 に よ っ て 行 わ れ る逆 変 換 に つ い て説 明 した. 最 近,高

周 波 で オ ン ・オ フ動 作 す る機 能 を も った 高電 圧 大 電 流 の デ バ イ ス が 大

き く進 歩 して お り,そ れ を応 用 した 多 くのパ ル ス 動 作 の 変 換 回路 が考 案 ・実 用 さ れ て い る.こ れ らパ ル ス 動 作 の 変 換 回 路 は,5・2・5項 の 「直 流-交 流 変 換 回 路 」 の 項 で説 明 す る.

5

・

3

直流-直 流電力変換回路

直 流 電 源 か ら負 荷 側 が 必 要 とす る電 圧 の 直 流 電 力 を供 給 す る場 合,次

の回路が

あ る.

① 直流直接 変換 回路 ② 直流 間接 変換 回路 両 回路 と もデ バ イ ス を 高 周 波 で オ ン ・オ フ動 作 させ て電 力 変 換 させ るの が 基 本 の た め,主 MOSFETを

5 3・ 1 ・

と し て 自 己 オ ン ・オ フ機 能 が あ る トラ ン ジ ス タ,GTO,IGBT, 使 用 す る.

直流直接変換回路

(チ ョ ッパ 回 路)

直 流 電 源 と負 荷 の 問 に上 記 デバ イ ス を含 む チ ョ ッパ 部(Chと

略 す)を 接 続 し,

そ の チ ョ ッパ の オ ン ・オ フ動 作 と回路 構 成 に よ り,次 の 直 接 変 換 回 路 が あ る.

① 直流電源 よ りも低 い電圧範 囲で出力電圧 を制御 す る

(降圧 チ ョ ッパ)

② 直流電源 よ りも高 い電圧範 囲で出力電圧 を制御 す る

(昇圧 チ ョ ッパ)

③ 直 流電 源 に対 して広 い電圧 範 囲 で出力 電圧 を制 御 す る

(昇 ・降 圧 チ ョ ッ

パ)

④

複 数 の チ ョ ッパ に よ り電 力 の可 逆 制 御 を行 う (多象 限 チ ョ ッパ)

⑤

出 力 直 流 電 圧 の 高 調 波 成 分 を低 減 す るた め,こ れ らの 方 式 を多 数 組 み 合 わ せ る(多 相 多 重 チ ョ ッパ)

また,直 流 電 圧 の 可 変 制 御 に は,次 の 方 式 が あ る.

①

パ ル ス幅 変 調(PWM)方

②

パ ル ス 周 波 数 変 調(PFM)方

式 式

③ オ フ時間一定 制御方式 ④ 混合 変調方式 (１)

降 圧 チ ョ ッパ 回 路

図5・27(ａ)に

そ の 回 路 を 示 す.同

図の ダ イオ ー

ド Ｄ は,負 荷 が誘 導 性 の と き そ の イ ンダ ク タ ンス の エ ネ ル ギ ー を 還 流 さ せ る た め で あ る.

(ａ)基 本 回 路

(ｂ)制 御 方 式 と波 形(抵 抗 負荷) 図5・27降

チ ョ ッパ 部 の オ ン,オ

圧 チ ョ ッパ 回路 と制 御 方 式に よる 直流 電 圧 波 形

フの 期 間 とそ れ らの 動 作 周 期 を制 御 す る と,図(ｂ)の

う に,抵 抗 負 荷 へ の 直 流 電 圧(平

均 値;図

よ

で は破 線)を 制 御 で き る.

負 荷 電 流 は抵 抗 負 荷 で は断 続 と な る が,誘 導 負 荷 で は ダ イオ ー ドの 還 流 に よ り 連 続 とな る. 直 流 電 源 電 圧 をVd,チ 期 をT(=Ton+Toff)と

ョ ッ パ 部 の オ ン 期 間 をTon,オ す れ ば,直

フ 期 間 をToff,そ

接 変 換 に よ る 出 力 直 流 電 圧V〓

は,

の周

PWM方

式 の と き, (5・26)

と な り,V〓 PFM方

はTonに

比 例 す る.α

を 通 流 率 と い う.

式 の と き,

(5・27)

こ こ で,ｆ

は オ ン ・オ フ 動 作 周 波 数,f=1/T,T≧Tonと

な り,V〓

は ｆ に比

例 す る. (２)

昇 圧 チ ョ ッパ 回 路

図5・28(ａ)の

回 路 で,チ

コ ン デ ンサ Ｃ は電 源 電 圧 で 充 電 され て い る.チ

(ａ)基

(ｂ)波

ョ ッパ 部 が オ フ の と き

ョ ッパ 部 を オ ン す る と,直 流 電

本 回路

形

(ｃ)昇 圧特 性 図5・28昇

圧 チ ョ ッパ 回路 と昇圧 特 性

源Vdは る.あ

イ ン ダ ク タ ン ス Ｌ で 短 絡 さ れ て電 流 が 流 れ,Ｌ る期 間Ton後

にエ ネル ギー が蓄積 す

チ ョ ッパ 部 をオ フ す る と,オ フ期 間Toff中

は,蓄 積 エ ネ ル

ギ ー と電 源 か らの 電 流 は負 荷 電 流 とコ ン デ ンサ の 充 電 電 流 と な り,コ ンデ ンサ の 端 子 電 圧 が 上 昇 す る. オ ン ・オ フ の 周 期 を Ｔ とす れ ば,電 源 電 圧Vdと

出力 直 流 電 圧V〓 の 関係 は, (5・28)

とな る.T/Toffを

昇 圧 比 とい い,そ

の 逆 数 を β と す れ ば,β

とV〓/Vd関

係 は図

(ｃ)と な る.同 図 の特 性 を利 用 して直 流 電 動 機 の 回 生 制 動 に応 用 され て い る. (３)  昇 ・降 圧 チ ョ ッパ 回 路 る と電 流 が 電 源 →Ch→

図5・29(ａ)の

Ｌ を 通 っ て 流 れ,リ

回 路 で,チ

ョッパ部 を オ ンす

ア ク トル Ｌ に エ ネ ル ギ ー が 蓄 積

(ａ)基 本 回 路 (ｂ)昇 図5・29昇

す る.期 間Ton後

・降 圧 特 性

・降 圧 チ ョ ッパ の 基 本 回 路 と 昇 ・降 圧 特 性

チ ョ ッパ 部 を オ フ す る と,蓄 積 した エ ネ ル ギ ー は,リ

アク ト

ル Ｌ → 負 荷 → ダ イ オ ー ド を通 っ て 流 れ,負 荷 の 直 流 極 性 は反 転 す る.Ｌ

が十

分 大 きい と き,次 の関 係 が あ る. (5・29)

チ ョ ッ パ 部 の 流 通 率 を α と す る と,α+β=1の

関 係 が あ る の で,

(5・30)

と な る.α 下,す (４)

とV〓/Vd関

係 は 図(ｂ)と

な り,α

な わ ち 電 源 電 圧 に 対 し て 昇 圧,降

多 象 限 チ ョッ パ 回 路(直

に よ っ てV〓/Vdを

圧 の 広 い 範 囲 で 出 力 電 圧 を制 御 で き る.

流 電 動 機 の 正 ・逆 転,加

の チ ョ ッ パ 部 を 用 い た 図5・30(ａ)の

回 路 で,Ch1とD1は

行 運 転 を 受 け も つ 降 圧 チ ョ ッ パ 回 路 で,Ch2とD2は 昇 圧 チ ョ ッパ 回 路 で あ る.Ch1とCh2を

二つ

・減 速 運 転)

負荷 の 直流電 動機 の力 回 生 ・減 速 運 転 を 受 け も つ

同 時 に オ ン させ る と直 流 電 源 短 絡 とな る

(ａ)加 速 ・減 速 チ ョ ッ パ

(ｂ)正

図5・30 

１以 上 か ら １以

・逆 転,加

・減 速 用 チ ョ ッ パ

多象限 チ ョッパ 回路

の で 避 け な け れ ば な らな い.こ の 回 路 で は,直 流 電 動 機 の一 方 向 の加 ・減 速 運 転 が 可 能 で あ るが,正 転 ・逆 転 お よ び加 ・減 速 運転 を行 う と き は,図(ａ)の 図(ｂ)の よ う に ２組 並 列 と し,Ch1∼Ch4を (ａ)を 二 象 限 チ ョッパ,図(ｂ)を (５)

多 相 チ ョ ッパ 回 路

回路 を

互 い に 協 調 を も っ て 制 御 す る.図

四 象 限 チ ョ ッパ とい う. 例 え ば,降

圧 チ ョ ッ パ 回 路 を,図5・31(ａ)の

よ

う に複 数 個 並 列 し て,そ れ ぞ れ を協 調 を もっ て 制 御 す る と負 荷 電 流 の 高 調 波成 分 を低 減 す る こ とが で き,誘 導 障 害 の 軽 減,直 る.

流 リア ク トル の 小 型,軽

量化 がで き

(ｂ)出 力直 流電 圧

(ａ)多 相 チ ョ ッパ 回 路 図5・31 

5・3・2

多相 チ ョ ッ パ 回 路

直流間接変換回路

  自己 オ ン ・オ フ機 能 の あ る デ バ イ ス を 用 い て直 流 電 源 電 圧 を い っ た ん 交 流 電 圧 に 変 換 し,再 び希 望 す る出 力 直 流 電 圧 に変 換 す る直 流-交 流-直 流 変 換 回 路 を 直流 間 接 変 換 回路 とい う.主 た る応 力 分 野 は電 子 機 器 用 定 電 圧 直 流 電 源 で あ り,標 準 的 な 出 力 直 流 電 圧 は数10Ｖ

程 度 まで,１

ユ ニ ッ トの 直 流 出 力 は 数kW程

で あ る.中 間 の 交 流 周 波 数 は,回 路 を構 成 す る変 圧 器,リ

ア ク トル,平

度 まで 滑用 コ ン

デ ンサ を小 型 ・軽 量 化 し,電 力 損 失 を最 小 にす る た め 高 い ほ うが 望 ま し く,現 在 で は20∼500kHzが タ,IGBT, 

一 般 的 で あ る.デ バ イ ス と し て は,バ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス

MOSFET, 

GTOを

動 作 させ て直 流 出 力 電 圧,直

使 用 し,通 常,パ

ル ス 幅 変 調 方 式 で オ ン ・オ フ

流 電 力 を制 御 す る.

交 流 か ら直 流 に変 換 す る際,高

周 波 の 整 流 に適 し,か つ,順 損 失 の小 さい シ ョ

ッ トキ ー バ リア ダ イオ ー ドを使 用 す る. 直 流 間 接 変 換 回 路 を大 き く分 類 す る と,次 の よ うに な る.

電圧 ・電 流 波形      変圧 器 の動作       回 路構成 非 共振 形 (昇圧 お よび降圧 形

一 石 フ ォ ワ ー ド形

フ ォワー ド

二 石 フ ォ ワ ー ド形 プ ッシュプ ル形

プ ッシュ プル

直 流間接

ハ ー フ ブ リ ッ ジ形

変換 回 路

フルブ リッジ形

共振 形

直 列共 振形 並 列共振 形

回 路 構 成 を電 流 波 形 か ら分 類 す る と,

①

電 流 オ ン ・オ フ形;デ

バ イ ス のパ ル ス 幅 変 調 制 御 で 直 流 電 流 を オ ン ・オ フ

す る.

②

電 流 共 振 形;回

路 を共 振 条 件 と して電 流 波 形 に ゼ ロ点 をつ く り,そ の ゼ ロ

点 で 電 流 を オ ン ・オ フ す る.

また,デ バ イ ス を一 石 使 うか 複 数 使 うか に よ っ て,直 流 出力,変 問 題,波 形,高

圧 器 の偏 磁 の

調 波 成 分 が変 わ り,最 適 の 回 路 構 成 が 決 ま る.

直 流 間 接 変 換 回 路 は 多 数 開 発 ・実 用 され て い る が,こ

こ で は代 表 例 を 説 明 す

る. (１) (ａ)

電 流オ ン ・オ フ形間接 変換回路 一 石 フ ォ ワ ー ド形 間 接 変 換 回 路

回 路 と各 部 の 波 形 を 図5・32に 示 す.

デバ イ ス Ｑ が オ ンす る と,変 圧 器 一 次巻 線 に 直 流 電 源 電 圧 Ｖ が 加 わ り,巻 線 比 で 決 ま る電 圧 が 二 次 巻 線 に誘 起 す る.こ の電 圧 をD1で

整 流 し直 流 に 変 換 す る.

Ｑ が オ フ し て い る期 間 に変 圧 器 を リセ ッ トし な けれ ば な ら な い の で,オ １サ イ ク ル の1/2以 (ｂ)

下 とな る.

プ ッシ ュプル形 間接変換 回路

回 路 と各 部 の 波 形 を 図5・33に 示 す.中

点 タ ッ プ付 き変 圧 器 の 一 次 側 の デバ イ スQ1,Q2を イ オ ー ドD1,D2で

ン期 間 は

交 互 に オ ン させ,二

次側 の ダ

整 流 して直 流 に変 換 す る.二 次 側 に は,デ バ イ ス の オ ン ・オ

フ周 期 の ２倍 の 周 波 数 の電 圧 が誘 起 す るの で,直 流 フ ィル タ を 小 型 ・軽 量 化 で き る.二 つ の デバ イ ス の オ ン期 間 を等 し く しな い と変 圧 器 が 偏 磁 す る場 合 が あ る.

(ａ)回

路

(ｂ)波 図5・32 

(ａ)回

形

一 石 フ ォ ワ ー ド形 間 接 変 換 回 路

路

(ｂ)波 図5・33 

  (ｃ)フ

形

プ ッ シ ュプ ル形 間接 変 換 回路

ル ブ リ ッジ お よ び ハ ー フ ブ リッ ジ形 間 接 変 換 回路   フ ル ブ リ ッ ジ形 回

路 を 図5・34(ａ)に 示 す.プ

ッ シ ュ プ ル 形 と比 較 し て変 圧 器 一 次 巻 線 の 中 点 端 子

を省 略 し,四 つ の デバ イ ス を用 い る.一 次 巻 線 電 流 は,1/2サ

イ クル ご とに 二 つ

の デバ イ ス を直 列 に流 れ る.デ バ イ ス個 数 は倍 を要 す る けれ ど も,デ バ イ ス の電 圧 定 格 は プ ッ シ ュ プ ル形 の1/2で

す む.

(ａ)フ

ル ブ リ ッ ジ 形 回 路 と波 形 図5・34 

(ｂ)ハ ー フ ブ リ ッ ジ 形 回 路

フ ル ブ リ ッ ジ 形,ハ

  ハ ー フ ブ リッ ジ形 回路 は,図(ｂ)の

ー フブ リ ッジ 形間 接 変換 回路

よ う に,直 流 電 源 側 を コ ン デ ン サ ２個 とデ

バ イ ス ２個 で構 成 す る.変 圧 器 一 次 巻 線 に コ ン デ ン サ で 分 圧 さ れ たV/2の が加 わ る.コ

電圧

ン デ ン サ を 経 て 一 次 巻 線 電 流 が 流 れ る の で,直 流 分 は カ ッ トされ ,

変 圧 器 の偏 磁 は起 こ りに くい.出

力 側 の 波 形 は フル ブ リ ッ ジ 形 回 路 と同 じ で あ

る.   (ｄ)フ

ラ イ バ ック 形 間 接 変 換 回 路(リ

ン ギ ン グ チ ョー ク コ ンバ ー タ)回

路

と各 部 の 波 形 を 図5・35に 示 す.

(ａ)回 路 図5・35 

(ｂ)波 形 フラ イバ ッ ク形 間接 変 換 回路

  変 圧 器 一 次 巻 線 と二 次 巻 線 を逆 極 性 に して お く.デ バ イ ス を オ ンす る と変 圧 器 が励 磁 さ れ,励 磁 エ ネ ル ギ ー が 蓄 積 され る.   デ バ イ ス を オ フす る と蓄 積 され た エ ネ ル ギ ー が 放 出 され,ダ

イ オ ー ドを通 っ て

表5・5代

P:出

力電 力

Ton:ト

表 的 な 電流 オ ン ・

ラ ン ジス タの オ ン期 間

コ ン デ ンサ を充 電 す る.一 石 フド ワ ー ド形 に比 べ て部 品 点 数 が 少 な くて 済 む利 点 が あ る が,デ バ イ ス 電 流 は三 角 形 で,ピ

ー ク値 が 大 き く,デ バ イ ス の 利 用 率 は低

い.

代 表 的 な 電 流 オ ン ・オ フ形 間 接 変 換 回路 の 要 点 を ま とめ る と表5・5と な る. (２)

共振 形間接 変換回路

(ａ)

直列共振 形 間接変 換回路

回 路 と 波 形 を 図5・36に

Q1を オ ンす る と,直 流 電 源 → Ｌ →C1→

変 圧器 一次 巻線

(ａ)

図

5・36

直列共振形間接変換回路

(ｂ)

示 す.t1で

デバ イ ス

を通 っ て 共 振 電 流 が

オ フ形間 接 変 換 回路 の要 点

Toff:す

べ て の トラン ジ ス タの オ フ期 間

流 れ て変 圧 器 二 次 側 に電 圧 を誘 起 し,そ れ を整 流 して直 流 出 力 電 圧 を得 る.t2で 共 振 電 流 は0と な り,こ こ でQ1を オ ン させ る と,C1は

オ フ す る.電 流 が 小 さ いt3で デ バ イ スQ2を

一 次 巻 線 を通 っ て 放 電 し,同 様 に 直 流 出 力 電 圧 と な る.常

に電 流0点 近 傍 で デバ イ ス はオ ン ・オ フ す るの で,オ

ン ・オ フ時 の 損 失 が極 め て

小 さ い利 点 が あ る.   (ｂ)並

列共振 形間接変換 回路  基本

構 成 を図5・37に 示 す.共 振 用 コ ン デ ン サC3と

変圧器 一次 巻線が 並列 共 振 回路

を形 成 す る.変 圧 器 の一 次 側 に は正 弦 波 電 圧 が 加 わ る.出 力 直 流 側 の フ ィル タ は チ ョー ク イ ンプ ッ トとす る.基 本 動 作 は 直 列 共 振 形 と同 じ で あ る.

図5・37  並 列 共 振形 間 接 変 換 回路

5・4  直流-交 流電 力変換 回路

  す で に5・2・3項 の 交 流 電 力 間 接 変 換 回 路 で 他励 自制 式 電 力 変 換,お

よ び 自励 他

制 式 電 力 変 換 と し て電 圧 形 イ ンバ ー タ,電 流 形 イ ンバ ー タ を解 説 した.   こ こで は,各 種 直 流電 源 と自励 他 制 式 電 力 変 換 回路 に つ い て説 明 す る.

  5・4・1 直 流 電 源   通 常,電

力 変 換 回 路 の 直 流 電 源 と して,次

の種 類 が あ る.

  (１)商

用 交 流 系 統 か ら順 変 換 回 路 で 変 換 し た 直 流 電 源     サ イ リス タ で は

5・1節 で 説 明 した 位 相 角 の制 御 で 可 変 直 流 電 圧 を 得 る が,ダ

イ オ ー ドで は無 制

御 の 一 定 直 流 電 圧 とな る.   順 変 換 回 路 の 出 力 側 に平 滑 用 コ ン デ ンサ あ る い は蓄 電 池 を接 続 す れ ば定 電 圧 直 流 電 源 とな り,逆 変 換 の動 作 は電 圧 形 イ ンバ ー タ の特 性 を 示 す.   順 変 換 回 路 の 出 力 側 に大 きな イ ン ダ ク タ ン ス を接 続 す れ ば 定 電 流 電 源 とな り, 逆 変 換 の動 作 は電 流 形 イ ンバ ー タの 特 性 を示 す.   (２)  直 流 機     直 流 回路 に 直 流 機 が 接 続 され て 回 転 して い る とき は,電 機 子 端 子 に逆 起 電 力 が発 生 して い る.逆 起 電 力 す なわ ち直 流 誘 起 電 圧 は回 転 数,界 磁 電 流 で 変 化 し,界 磁 の 極 性 を切 り替 え る と直 流 誘 起 電 圧 の 極 性 が 変 わ る.直 流機 を 回 生 制 動 す る と き は,こ の逆 起 電 力 を直 流 電 源 と して 交 流 系 統 に電 力 を変 換 す れ ば よ い.   (３)太

陽 電 池     太 陽 電 池 の 直 流 出 力 は 晴 天 と曇 りで は大 き く変 動 す る.通

常 の シ リコ ン太 陽 電 池 で は天 候 で 定 ま る 出 力 電 圧 ・電 流 特 性 に最 適 動 作 点 が あ る.多 数 の 太 陽 電 池 エ レ メ ン トを 直列 接 続 して構 成 した パ ネル を直 ・並 列 に接 続 して 所 望 の 直 流 電 圧 と電 力 を得 る.変 動 の 少 な い 直 流 電 源 にす る た め,電 池 パ ネ ル の 直 流 出 力 端 子 に蓄 電 池 ま た は フ ィル タ用 コ ン デ ン サ を並 列 に接 続 す る.こ の た め 太 陽 電 池 は定 電 圧 源 と な り,逆 変 換 の 動 作 は 電 圧 形 イ ン バ ー タの 特 性 を示 す.

太 陽 電 池 １セ ル 当 た り の 晴 天 時 の 出 力 電 圧 は 約0.4V(負 力11mW/cm2程

度,変

図5・38(ａ)に

換 効 率 は16%程

荷 の あ る と き),出

度 と い わ れ て い る.

太 陽 電 池 エ レ メ ン トの 構 造,図(ｂ)に

日射 量 と最 大 出 力 点 の 関

係 を 示 す.

(ａ)構 造

図5・38太

(４)燃

料電池

(ｂ)特

性

陽 電 池 エ レ メ ン トの 構 造 と特 性

改 質 器 に天 然 ガ ス を通 して水 素 を取 り出 し,そ の 水 素 と空

気 中 の酸 素 を電 解 質 と電 極 を介 して 接触 させ て電 気 化 学 反 応 で 直 流 電 力 を得 る. 燃 料 電 池 本 体 で あ る 「酸 素 ・空 気 一直 流 電 圧 変 換 器 」 の構 造 を 図5・39に 示 す. そ の直 流 出力 は,セ ル の 数(1セ

ル 当 た りの 直 流 出 力 電 圧 は 約0 .7V)と

水 素,

酸 素 の ガ ス 流 量 に 依 存 し,流 量 を 一 定 に す れ ば変 動 の な い 直 流 電 源 と な る. 1m×1mの

セ ル を ６直 列 ×3並 列 と し,水 素 約66%の

酸 素 約21%の

空 気 約1650kg/hの

流 量 に て670kWの

ガ ス 約445kg/hお

よび

出力 が 得 られ る.

燃 料 電 池 は,定 電 圧 直 流 電 源 の た め に逆 変 換 回 路 を動 作 させ る と電 圧 形 イ ンバ ー タの 特 性 を示 す (５)蓄

電池

. 代 表 的 蓄 電 池 で あ る鉛 電 池 は,鉛

とそ の 酸 化 物 を電 極 材料 と

し,電 解 液 中 に 電 極 を配 置 した 充 ・放 電 可 能 な電 池 で あ る． １セ ル 当 た りの直 流 電 圧 は約2Vの

た め 多 数 の セ ル を直 ・並 列 と して 所 要 の 直 流 電 源 と す る.１ セ

ル か ら取 り出 し う る電 気 量 は,ア

ンペ ア 時 容 量 〔Ah〕あ る い は ワ ッ ト時 容 量 〔Wh〕

(ａ)原 理

(ｂ)セ

ル の構 造

図5・39  燃 料電 池 の 発電 部

で 表 示 さ れ て い る.電 池 を直 流 電 源 と して 逆 変 換 回路 を動 作 させ る と電 圧 形 イ ン バ ー タ の特 性 を示 す.電 池 と逆 変 換 回 路 の 間 に大 きな リア ク トル を付 けれ ば電 流 形 イ ンバ ー タ の 特 性 を 示 す.

5・4・2 自 励 他 制 式 逆 変 換 回 路 先 の5・2・3項 の 図5・22で,逆

変 換 回路 の 出 力 が大 き な交 流 系 統 に結 ばれ て い

て,そ の 系 統 か ら転 流 源 とゲ ー ト位 相 を とる 「他励 自制 式 」 と,出 力 を 独 立 した

負 荷 の み に供 給 し,独 立 した ゲ ー ト装 置 で位 相 を制 御 す る 「自励 他 制 式 」 を説 明 した.自 励 他 制 式 の動 作 特 性,出 用 す る デ バ イ ス,ゲ

力側 の電 圧 ・電 流 波 形 は,回 路 構 成,負

荷,使

ー ト制 御 法 に 関係 し,次 の よ うに 分 類 さ れ る.

共振 形逆 変換 回路 自励他 制 式 逆変 換 回路

直列 共振 逆 変換 回路 並 列 共振 逆変 換 回路

方形 波逆変 換 回路

電 圧 形 逆 変 換 回 路(電

圧 形 イ ン バ ー タ)

電 流 形 逆 変 換 回 路(電

流 形 イ ンバ ー タ)

  特 に,方 形 波 逆 変 換 回 路 は,近 年 の 自 己 オ ン ・オ フ機 能 の あ る デバ イ ス の 進 歩 と と も に,電 力 の パ ル ス 制 御 を基 本 と した 多 くの新 しい 回路 や 方 式 が 開 発 ・実 用 さ れ,パ

ワ ー エ レ ク トロニ ク ス の発 展 の 原 動 力 に な っ て い る .

  自 己 オ ン ・オ フ機 能 の あ る デバ イ ス を使 用 した 回 路 に つ い て は,後 述 す る と し て,通 常 の オ ン機 能 の み の デ バ イ ス を使 用 した 回 路 の例 と波 形,動

作 を次 に説 明

す る.   (１)  共 振 形 逆 変換 回 路   (ａ)  直 列 共 振 逆 変 換 回 路   図5・40(ａ)は 直 列 共 振 回 路 で,負 荷 Ｒ に 直 列 に コ ン デ ン サ Ｃ と イ ン ダ ク タ ン ス Ｌ を 接 続 し,直 列 共 振 回 路 とす る.サ イ リ ス タ

(ａ)回 路 (ｂ)波 形

図5・40  直列 共 振 逆変 換 回路

Q1を オ ンす る と共 振 波 形 の 正 の 半 波 を,サ イ リス タQ2を 発 生 し,図(ｂ)の

オ ン す る と負 の 半 波 を

よ うに 負 荷 に共 振 周 波 数 の 交 流 正 弦 波 の 電 流,電

圧 が加 わ る.

  直 列 共 振 の周 波 数f0は, (5・31)

で あ る か ら,Q1,  Q2の ゲ ー トオ ン,オ

フ周 波 数 をfgと す れ ば, f0とfgの

で波 形 は図(ｂ)の よ う に変 わ る.fg=f0の 路 の 欠 点 は,R≧2√L/Cで

関係

と き出 力 電 圧 は正 弦 波 とな る.こ の 回

は 非 振 動 と な っ て 動 作 不 能 と な る の で,特 殊 用 途 し

か 応 用 され な い.   (ｂ)並

列 共 振 逆 変 換 回 路   図5・41(ａ)の よ う に,直

流 回 路 に 大 き な リア ク

トル を接 続 し,変 圧 器 の 直 流 巻 線 に転 流 コ ンデ ンサ を接 続 す る.変 圧 器 の 二 次 側 に 負 荷 を接 続 し,ゲ ー トを独 立 電 源 の 周 波 数 で 制 御 す る.こ の構 成 は電 流 形 自励 他 制 逆 変 換 回路 で あ る.   Q1を オ ンす る と電 流iQ1がQ1に る.次 に,Q2を れ てQ1を

流 れ,転 流 コ ン デ ンサ は 図 の よ う に充 電 さ れ

オ ンす る と コ ン デ ン サ はQ2を

通 っ て 放 電 し, iQ1と 逆 向 き に 流

タ ー ン オ フ させ る.換 言 す れ ば強 制 転 流 回 路 で あ る.

  出 力 側 の電 圧 波 形 は転 流 コ ン デ ン サ との 関 係 で,図(ｂ)の

(ａ)回 路

(ｂ)波

形

図5・41  並 列共 振 逆変 換 回 路

よ う に,抵 抗 負荷 の

(ｃ)変

形 回路

と き は三 角 波 また は矩 形 波 状 に,誘 導 負 荷 で は正 弦 波状 に な る. 直 流 電 圧Vd,出

力 交 流 電 圧(実 効 値)V〓,制 御 進 み 角 β,変 圧 器 巻 線 比 ｋの と

き, (5・32)

の 関 係 が あ る.()は

直-交 電 圧 変 換 係 数 で,ｋ

とVdが

一 定 の と き,重 負 荷 に

な る と β が小 さ くな っ てV〓 が低 くな る.通 常 の サ イ リク タ の場 合,β

が小 さ く

な っ て サ イ リス タの 転 流 タ ー ンオ フ時 間 よ り小 さ くな る と転 流 失 敗 を起 こ して 動 作 不 能 とな る.軽 負 荷 に な る ほ ど出力 電 圧 は 高 くな る の で,こ た め転 流 コ ン デ ンサ を調 節 す るか,図(ｃ)の

の電 圧 変 動 を 防 ぐ

よ う に 出力 電 圧 を電 源 側 に フ ィー ド

バ ッ クす る.   サ イ リス タ の転 流 失 敗 を防 ぐた め β を一 定 と して 制 御 周 波 数 を 出 力 側 か ら と れ ば,す

な わ ち 自励 自制 式 で 運 転 す る と,負 荷 の 変 動 と と も に 周 波 数 が 変 化 す

る.   自 己 オ フ機 能 の な い通 常 の サ イ リス タ を用 い た 自励 式 逆 変 換 回路 の 動 作 は, 制 御 周 波 数 を 固定 す る と(自 励 他 制 式),負

荷 変 動 に よ り出力 電 圧 は変 動 し,重 負

荷 で は β が 小 さ くな って 転 流 失 敗 を起 こす.出

力 電 圧 波 形 は,転 流 コ ン デ ン サ

と誘 導 負 荷 条 件 に よ り正 弦 波 状 に な る.   β を固 定 す る と(自 励 自制 式),負

荷 に よ っ て 出 力 周 波 数 が 変 動 す る.出 力 電 圧

波 形 は,転 流 コ ン デ ンサ と誘 導 負 荷 条 件 に よ り正 弦 波状 に な る.   (２)  方 形 波 逆 変 換 回路   (ａ)  電 圧 形 方 形 波 逆 変 換 回 路(電 圧 形 イ ンバ ー タ)直 た は蓄 電 池 を接 続 す る と定 電 圧 電 源 とな る.こ る.通 常,負

流 電 源 に コ ン デ ンサ ま

の た め 出 力 電 圧 波 形 は方 形 状 とな

荷 は誘 導 性 の た め帰 還 ダ イ オ ー ドを ス イ ッチ ン グ デバ イ ス に逆 並 列

に接 続 す る.こ の た め ス イ ッ チ ン グ デ バ イ ス は 逆 電 圧 阻 止能 力 が な くて よ い.  ⅰ)単

相 回 路   図5・42(ａ)に デ バ イ ス ２個 の セ ン タ ー タ ッ プ単 相 回 路,図

(ｂ)に ２個 の ハ ー フ ブ リ ッ ジ回 路,図(c)に

４個 の フル ブ リ ッ ジ 回路 と誘 導 負 荷

の と きの 波 形 を示 す.出 力 電 圧 は方 形 状 で あ るが,電 流 は正 弦 波 状 とな る.

(ａ)セ

ン ター タ ッ プ 単 相 回 路

(ｂ)ハ ー フ ブ リ ッ ジ 回 路

(ｃ)フ ル ブ リ ッ ジ 回 路 と波 形

図5・42  単 相 電圧 形方 形 波逆 変 換 回路

  デバ イ ス 電 流 が オ フ した 後,オ

フ電 圧 阻 止 能 力 回復 に 時 間 を 要 す る.直 列 の デ

バ イ スが 同 時 に オ ンす る と直 流 短 絡 とな るの で,こ

れ を避 け る た め 直 列 の デ バ イ

スの オ フ とオ ンの 間 に わ ず か の 時 間差 ⊿tを お く.出 力 電 圧 の 周 波 数 は ゲ ー ト制 御 の 周 期 Ｔ で 定 ま る.デ バ イ ス の 通 電 期 間 を π とす れ ば,出 値)V〓 は,次 式 とな る.()は

力 交 流 電 圧(実 効

交-直 電 圧 変 換 係 数 で あ る. (5・33)

 ⅱ)  三 相 回 路   図5・42(ｃ)を 組 み合 わ せ た 三 相 電 圧 形 方 形 波 逆 変 回 路 と出 力 波 形 を 図5・43に 示 す.   この 回 路 で は,各 相 の ハ ー フ ブ リ ッ ジ の 通 電 期 間 が180° の と き,直 流 電 源 の 中点ODC∼ Ｕ, Ｖ, Ｗ 間 の 電 圧 の振 幅 はVd/2で,π

幅 の 方 形 波 と な り,線 間 電

圧 は ±Vdの 振 幅 を も つ2π/3幅 の 方 形 波 と な る.負 荷 の 相 電 圧 は,６

ス テ ップ

の階 段 状 波 形 と な る.通 電 期 間 が 上 記 の と き線 間 電 圧(基 本 波 実 効 値)V〓 と直 流

(ａ)回

路 (ｂ)波

形

図5・43  三相 電 圧 形 方 形波 逆 変換 回路

電 源 電 圧Vdの

関 係 は 次 式 とな る.()は

交-直 電圧 変 換 係 数 で あ る. (5・34)

平 滑 コ ン デ ンサ の 直 流 電 圧 極 性 は 変 わ ら な い の で,負 荷 の 電 力 回 生 に は こ の コ ンデ ンサ に並 列 に 逆 変 換 回路 を付 け て 直 流 電 力 を商 用 交 流 系 統 に 変 換 す る.   (ｂ)電

流 形 方 形 波 逆 変 換 回 路(電 流 形 イ ンバ ー タ)直

流 電 源 に大 き な リア ク

トル を接 続 す る と定 電 流 源 とな る.こ の た め出 力 電 流 波 形 は 方形 状 とな る.直 流 電 流 は常 に一 方 向 に流 れ る の で,電 圧 形 に必 要 で あ った 逆 電 流 用 帰 還 ダ イオ ー ド は 不 要 で あ る が,ス イ ッチ ン グ デバ イ ス に は逆 電 圧 阻 止 能 力 が必 要 で あ る.  ⅰ)単

相 回 路   図5・44に 単 相 フ ル ブ リ ッジ 回路 と波 形 を示 す.図(ａ)で,デ

バ イ スQ1とQ2, 

Q3とQ4を

任 意 の 周 波 数 に て 交 互 に180゜ の 期 間 で オ ン さ せ て

負 荷 に方 形 波 状 の 交 流 電 流 を流 す.負 荷 に並 列 の コ ンデ ンサ は,転 流 コ ン デ ンサ と して デバ イ ス の転 流 動 作 を行 う.   Q3,

Q4が

通 電 し て い る と き, Q1,

Q2を

オ ン さ せ る と, Q3,

の 端 子 電 圧 で 逆 バ イ ア ス さ れ て 瞬 時 に タ ー ン ォ フ し,電

Q4は

コ ンデ ンサ

流 の 方 向 が 反 転 す る.負

(ａ)回

路

(ｂ)波

形

図5・44  単 相電 流 形方 形 波 フル プ リ ッジ 回路

荷 電 流 の 方 向 が 切 り換 わ るた び に コ ンデ ン サ にパ ル ス 状 の 電 流icが 流 れ,誘

導

負 荷 に は そ の 端 子 電 圧 よ り遅 れ た 電 流i〓が 流 れ る.抵 抗 負 荷 の と き の 出 力 電 圧 は電 流 波 形 と同 じ方 形 状 とな る が,誘

導 負 荷 で は正 弦 波 状 に な る.電 圧 波 形 の

Tqの 時 間 は デバ イ ス が 逆 バ イ ア ス され て い る期 間 で,通 常 の サ イ リス タ を使 う と き は,サ イ リス タ の タ ー ン オ フ 時 間 はTqよ  ⅱ)三

り十 分 小 さ くな けれ ば な らな い.

相 回 路   図5・45(ａ)に サ イ リス タ に直 列 に ダ イ オ ー ドを,ま た線 間 に

転 流 コ ン デ ンサ を接 続 した 三 相 ブ リ ッ ジ回 路 を 示 す.こ

の ダ イ オ ー ドは,コ

ンデ

ンサ の充 電 電 荷 が 失 わ れ る の を防 ぎ,サ イ リス タ の 転 流 を確 実 に す る た め で あ る.図(ｂ)は

ゲ ー トタ ー ンオ フ サ イ リス タ を用 い た 回 路 で あ る.

  出 力 電 流 す な わ ち直 流 電 流 の制 御 は順 変 換 回 路(図 で は示 して いな い)の 位 相 制 御 で 行 う.出 力 の周 波 数 はゲ ー ト制 御 回 路 で定 ま る.  各 デ バ イ ス に 流 れ る電 流 波 形 は,三 相 均 一 ブ リ ッ ジ と 同 じ く ピ ー ク値Id, 120゜通 電 の 方 形 波 で,出 力 電 流(基 本 波 実 効 値)I〓 と直 流 電 流Idの な る.()は

交+直 電 流 変 換 係 数 で あ る.図(ｃ)に

波 形 を示 す.

関係 は 次 式 と

(ａ) 直 列 ダ イ オ ー ド付 イ ン バ ー タ 回 路

(ｃ) 図(ｂ)の 波 形(誘 (ｂ) ゲ ー ト タ-ン

導 負 荷)

オ フサ イ リス タ回路

図5・45  三 相電 流 形 方 形波 逆 変換 回路

(5・35)

直 流 電 流 の 流 れ る 方 向 が 変 わ らな い か ら,順 変 換 側 の制 御 角 α を90° 以 上 に し て 逆 変 換 動 作 を させ れ ば,直

流電 力 を商 用 交 流 系 統 に変 換 で き る.

電 圧 形 イ ン バ ー タ と 電 流 形 イ ン バ ー タ の 比 較 を5・2・3項

の 表5・4に

示 して あ

る.

5・4・3 パ ル ス に よ る 電 力 制 御 回 路 自 己 オ ン ・オ フ機 能 を もつ デ バ イ ス の 歴 史 を み る と,1960年

代 に電 力用 ダー

リン トン トラ ン ジ ス タ が 電 動 機 速 度 制 御 に 実 用 され た の を初 め と して,1970年 代 半 ばか らゲ ー トタ ー ンオ フ サ イ リス タ の 高電 圧,大 電 流 化 は飛 躍 的 に発 展 し, 応 用 が 広 が っ た.こ 速 度 の改 善,高

れ と同 時 に,MOSFET,IGBTが

開発 さ れ,ス

イ ッチ ン グ

電 圧 ・大 電 流 化 が 進 ん だ.

これ らの デ バ イ ス の 応 用 分 野 は図4・27の よ うで あ る.こ れ らデ バ イ ス の発 展 の 背 景 に は,次

に述 べ る 「パ ル ス に よ る電 力制 御 」 の 特 徴 が 認 め られ,応

らの 強 い ニ ー ズ が あ った た め と言 え る.こ の よ う な技 術 の 動 向 は,あ

用側か

た か もオ ー

デ オ ・ビ デ オ機 器,通 信 ・情 報 機 器 の信 号 処 理 が ア ナ ロ グ式 か ら デ ジ タル 式 に 移 行 した の と よ く似 て い る と言 え よ う. パ ル ス に よる 電 力 制 御 の 特 徴 は,次 ①

直 流 直 接 変 換(チ

ョ ッパ)回

の よ う に な る.

路 で,パ

ル ス幅(PWM)制

御 に よ り出 力 直

流 電 圧 を直 流 電 源 電 圧 よ り昇 圧,降 圧 で き る.(5・3・1項 参 照) ②

直 流 間 接 変換 回 路 で,パ

ル ス に よ る高 周 波 交 流 電 圧 を介 在 させ るた め電 圧

の 変 換 が 容 易 で,装 置 を小 型 ・軽 量,高 ③

効 率 化 で き る.(5・3・2項 参 照)

電 圧 形 イ ンバ ー タ の 変 換 回路 をパ ル ス 制 御 す る こ とに よ り,出 力 側 の 電 力 を 電 源 側 に 回 生 で き る.

④

通 常 の順 変 換 回 路 で は,交 流 電 源 波 形 に対 す る ゲ ー ト位 相 に よ っ て 直 流 出 力 電 圧 を(ア ナ ロ グ 的)に 制 御 す るが,電 化 す る.パ ル ス で(デ

圧 と電 流 の 位 相 差 で あ る力 率 も変

ジ タル 的)に 制 御 す る と力 率 １を保 ち な が ら電 圧 を制

御 で き る. ⑤

出 力 側 の電 圧 ・電 流 波 形 はパ ル ス の集 合 で 形 成 され て い る た め,電

圧,電

流 波 形 を正 弦 波 に近 似 させ る た め の 高 調 波 フ ィル タ が 必 要 で あ る.   (１)パ

ル ス 制 御 と イ ンバ ー タ 出 力 電 圧 ・電 流 波 形

流 を 制 御 す る場 合,チ 5・46に 示 す.一

(ａ)PAM方

ョ ッパ 回 路 と同 様,次

般 にPWM方

式

パ ル ス に よ っ て電 圧,電

の 方 式 が あ る.そ

の波形 の例 を図

式 が 使 わ れ て い る.

(ｂ)PWM方

式

(ｃ)PFM方

式

図5・46  変 調 方式 と電圧 ・電 流 波 形(近 似 的 な交 流 出 力電 圧(半 波)を 示 す)

①

パ ル ス 振 幅 変 調(PAM;PulseAmplitudeModulation)

②

パ ル ス 幅 変 調(PWM;Pulse 

Width

Modulation):単

一パ ルス または多パ

ルス幅 の変調 ③

パ ル ス 周 波 数 変(PFM;Pulse

Frequency

Modulation):オ

ン時 間 一 定

また は オ フ時 間 一 定 制 御 例 え ば,PWM方 ン,オ

式 で 正 弦 半 波 を 形 成 す る た め に は,所 定 の タ イ ミ ン グ で オ

フ の信 号 を デバ イ ス に 与 え て ス イ ッ チ動 作 させ,電

力 をパ ル ス化 す る.

タ イ ミン グ を決 め る た め,制 御 回路 内 で 変 調 波(希 望 す る 出 力 の 正 弦 波 形)と 三 角 波 状 の 搬 送 波 を発 生 さ せ,両 波 の二 つ の 交 点 間 で 変 調 波 の ほ う の振 幅 が 高 い期 間 の とき に デ バ イ ス を オ ン状 態 に す る.PWM方

式 に よ る 波 形 の形 成 の 例 を 図

5・47に 示 す.

(ａ)変 調 原 理

(ｂ)PWM波

形

図5・47PWMに

よ る波 形 の 形成

  (２)  自 励 式 電 圧 形 イ ンバ ー タ で 電 力 を 可 逆 制 御 さ せ る方 法   (６)で,電

圧 形 イ ンバ ー タ で は,電 力 の 可 逆 制 御 の た め に は直 流 回路 に逆 変 換 回

路 を接 続 す る必 要 が あ る こ とを述 べ た.こ た め で,電

5・2・3項の

れ は 直 流 電 圧 の 極 性 が 固定 され て い る

力 の 可 逆 制 御 に は直 流 電 流 の 方 向 を 可 逆 に し な けれ ば な らな い.

  チ ョ ッパ の 原 理 とPWM制

御 を電 圧 形 イ ンバ ー タ の 順 変 換 側 デ バ イ ス に 応 用

す る と,逆 変 換 回 路 の付 加 を必 要 とせ ず に電 力 の 可 逆 制 御 が で き る.   図5・48に,電

力 の 可 逆 制 御 を説 明 す る た め の 単 相 ブ リ ッ ジ電 圧 形 イ ンバ ー タ

図

を示 す.電

自励 式 四象 限電 圧 形 イ ンバ ー タ

5・48

力 は,交 流 電 源Vsか

コ ン デ ンサCdを

整 流 し,直 流

充 電 す る.直 流 電 力 は,変 換 回 路 Ｂ の デ バ イ スQbで

て 負荷 Ｂ に 交 流 電 力 を 流 す.各 か,あ

ら変 換 回路 Ａ の ダ イ オ ー ドDaで

逆 変換 し

デバ イ ス に ダ イ オ ー ドを逆 並 列 に接 続 して お く

る い は 逆 導 通 ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ を使 用 す る.

  負 荷 の 交 流 電 力 を 回 生 す る 場 合,変 し,直 流 コ ン デ ン サCdを は,直 流 電 圧Vdを

換 回 路 Ｂ の ダ イ オ ー ドDbで

直 流 に変換

充 電 す る.こ の 直 流 電 力 を 交 流 電 源 側 に 変 換 す る に

交 流 電 源 電 圧Vsよ

り も高 くす れ ば よ い.こ

の た め,交 流 電

源 に イ ン ダ ク タ ン スLsを

接 続 し て,「 交 流 電 源 → イ ン ダ ク タ ン スLs→

スQa→

ダ イ オ ー ドDa」 の 回路 で 昇 圧 チ ョ ッパ 回 路 を形 成 し,

コ ン デ ン サCd→

QaをPWM制

御 し て コ ン デ ン サ 電 圧Vdを

√2Vsよ

デバ イ

り高 め る(昇 圧 チ ョ ッパ の

動 作 は5・3・1頃 の(２)参 照).   この コ ン デ ン サ を電 源 と し て デ バ イ スQaをPWM制 瞬 時 値 よ り高 く,か つ,Qaが   こ の 回 路 構 成(三

御 す れ ば,VdがVsの

相)とPWM制

オ ンの 期 間 の と きに 交 流 電 源 側 に電 力 が 流 れ る. 御 方 式 は 高 速 鉄 道 用 電 動 機 の 正 ・逆 転,回

生 力 行 の速 度 制 御 に応 用 さ れ て お り,自 励 式 四 象 限 電 圧 形 イ ンバ ー タ と い う.   (３)PWM方 圧,力

式 に よ る 力 率 の 制 御5・2・3項

の(４)で,制

御 角 と直 流 電

率 の 関 係 を説 明 した.こ れ は,電 源 転 流 に よ る電 圧 と電 流 の ア ナ ロ グ 的 な

位 相 関係 に よ り,制 御 角0゜ の と き は力 率 は1,90゜

の と き は ０ とな る.

  図5・49(ａ)の 自己 オ ン ・オ フ機 能 の あ る デ バ イ ス を用 い た 単 相 均 一 ブ リ ッ ジ 順 変 換 回路 で,図(ｂ)の

ように電気 角 α

で デ バ イ ス をオ ン さ せ,正 弦 波 の 中 心 線 を対 称 と し て π-α で オ フ さ せ る と,出 力直 流 電 圧 は制 御 され る が,電 流 は常 に 電 圧 と同 相 の た め力 率=1を

(ａ)

回路構成

維 持 で き る.

従 っ て,遅 れ 電 力 は必 要 と し な い.   デ バ イ ス をPWM制

御 す れ ば,波

形

は 図(ｃ)の よ う に な り,同 様 に電 圧 と電 流 は同 相 と な っ て,力 率=1を

(ｂ) 対称 ゲ ー ト幅 制 御

維持でき

る.こ の よ う な動 作 を させ る と,直 流 電 圧 お よび 交 流 電 流 の 高 調 波 成 分 が 増 加 す るの で,直 流 側,交 流 側 に フ ィル タが 必 要 で あ る.こ の 方 式 は,逆 変 換 回路 で も 動 作 で き る の で,制 御 進 み 角 と所 要 進 み

(ｃ)

多パ ル ス幅PWM変

図

5・49

調制御

パ ル ス制 御 に よ る 力率

電 力 の 関 係 は な く,進 み電 力 は必 要 と し な い.

5

・

回路に関する諸事項

5

高調波

5 5 1 ・

・

  自己 オ ン お よび オ フ機 能 を もつ デ バ イ ス は,電 力 損 失 の小 さ い電 子 的 超 多頻 度 ス イ ッチ で あ り,そ の 動 作 は極 め て 早 く μs∼nsの オ ー ダ ー で あ る.回 路 に デ バ イ ス を接 続 して動 作 させ る と,負 荷 に は電 源 波 形 の 一 部 が 断 片 的 に加 わ る た め 高 調 波 を 含 む 波 形 とな り,か つ,オ 一般 に

,電 圧,電

ン,オ

フ時 に過 渡 振 動 電 圧 を発 生 す る.

流 の 瞬 時 値 を数 式 で 表 し,そ れ を フー リエ 展 開 す る こ と に よ

り基 本 波 と高 調 波 を 求 め る こ と が で き る. (１)

順 ・逆 変換 回路 の直 流 高 調 波

  変 換 回 路 の 直 流 出 力 電 圧 お よび 交 流 電 流 に含 まれ る 高調 波 は,変 換 回 路 の相 数 と制 御 角 に よ っ て 定 まる.順 変 換 回路 で は,制 御 角 αの 増 加 と と も に 直 流 電 圧 波 形 は 振 幅 の 大 き い 鋸 歯 状 と な り,a =90゜ で最 大 とな る.  高 調 波 の 次

数ｎ は 整 数 １,２,３,… を

図

ｋ,直 流 回 路 の パ ル ス 数 を ｐ と し て,

5・50

制御 角 と高調 波 の関 係

n=kp±1

(5・36)

重 な り角 を無 視 し,基 本 波 の 実 効 値 を V〓,第 ｎ次 高 調 波 の それ をVnと

す れ ば, (5・37)

の 関 係 が あ る.例

え ば,三

相 均 一 ブ リ ッ ジ 回 路 はp=6で

圧 波 形 に 含 ま れ る 高 調 波 は,基 11次,第13次

… と な る.各

1/7,1/11,1/13…

と な る.す

本 波V1の

ほ か,第

５ 次 のV5,第

次 数 の 高 調 波 の 実 効 値 は,基 な わ ち,変

あ る か ら,出

力直流 電

７ 次 のV7,第

本 波 実 効 値V1の1/5,

換 回路 の直 流 側 パ ル ス 数 ｐを増 す ほ ど

高 調 波(実 効 値)は 大 幅 に 減 少 す る.

無 負荷 無 制 御 直 流 電 圧 をVd0,直

流 電 圧 の 最 高 値(瞬 時 値)と 最 低 値 の差 を ⊿V

とす る と,脈 動 率 は (5・38) と な る.

 交 流電 流 波 形 の 高 調 波 は,電 流 波 形 を 方 形 状,階 に な る.図(ａ)は,方

段 状 と し て,図5・51の

よう

形 波 の 通 電 幅 に対 す る 基 本 波 と高 調 波 の 実 効 値 の比 を 示

(ａ)

方形 波 の通 電 幅 と高 調 波の 関 係

(ｂ) 波 形 と計 算式

図

す.図(ｂ)は,波

5・51

波 形,基 本 波,高 調 波の 関 係

高 値 を 定 数 Ａ で 表 して い るの で,電

用 で き る.転 流 リア ク タ ンス の 増 加,す

圧 に も,ま

た 電 流 に も適

な わ ち重 な り角 の 増 加 と と もに 波 形 は丸

味 を帯 び るた め,直 流 電 圧 お よ び 交 流 電 流 波 形 に含 まれ る高 調 波 の 実 効 値 は減 少 す る. 変 換 装 置 の制 御 上,直

流 電 流 は軽 負荷 で も連 続 して い る こ とが 望 ま しい.

高 調 波 を含 む直 流 電 圧 に対 し て直 流 電 流 を連 続 す るた め に必 要 な直 流 リア ク ト

図

5・52

制 御 角 とf(a)の

関係

ル の イ ン ダ ク タ ン ス Ｌ は,制 御 角 αの 関 数 を 図5・52のf(a) 線 間 電 圧(実 効 値)(三 相 半 波 で は相 電 圧(実 効 値))Vs,連

,電 源 周 波 数 を ｆ,

続 と な るた め の 直 流 電

流Idは, (5・39)

逆 変 換 領 域 で は,波 形 的 に対 称 な の で,上 述 した 図,式 (２)

交流電 力調整回路 の高 調波

荷 の場 合,高

5・2・1項 で 説 明 し た 単 相 回 路 で,抵

5・53

抗 負

調 波 次 数 を ｎ と して,制 御 角 α と電 圧 波 形 の 高 調 波 の 関 係 は,図

図 図

が 適 用 で き る.

交 流電 力 調整 回路 の高 調 波

5・54

多相 チ ョ ッパ の 相数 と 出 力電 流 に含 まれ る高 調 波分 の 比

5・53と

な る.

次 数 は,基 =1 ,す

本 波 をn=1と

し て,n=3,５,７,９

… の 奇 数 が 存 在 す る.α=0°

でn

な わ ち 基 本 波(実 効 値)は 電 源 の 交 流 電 圧(実 効 値)と 等 し い.

(３)チ

ョ ッパ 回 路 の 出力 電 流 高 調 波

フ 期 間 をToff,  はm=1,二

Ton/(Ton+Toff)を

相 で は ２,三

流 通 率 α,チ

相 で は ３),電

の 比 を リ ッ プ ル 率 と し た と き,流 5・54に 示 す.リ

チ ョ ッパ 回 路 で オ ン 期 間 をTon,オ ョ ッ パ の 相 数 を ｍ(単 相 の と き

流 平 均 値 に対 す る 高 調 波 電 流 の 脈 動 幅

通 率 α と リ ッ プ ル 率 の 比(m=1を

基 準)を

図

ッ プ ル 率 の 最 大 値 は 相 数 に 逆 比 例 し て 減 少 す る.

相 数 を増 す ほ ど直 流 リア ク トル は小 さ くて す む. (４)自

励 式 電 圧 形,電 流 形 イ ンバ ー タ の 高 調 波

この 回 路 は,5・4・2項 で

述 べ た よ う に,電 圧 形 で は 出 力 電 圧 は方 形 波 とな り,電 流 形 で は 出力 電 流 は方 形 波 とな る.負 荷 が 抵 抗 で あ れ ば,前 者 の電 流 お よ び後 者 の 電 圧 も方 形 波 と な る. また,負 荷 が誘 導 性 で あ れ ば,前 者 の電 流 お よ び後 者 の 電 圧 は 正 弦 波 状 に な る. 方 形 波 に含 まれ る高 調 波 は,図5・51に (５)他

示 した.

励 式逆変 換回路 の高調波

に接 続 され て い るの で,出

この 回 路 は,出 力 側 が 商 用 交 流 電 力 系 統

力 電 圧 は交 流 系 統 の 正 弦 電 圧 波 形 と な る.逆 変 換 回 路

の 直 流 側 に 直 流 リア ク トル が あ れ ば 出力 電 流 は方 形 状 とな る が,こ

の 波 形 に含 ま

れ る高 調 波 は交 流 系 統 に 吸収 され る. (６)PWMイ

ン バ ー タの 高 調 波    期 間 π の 半 サ イ クル の 間 に 複 数 回 オ ン ・

オ フ して通 電 幅 を制 御 して 電 圧 また は電 流 の 実 効 値 を制 御 す る.波 形 が 複 雑 の た め高 調 波 の 計 算 は容 易 で は な い. 例 と し て,半

サ イ ク ル の 期 間 に １,３,５パ ル ス の オ ン 期 間 を も つ 櫛 状 波 形 と高 調

波 の 計 算 式 を 図5・55に

示 す.こ

の 式 の 右 辺 の 第 １項 は 正 弦 波 の 振 幅 を 示 し,第

２項 は 位 相 を 示 す.こ

の 式 か ら,例

去 す る た め に はn=5と

し,[]内

い.１

パ ル ス の と き は,図5・51の

第 ３次 高 調 波 は な く な る が,第

え ば ５パ ル ス のPWMで

第 ５次 高 調 波 を 消

を ０ と す る た め の α1と α2を 設 定 す れ ば よ よ う に,パ ５次,第

ル ス 幅120°

にすれ ば振幅 の大 きい

７次 高 調 波 は 残 る.

図5・55PWMイ

5・

5・ 2

ン バー タの高 調 波

高 調 波 フ ィル タ

高 調 波 フ ィル タ を設 計 す る 前 に,経 済 性 が 許 さ れ る限 り回路 の 相 数 を増 す か, 動作 周 波 数 を高 くす るか,PWMの

α1  α2を制 御 して 高 調 波 の 次 数 を 高 め る必 要

が あ る.次 数 を高 くす る ほ ど周 波 数 は高 く,そ の振 幅 は小 さ くな るの で フ ィル タ を小 型 ・軽 量 化,経 (１)

済 的 にで き る.

直流 回 路 の フ ィル タ

通 常,図5・56の

よ う に,イ

ンダ クタ ンス Ｌ と

キ ャパ シ タ ンス Ｃ の 逆 Ｌ 形 フ ィル タで 高 調 波 を低 減 させ る. 直 流 電 圧 の基 本 高 調 波 周 波 数 をパ ラ メ ー タ と して,リ

ップル減衰 率 と Ｌ と Ｃ

の 積 の 関 係 は同 図 の よ う に な る。 さ ら に,リ

ッ プル を 減 ら した い 場 合 は,フ

大 き くす る ほ ど リ ップ ル は低 減 す るが,直

ィル タ を多 段 直 列 に す る.Ｌ,Ｃ

を

流 短 絡 事 故 の 際 の エ ネ ル ギ ー の 処 理,

お よび 直 流 出 力 の速 応 制 御 性 に 問題 が 出 る。

図5・56 

(２)

直 流 回 路 用 フ ィル タ

交 流 回 路 の フ ィル タ    低 減 させ よ う とす る 高 調 波 周 波 数 に 同 調 さ せ た

Ｌ,Ｃ の 共 振 回 路 を星 形 また は三 角 結 線 し た三 相 フ ィル タ を交 流 系 統 に接 続 す る. 三 相 ブ リ ッジ 回 路 の場 合 は,図5・57の

よ う に,第

５,第

７,第11,第13次

用

の 三 相 フ ィル タ群 を交 流 系 統 に接 続 す る.こ の フ ィ ル タ 用 コ ン デ ンサ は順 変 換 運 転 時 の 遅 れ 力 率 改 善 用 と して,ま

た逆 変 換 運 転 時 の 進 み電 力 供 給 源 と して 作 用 す

る.

図5・57交

流 回 路 用 フ ィル タ

5・5・3転 流 時 の過 渡 振 動 電 圧 の 抑 制 デ バ イ ス が 転 流 す る際,デ び転 流 回路(主

バ イ ス の蓄 積 キ ャ リア の 減 衰 過 程 の 時 間 的 変 化 お よ

と して 変 圧 器)の 転 流 す る相 の イ ンダ ク タ ン ス とそ の ス トレ ー キ

ャパ シ タ ンス に よ り過 渡 振 動 電 圧 を発 生 す る. こ の振 動 電 圧 の ピー ク が デ バ イ ス の 非繰 返 し ピー ク逆 電 圧 を超 え る と特 性 の 劣 化 を招 き,ま た 誘 導 障 害 の 発 生 源 とな るの で 抑 制 す る必 要 が あ る.こ の た め,デ バ イ ス に並 列 に コ ン デ ン サ Ｃ と抵 抗 Ｒ か らな る 図5・58の ス ナ バ 回 路(4・2・2項 参 照)を 接 続 す る.ス ナ バ 回 路 の Ｃ は順 変 換 回 路 の構 成 に した が い １サ イ ク ル 中 に複 数 回 充 ・放 電 す る の で,電 力 損 失 を軽 減 す るた め に で き るだ け小 さ い値 を選 ぶ.

図5・58ス

ナ バ 回 路 と波 形

三 相 均 一 ブ リ ッ ジ 回路 を例 に と り,変 圧 器 直 流 巻 線 の 一 相 当 た りの イ ンダ ク タ ンス をLp,転

流 す る相 の 間 の ス トレー キ ャパ シ タ ン ス をCs,お

よ び等 価 制 動 抵

抗 を γ,各 デ バ イ ス に 並 列 の ス ナバ 回 路 の コ ン デ ンサ と抵 抗 をCAK,RAKと ば,ブ

リ ッ ジ 回路 の デ バ イ スD1が

見 た 等 価 回路 は図5・59と な る.

すれ

オ フ し た 瞬 間 の 陽 極-陰 極 端 子 か ら電 源 側 を

(ａ)オ

(ｂ)図(ａ)の

フ直 後 の 回路

図5・59ス

(ｃ)等 価 回路

単純 化 回路

ナ バ 回路 の 設計 法 の例(三 相 ブ リッジ 回路)

図(ｃ)の 等 価 回 路 で,Co,Roを

接 続 す る こ とに よっ て端 子A-K問

の 電 圧 を非

振 動 とす る た め の 条 件 は,

と な る.こ CAKは

の 条 件 は,CAKお

よ びRAKを

求 め る 一 つ の 手 法 で あ っ て,例

使 用 す る デ バ イ ス の 蓄 積 キ ャ リ ヤQrrの

変 換 回 路 で は,CAK=0.01∼0.5〔

値 を 考 慮 し て 定 め る.通

え ば,

μF〕,RAK=10∼100〔

常 の順

Ω〕の 範 囲 で あ る.

5・5・4  事 故 電 流

変 換 回 路 の 設計 の 際,予

想 され る事 故 を想 定 して 保 護 策 を と り,デ バ イ ス を選

択 し な けれ ば な ら な い.三 相 均 一 ブ リ ッジ順 変 換 回 路 を例 に と り,事 故 電 流 と保 護 対 策 を考 え る. (１)直

流短 絡電流

図5・60(ａ)の

ブ リ ッ ジ 回 路 で,交

交 流 側 に 等 価 的 に 集 中 し た 一 相 当 た り の 抵 抗 をR〓,リ

流 線 間 電 圧 をV〓,

ア ク タ ン ス をX〓

と し

制 御 角 α=0° の と き の 直 流 短 絡 電 流(こ の と き が 電 流 は 最 も 大 き い)波 形 は,図 (ｂ),(ｃ)と

な る.当

然 の こ と な が らR〓 が 小 さ く,従

ど事 故 電 流 の ピ ー ク値 は 大 き い.事

っ て,X〓/R〓

が大 きいほ

故 時 に 通 電 中 の サ イ リ ス タ に は 図(ｃ)の

電流

(ａ) 回 路

(ｂ)  直 流 電 流id

(ｃ) サ イ リ ス タ電 流ia

図5・60  直 流短 絡 時 の事 故 電 流 (図(ｂ),(ｃ)の

波 形 は,直

流 回路 の イ ン

ダ ク タ ン ス と抵 抗 が な い と き を 示 す 。)

が 流 れ るの で,サ

イ リス タ の 定 格 サ ー ジオ ン電 流 は この 電 流 に対 して 十 分 余 裕 が

な け れ ば な らな い. (２)

サ イ リス タの電 圧 阻止機 能 の喪 失

図5・61(ａ)の

回 路 で,サ

イ リス

タ ３が オ ン状 態 に な っ た と き に サ イ リス タ １が 電 圧 阻 止 機 能 を失 っ て 導 通 状 態 に な る と(こ の と き が 電 流 は最 も大 き い),交 タ ３,５ に短 絡 電 流 が 流 れ る.図(ｂ)に (３)

流 線 間 短 絡 とな っ て健 全 な サ イ リス

そ の 電 流 波 形 を示 す.

サ イ リス タ変換装 置の事故 電流保護対 策

変 換装置 の外部 お よび内部

回路 の 事 故 に対 し て過 電 流 検 出 に よ るゲ ー ト遮 断,電 源 交 流 遮 断 器 の 開 放 あ るい は高 速 限 流 ヒ ュー ズ に よ り事 故 電 流 を速 や か に遮 断 し,続 流 を 阻 止 す る.過 電 流 に対 す る保 護 強 調 の例 を図5・62に 示 す. サ イ リス タ につ い て の 限 界 曲 線 は,長

時間 通電 に よる許容 接合 部温 度 特性 −

Ａ,定 格 非 繰 返 しサ ー ジオ ン電 流 − Ｂ,I2t特

性 −Ｃ が あ る.

(ａ)回

路

(ｂ)

図5・61サ

図5・62保

護 強 調 曲線

事 故 電 流 が これ ら の 曲線 以 内 に な る よ うに,大 ュ ー ズ で,低 る:

波形

イ リス タ電圧 阻止 機能 の 喪 失時 の 事 故電 流

き な事 故 電 流 に対 して は 高 速 ヒ

い過 電 流 に対 し て は ゲ ー ト遮 断 お よび 遮 断 器 の 動 作 で 多 重 に保 護 す

演 〔 問 題 〕 １.電

習 問

源 側 が 交 流 お よ び 直 流,負

題

〔５ 〕

荷 側 が 交 流 お よ び直 流 の と き,電

力 変換 回路

と して どの よ う な組 合 せ が あ る か?

〔 問 題 〕 ２.順

変 換 回 路 に つ い て,制

御 角 α と直 流 出 力 電 圧(平

cosα の 項 が 入 っ て くる の か? 

例 と して,三

な く,直 流 電 流 は 平 坦 と して,直

流 電 圧(平

均 値)の

関係 に な ぜ

相 星 形 順 変 換 回 路 で,重 均 値)を

な り角 は

求 め る式 と αが30° の と き

の 各 部 の 波 形 を示 せ.

〔 問 題 〕 ３.三

相 均 一 ブ リ ッ ジ 回 路 で,制

力 電 力Pacと 角=0,重

御 角 α=0,重

直 流 出 力 側 電 力 の 比 が1.05で な り角u=0,回

路 の 抵 抗 損 失,デ

な り角u=0の

と き,交 流 側 入

あ る こ と を 説 明 せ よ.た

だ し,制

御

バ イ ス の オ ン損 失 は無 視 す る.

〔 問題 〕 ４.他 励 自制 式 と自励 他制 式 逆 変換 の回路 構 成 お よび運 転 特性 の差 異 な ら び に 応 用 例 を 述 べ よ.

〔 問 題 〕 ５.電

圧 形 イ ンバ ー タ と電 流 形 イ ンバ ー タ の 差 異,特

〔 問 題 〕 ６.二

象 限 チ ョ ッパ,四

徴 を述 べ よ.

象 限 チ ョ ッパ と は 何 か?

〔 問題 〕 ７.直 流 間接 変換 回路 で,中 間 の交 流 の周 波数 を高 くす る理 由 は何 か?

〔 問 題 〕 ８.パ

ル ス に よ る 電 力 変 換 の 特 徴 を述 べ,パ

制 御 方 式 を述 べ よ.

ル ス に よ る ゲ ー トま た は べ ー ス の

第 ６章

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 応 用(

そ の １)

−電力 への応用 −

  パ ワ ー エ レ ク トロニ ク ス の 応 用 分 野 は 多 岐 にわ た っ て い て 明 解 に分 類 す る こ と は困 難 で あ るが,あ

えて 大 別 す る と 「電 力 へ の 応 用 」 と 「回転 機 へ の 応 用 」 とな

り,そ の 大 分 類 は表6・1の よ う に な る.特 に,電 動 機 へ の 応 用 は,重 工 業 ・一 般 産 業 用,交

通 ・輸 送 機 器 用 か ら家 電 機 器 用 な ど,極 め て 広 い.

表6・1パ

ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 応 用 分 野 の 分 類 の 例

  この第 ６章 で は 「電 力 へ の 応 用 」 を,次 の 第 ７章 で は 「電 動 機 へ の 応 用 」 に つ き代 表 例 につ い て 説 明 す る.

6

・

1

交流-交 流変換(交 流 間接 変換)

こ こで,わ

が 国 の送 ・配 電 お よ び 電 力 応 用 の歴 史 を概 説 す る と,次 の よ う に な

る.

1770年

代,電

1869年,電

気 に 関 す る 知 識 は オ ラ ン ダ か ら 伝 わ っ た と さ れ て い る.

気 の最 初 の 応 用 は電 灯 で は な く,輸 入 電 信 機 に よ る 東 京-横 浜 間 の

電 信 回 線 が 開 通 し た. 1878年,東

京,虎

反 響 を 呼 ん だ.こ

1886年,東

の 門 で 初 め て 直 流 電 源 に よ り ア ー ク 灯 が 点 灯 さ れ,大

の 日,３

月25日

きな

は 電 気 記 念 日 に な っ た.

京 電 燈 会 社 が電 灯 電 力 と して 直 流 式 の 発 ・送 電 で 営 業 を開 始 し た.

す な わ ち,最 初 の発 電,送 1890年,浅

・配 電 は直 流 式 で あ った.

草 凌 雲 閣(12階)で,直

流 電 動機 に よ るエ レベ ー タ運 転 が 始 ま っ

た.短 期 間 で 運 転 が 中 止 さ れ た が,最 初 の 動 力 へ の応 用 で あ っ た. 同 年,上 野 公 園 の博 覧 会 で 特 設 の遊 覧軌 道 で 電 車 を運 転 し た.最 初 の 交通 へ の 応 用 で あ った. 1891年,京

都,蹴

上 水 力 発 電 所 で,60Hzほ

か複 数 の周波 数 の発 電機 に よる

交 流 式 発 ・送 電 が 始 ま っ た.本 格 的 な 水 力 発 電 所 で あ った. 1897年,東

京 電 燈 は,浅 草 火 力 発 電 所 に ドイ ツ製50Hz発

た た め,東 京 地 区 を中 心 に50Hz電 同 年,大

化 地 域 が広 ま った.

阪 電 燈 会 社 は,幸 町 発 電 所 に ア メ リカ 製60Hz発

た た め,大 阪 ・京 都 地 区 を中 心 に60Hz電 今 か ら100年 本 は60Hzに

1923年,関

前,こ

電機 を多数 設 置 し

電 機 を多 数設 置 し

化 地 域 が 広 まっ た.

の 二 つ の 地 区 の 独 自 の 電 化 に よ っ て 東 日 本 は50Hz,西

日

２分 割 さ れ る 原 因 と な っ た.

東 大 震 災 後,東 京 電 燈 に残 っ て い た 直 流 式 送 ・配 電 は す べ て 交 流

式 に な っ た. 終 戦 当 時 の 地 方 に は 周 波 数 の異 な る小 地 域 が 混 在 し て い た が,徐

々 にその地方

の周 波 数 に統 一 さ れ,現 在 の よ う に本 州 中部 の 富 士 川 を境 と して 東 側 が50Hz, 西 側 が60Hzの

二 大 系 統 が 一 つ の 国 に存 在 す る とい う世 界 に例 を 見 な い 電 力 送 ・

配 電 系統 と な っ た.

6・1・1

周波 数 変換 用 サ イ リス タ変 換 装 置

  戦 後 の1950年 が,こ

代 後 半 か ら,日 本 は 本 格 的 復 興 期 に 入 り,電 力 需 要 が 急 増 し た

の 時 代 で は50Hz-60Hz系

統 を結 ぶ 大 容 量 の 周 波 数 変 換 技 術 は な か っ た .

  1964年 に 開 業 した 東 海 道 新 幹 線 の 架 線 電 圧 は 単 相 交 流25kVと

した が,電

は50Hz,60Hz地

「三 相 同 期 電

区 を 通 過 す るた め,横 浜 市 綱 島 に60MVAの

動 機-三 相 同 期 発 電 機 」 ３セ ッ トか ら な る180MVAの

回転 機 周 波 数 変 換 装 置 を

設 置 し,単 相 変 換 して 現 在 も東 京 駅 まで 全 線 を60Hzで   1965年,静 300MW(直

車

電 化 して い る．

岡 県 佐 久 間 に ス エ ー デ ンか ら輸 入 した 高 電 圧 水 銀 整 流 器 を 用 い た 流 ±125kV)の

  この 主 回 路 構 成 は,第

本 格 的 周 波 数 変 換 設 備 が 運 転 に入 っ た .

５章 の5・2・3項 で 解 説 した 「他 励 自制 式 電 流 形 交 流 間 接

変 換 」 で あ る.こ の設 備 は,水 銀整 流 器 の た め逆 弧 な どの水 銀 ア ー ク特 有 の現 象 が あ っ た が,そ は,1970年

の 運 転 実 績 か ら多 くの 技 術 的 知 見 を 得 た .こ れ らの 知 識,経

代 後 半 以 降,50Hz-60Hz周

験

波 数 変 換 用 お よ び直 流 送 電 用 の 大 電 力

サ イ リス タ変 換 設 備 の計 画,設 計 な らび に建 設 に大 い に役 に立 っ た .   現 在,国

内各 所 で 大 電 力 周 波 数 変 換 設 備 が 運 転 さ れ て い るが,そ

て は文 献 な どで紹 介 され て い るの で,こ

の詳細 につ い

こ で は 国 内 で の運 転 中 お よび建 設 中 の サ

イ リス タ 変 換 装 置 の概 要 を説 明 す る.   (１)新

信 濃 サ イ リス タ周 波 数 変 換 所(第

  50Hz系

統 と60Hz系

１期,第

２期 合 計600MW)(1)，(2)，(3),(4)

統 の 境 界 に 近 い 長 野 県 塩 尻 地 区 に,東 京 電 力(株),中

部 電 力(株)が 両 系 統 の連 系 を 目的 と し て,高 電 圧 大 電 流 サ イ リス タ を使 用 した 第 １期(150MW×2;1977年),お (300MW;1993年)設

よ び 光 ト リ ガ サ イ リ ス タ を 用 い た 第 ２期

備 が建 設 さ れ,最 大600MWの

周 波数変換 設備 が運転 し

て い る.こ の主 回路 構 成 は,前 述 し た 「他 励 自制 式 電 流形 交 流 間 接 変 換 」 で あ っ て,直 流 回 路 は変 換 所 内 の た め極 め て短 い . 主 回 路 を 図6・1に,そ

  (ａ)電 の275kV系

力 系 統50Hz側

の 概 要 を 表6・2に

示 す.

は東 京 電 力 の275kV系

統 に,60Hz側

は中部 電力

統 に結 ば れ て い る.交 流 側 に は,進 相 無 効 電 力 源 お よ び電 流 高 調 波

(ａ)主 回 路

(ｂ)サ

図6・1新

イ リ ス タバ ル ブ

信 濃サ イ リス タ周 波数 変 換 設備(第 １期,第

２期)の

主 回路 とサ イ リスタバ ル ブ(資料 提 供;東 京 電 力㈱,㈱ 東 芝)

表6・2新

(資 料 提供;東

信 濃 サ イ リス タ周 波 数 変換 設 備,第

京 電 力(株),(株)東

１期,第

２期 の 比 較

芝)

抑 制 用 と して コ ン デ ン サ バ ン ク と高 調 波 フ ィル タ群 が 接 続 され て い る.   (ｂ)電

力制 御   変 換 電 力 量 とそ の 方 向,お

よ び どち らか の 交 流 系 統 が 何 らか

の 原 因 に よ り擾 乱(電 圧 変 動,周 波 数 変 動)が

発 生 した場 合 は,中 央 制 御 指 令 に

よ り,第 ５章 の5・2・3項 で 述 べ た ゲ ー ト制 御 角 αお よ び β の 協 調 制 御 に よ り電 力 量 と方 向,擾 乱 の 安 定 化 を行 う.ま た,ど

ち らか の 交 流 系 統 ま た は 直 流 回路 の

事 故 時 に は ゲ ー ト遮 断 に よ り瞬 時 に事 故 電 流 を処 理 す る.   (ｃ)サ 格,使

イ リス タ 変換 装 置   第 １期 と第 ２期 で は使 用 して い るサ イ リス タ の 定

用個 数,ゲ

ー ト トリガ 方 式 な ど,約16年

  最 も大 きな 技 術 的 進 歩 は,第 イ リス タ の 採 用 で あ っ て,そ

間 の 技 術 の進 歩 が 見 られ る.

３章 の3・3・3項 で 述 べ た 高 電 圧 大 電 流 光 ト リガ サ

れ に よ っ て直 列 数 が 大 幅 に減 少 し,同 時 に 「直 接 光

トリガ 方 式 」 に よ り高 耐 圧 絶 縁 設 計 が 大 幅 に 簡 単 化 し て部 品 点 数 が 減 少 した こ と,お よ び サ イ リス タ モ ジ ュ ー ル構 造,空 気 絶 縁,循 環 式 水 冷 冷 却 式 に よ って 装 置 の 構 造 が 簡 単 にな り,保 守 が 容 易 にな っ た こ と な どが あ げ られ る.図6・2に, サ イ リス タ変 換 装 置,サ す.

イ リス タバ ル ブ,モ

ジ ュ ー ル,光

トリガ サ イ リス タ を示

(ａ)サ

(ｂ)第

イ リス タ変換 装 置

２期 光 ト リガ サ イ リ ス タ モ ジ ュ ー ル (6kV,2.5kV７

個 直 列)

(ｃ)6kV,2.5kV光

トリガサ イ リス タ

と光 フ ァ イバ,発

図6・2 

第 ２期 の50Hz側 (資 料 提 供;㈱

  (２)佐

光 ダ イオー ド

サ イ リ ス タ変 換 装 置,モ

ジ ュ-ル,光

サ イ リス タ

東 芝)

久 間 サ イ リス タ 周 波 数 変 換 所(300MW)(5) 

50Hz系

統 と60Hz

系 統 の境 界 に 近 い 静 岡 県 佐 久 間 に,両 系 統 の 連 系 を 目的 と し て,1965年 開 発(株)が 建 設 した300MW周

波 数 変 換 設 備 の水 銀 整 流 器 を1993年

サ イ リス タ に 置 き換 え て運 用 して い る.こ の 主 回 路 は,(１)と 式 電 流 形 間 接 変 換 」 で,そ

図6・3佐

に 光 トリガ

同様 に 「他 励 自制

れ を図6・3に 示 す.

久間サ イ リス タ周 波数 変 換装 置(300MW)の

に電 源

主 回路

水 銀 整 流 器 を置 換 した 光 トリガ サ イ リ ス タ は6000Ｖ,2500Ａ

で,光

リガ 方 式 で あ る.図6・4に

直接 ト

サ イ リス タバ

ル ブ を示 す. (３)東

清 水 サ イ リス タ周 波 数 変 換 所

(300MW;1998年

運 転 開 始 予 定)

中 部 電 力(株)の275kV,60Hz系

統

と東 京 電 力(株)の154kV,50Hz系

統

を連 系 す るた め,静 岡 県清 水 市 広 瀬 に300 MW(直

流125kV,2400Ａ)サ

イ リス

タ周 波 数 変 換 設 備 を 現 在 建 設 中 で あ る. こ の 設 備 の 目 的 は,50Hz系

と60Hz

図6・4  佐 久 間サ イ リス タ変 換 装 置 (資料提 供;電 源 開 発㈱,㈱ 東 芝)

系 の 境 界 に 近 い清 水 市 近 郊 の電 力 需 要 増 へ の 対 応 と,周 波 数 連 系 拠 点 の複 数 化 で あ る.図6・5に,東

清 水 サ イ リス タ 周 波 数 変 換 所 付 近 の 系 統 図 と主 回 路 を 示 す.

(ａ)系

統

(ｂ)主

回路 図

図6・5  東 清 水サ イ リス タ周 波数 変 換 設備 の 系統 図 と主 回路 (資 料提 供;中 部 電 力㈱)

6・1・2

交 流 系 統 連 系 用 サ イ リス タ変 換 装 置(6)

南 福 光 サ イ リ ス タ 連 系 所(300MW;1999年

運 転 開 始 予 定)は,周

波 数 変換

で も直 流 送 電 で も な く,同 一 周 波 数 の 電 力 幹 線 を直 流 で 連 系 す る た め で あ る. 中部 電 力(株)と 北 陸 電 力(株)は,相

互 の 電 力 供 給 の安 定 度 と信 頼 性 の 向 上 を計

る た め,共 同 で 富 山県 西 砺 波 郡 福 光 町 に300MW(直

流125kV,2400Ａ)の

統 連 系所 を建 設 中 で あ る.使 用 す る光 ト リガ サ イ リス タ は6000Ｖ,2500Ａ

系 で,

１ア ー ム 当 た り28個 直 列 に接 続 さ れ て い る.こ の よ う な 同 一 の 周 波 数 系 統 を サ イ リス タ 変 換 装 置 で 連 系 す る こ とに よ り,電 力 の 方 向 と大 き さ を ゲ ー ト位 相 制 御 に よ り瞬 時 に制 御 で き る.ま た,ど 場 合,ゲ

ち らか の 交 流 系 統 に事 故 また は擾 乱 が 生 じた

ー ト制 御 に よ り事 故 の 波 及 ・拡 大 を瞬 時 に抑 制 す る と と もに,緊 急 電 力

融 通 お よび 電 圧,周 図6・6に,南

波 数,位 相 の 変 動 を 直 ち に安 定 化 さ せ る こ とが で き る.

福 光 サ イ リス タ 系 統 連 系 所 付 近 の 系 統 図 と主 回 路 を示 す.

(ａ)系 統 図

図6・6  南 福 光サ イ リス タ連 系所 の 系統 図 と主 回路 (資料提 供;中 部 電 力㈱) (ｂ)主

回路

6・1・3

直 流送 電 用 サ イ リス タ変 換 装 置

直 流 送 電 方 式 が交 流送 電 方 式 に比 べ て 有 利 な点 は,次 の よ うで あ る. ①

交 流 電 圧,周

波 数 が 異 な る交 流 系統 を 「他 励 自制 式 電 流 形 交 流 間 接 変 換 」

で直 流 回 路 を介 して 連 系 す るの で,電

力 量 とそ の 方 向 を瞬 時 に,か

に制 御 で き る.ま た,相 手 系 統 の 事 故 等 に よ る擾 乱 の 影 響,波

つ,自

由

及 を 防 ぎ,系

統 を安 定 化 で き る. ②

送 電 距 離 は,交 流 系統 の よ うな 安 定 度 の 問 題 は な く,限 界 は な い.

③

交 流 送 電 で の 電 線 の表 皮 効 果 に よ る抵 抗 増 加 は な く,抵 抗 損 失 は小 さ い. また,交

④

流 ケ ー ブル の と きの 充 電 電 流 に よ る送 電 容 量 の制 約 と損 失 は な い.

送 電 電 力 に よ るが,送

電 距 離 は,架 空 線 で は400∼500kM以

は ケ ー ブル で30∼40kM以

上,あ

るい

上 に な る と,直 流 送 電 の ほ うが 建 設 費 が 経 済 的

に 有 利 に な る とい わ れ て い る. 次 に,運 転 中 お よ び 計 画 中 の 直 流 送 電 用 サ イ リス タ変 換 装 置 の 概 要 を 説 明 す る. (１)北

海 道-本 州 サ イ リス タ 直 流 送 電 設 備(第

１期,２

期,３

期 合 計600

MW)(6),(7),(8)  北 海 道 の 電 力 と本 州 の 電 力 を相 互 に融 通 し,予 備 電 力 を合 理 化 して 電 力 の有 効利 用 を は か る こ と を 目 的 と し て,北 海 道-本 州 間 の連 系 送 電 計 画 が検 討 さ れ た.そ

の結 果,津

直 流 送 電 方 式 が 決 定 され,電

軽 海 峡 を直 流 海 底 ケー ブル で結 ぶ,わ

源 開 発(株)が 建 設 ・運 用 を担 当 して い る.

直 流 送 電 の ル ー トは,図6・7の

よ うに,青

(株)上 北 変 電 所 の 交 流275kV,50Hzを タ 変 換 所[第 １期150MW(直

森 県 上 北 郡 東 北 町 に あ る東 北 電 力

北 海 道 に送 電 す る場 合,上

流125kV,1200Ａ,1979年);第

(第 １期 を 含 め て 直 流-250kV,1200Ａ,1980年);第 250kV,1200Ａ,1993年)]に 線97.4kMで

が国初 めての

て 最 大600MWの

北 サ イ リス ２期300MW

３期300MW(直

流+

直 流 電 力 に 変 換 し,直 流 架 空

本 州 側 佐 井 直 流 海 底 ケ ー ブ ル ヘ ッ ドに送 電 す る.

そ こ か ら44.4kMの

直 流 海 底 ケ ー ブ ル(直

径125 mm,600mm2,OF)で

津

軽 海 峡 を横 断 し,北 海 道 側 古 川 ケ ー ブ ル ヘ ッ ドか ら再 び 直 流 架 空 送 電 線26 .7

図6・7北

kMで

海 道-本 州 直 流 送 電 ル ー ト

北 海 道 亀 田郡 七 飯 町 の 函 館 サ イ リス タ変 換 所 に 送 電 され,そ

に 変 換 さ れ て 北 海 道 電 力(株)の 交 流187kV,50Hz系

こで 交 流 電 力

統 に接 続 され て い る.

上 北 サ イ リス タ 変 換 所 と函 館 サ イ リス タ変 換 所 は通 信 回線 で 結 ば れ,最 大 電 力 600MWの (ａ)

電 力 量 と方 向 の 制 御 を行 って い る.図6・8に 第 １期(1979年)の

主 回 路 を示 す.

サ イ リス タ 変 換 装 置   当 時 は,高 電 圧 大 電 流 光 ト

リガ サ イ リス タ が な か っ た た め,上 北 変 換 所 で は三 相 ブ リ ッ ジ回 路 の １ア ー ム 当 た り通 常 の 電 気 トリ ガ 式 サ イ リス タ4kV,1500Ａ

を112個

直 列 に接 続 し て あ

る.こ れ らサ イ リス タ全 数 を同 時 に タ ー ンオ ン させ る た め,ゲ ー ト用 の電 源 は ア ー ム の 陽 極-陰 極 電 圧 を グ ル ー プ 毎 に分 圧 して 利 用 し,そ の トリガ 信 号 は大 地 か ら光 信 号 で 高 電 圧 部 に送 る 「間 接 光 トリガ 方 式 」 を採 用 し て い る. (ｂ)

第 ３期(1993年)の

性 の あ る6kV,2500Ａ

サ イ リス タ 変 換 装 置  こ の 年 代 に は,す で に 信 頼 光 ト リガ サ イ リス タ と光 ト リガ シ ス テ ム が 開 発 さ れ,

「直 接 光 ト リガ 方 式 」 に よ るサ イ リス タ変 換 装 置 が 採 用 さ れ た.高 性 能 の 酸 化 亜 鉛 非 直 線 抵 抗 体 避 雷 器 に よ る制 限 電 圧 の 低 下 と,こ の光 ト リガ サ イ リス タ の採 用

北 海 道 と本 州 を結 ぶ唯 一 の電 力 系統

図6・8北

海 道 は本州   600MW直

流 送電 設 備 の主 回路

に よ っ て １ア ー ム 当 た りの サ イ リ ス タ 直 列 数 は54個

と,第

１期 に比 べ て 約 半 分

に減 少 し て い る.同 時 に,直 接 光 トリガ 方 式 に よ っ て部 品 点 数 は大 幅 に 減 少 して い る.こ の結 果,装

置 全 体 の絶 縁 設 計 が 容 易 と な り,小 型 ・軽 量 で信 頼 性 の あ る

サ イ リス タ変 換 装 置 に な った. 図6・9に,上

北 変 換 所 と そ の サ イ リス タ変 換 装 置 を示 す.

(ａ)上 北変 換 所全 景

(ｂ)サ

イ リス タバ ルブ

図6・9  北海 道-本 州 直流 送 電 設備(上 北 変 換 所)

紀伊水道 サ イ リスタ直流連 系設備 (第 １期,第

(２) 設 中)(９)

四 国 の 徳 島 県 阿 南 市 の 橘 湾 に,四

で,2001年

まで に 合 計 出 力2800MWの

２期 合 計2800MW;建

国 電 力(株)と 電 源 開 発(株)が 共 同

石 炭火力 発電 所 の建設 が 進 め られて い

る.こ の 電 力 の一 部 を関 西 地 区 の 需 要 地 に送 電 す るた め,電 力 の 潮 流制 御 が 容 易 な 直 流 送 電 方 式 の特 徴 を生 か し,紀 伊 水 道 を直 流 海 底 ケ ー ブ ル で 横 断 して 和 歌 山 県 の 送 電 幹 線 に接 続 す る直 流 連 系 設 備 を 関 西 電 力(株),四 (株)が 共 同 で 建 設 して い る.図6・10に

国電 力(株),電

源開発

紀 伊 水 道 直 流 連 系 設 備 の送 電 ル ー トを示

す. この 直 流 連 系 設 備 の 要 点 は,次 の よ う で あ る.

①

連 系 容 量 す な わ ち直 流 送 電 容 量 は,当 初 直 流 ±250kV,2800Ａ

MWと

し,将

来 の 増 設 後 は ±500kV,2800 

MWを

の1400

計 画 す る.

② 橘 湾石 炭火力発電所 に近 い徳 島県阿南市 の阿南 サイ リス タ変換所 で交 流 を 直 流 に変 換 し,そ

にか ら約51kmの

直 流 地 中 ・海 底 ケ ー ブ ル で 紀 伊 水 道 を

横 断 し て 和 歌 山 県 の 由 良 開 閉 所 で ケ ー ブ ル か ら直 流 架 空 線 に して 約51km 離 れ た 紀 北 サ イ リス タ変 換 所 に直 流 電 力 を送 る.そ

こで直 流 か ら交 流 に変 換

図6・10  紀伊 水 道横 断直 流 連 系ル ー ト

し て関 西 系 統 に 接続 す る.全 直 流 送 電 区 間 は約100kmで

③

海 底 ケ ー ブル は,現 在 の 設 備 能 力,工 事 方 法 の 技 術 的 制 約 か ら3000mm2 とな り,送 電 容 量 は2800Ａ 長 を海 底 地 下2∼3ｍ

④

あ る.

将 来 の500kV化

と な る.ま た,漁 業 へ の 影 響 や 外 傷 防止 か ら,

に埋 設 す る.

の 際,サ

イ リス タ バ ル ブ の 高 さ を低 く して 耐 震 性 を 増

し,同 時 に建 屋 を小 形 化 す るた め,高 電 圧 大 電 流 の 光 ト リガ サ イ リス タ を使 用 す る.具 体 的 に は直 径150mmのFZウ kV,3500Ａ

⑤

エ ー ハ を使 用 した 世 界 最 大 級 の8

の光 トリガ サ イ リス タ を使 用 す る(図3・23参 照).

塩 害 対 策 と変 換 所 の コ ンパ ク ト化 の た め,SF6を

使 用 した 直 流 ガ ス 絶 縁 開

閉 装 置 を採 用 す る.

⑥ 避 雷器 の非直線抵 抗体 の特性 を改善 して制 限電圧 を下 げ,機 器 の絶縁 レベ ル を 低 減 す る. 上 述 した 紀 伊 水 道 直 流 連 系 設 備 の 第 １期 は橘 湾 石 炭 火 力 の 稼 働 と併 せ て2000 年 ７月 か ら運 転 開 始 す る予 定 に な っ て い る.図6・11に

その主回路 を示す.

図6・11  紀伊 水 道 直 流 連 系設備 の 主 回路

6 1 4 ・

(１)

・

世界の直流送電用および周波数変換用サイリスタ変換装置 設置 点 と変換電 力の累計

前 項 お よび 前 々 項 で 説 明 した サ イ リス タ変

換 装 置 は 日本 国 内 で の 実 例 で あ るが,世

図6・12運

界 を見 る と図6・12の よ う に各 地 で 架 空

転 中 、建 設 ・計 画 中の世 界の 直 流送 電 お よ び周 波数 変 換 設備 (資料 提供;㈱ 東 芝)

線 に よ る長 距 離 直 流 送 電,ケ 転,建

ー ブル に よる直 流送電 お よび周波 数変 換 設備 が 運

設 また は計 画 され て い る.

また,図6・13の っ た が,1972年,イ

よ う に,1970年

代 以 前 で は水 銀 整 流 器 が 電 力 変 換 の 主 役 で あ

ー ル リバ ー 計 画 で 初 め て サ イ リ ス タ が 使 わ れ た 以 降 は す べ

て サ イ リス タ の 時 代 と な っ た.特

に,わ が 国 で は1980年

代 以 降 光 トリガ サ イ リ

ス タ が そ の 主 役 を担 っ て い る.

図6・13世

界の 主 な電 力 変 換設 備 の建 設 年 と設備 容 量の 累計 (資料 提供;㈱ 東 芝)

(２)

60Hz系

電 力変換設備 の例;国 際 間の周波数連 系設備 とア ル ゼ ン チ ンの50Hz系

電 流3000Ａ,変

換 容 量50MWの

例 と して,ブ

ラ ジル の

を国 際 間 で 連 系 す る直 流 電 圧17 .9kV,直

流

ウル グ ア イ ア ナ ・サ イ リス タ周 波 数 変 換 所 が

1994年 か ら運 転 に入 っ た. 図6・14(ａ)に

設 置 点,図(ｂ

）に サ イ リ ス タ 変 換 装 置,図(ｃ)に

主 回路 を示 す .

(ａ)設

(ｂ)サ

置点

イ リス タ変換 装 置

(ｃ)主 回 路 図6・14 

ブ ラ ジ ル-ア ル ゼ ン チ ン間 周 波 数 連 系 設 備

  6・1・5 高 電 圧 大 電 流 サ イ リ ス タ 変 換 装 置 の た め の 技 術   高 電 圧 大 電 流 サ イ リス タ変 換 装 置 に は,そ の 電 気 的 機 能 に つ い て 高 い信 頼 性 が 要 求 され るが,同

時 に,電 力 損 失 が 小 さ く,小 型 ・軽 量 で,保 守 ・点 検 しや す い

こ とが求 め られ る.

  (１)サ

イ リス タの 定 格 電 圧,定

格 電 流 の 増 加(10）     サ イ リ ス タ変 換 装 置 の

高 電 圧 ・大 電 流 化 に は,直 列 接 続 の個 数 を減 らす た め １個 の サ イ リス タ の 定格 電 圧,定

格 電 流 の増 加 は必 要 条 件 で あ る.パ

圧 大 電 流 デ バ イ ス の例 と して,光 15(ａ)に,同

(ａ)サ

ワー エ レ ク トロ ニ クス を代 表 す る高 電

ト リガ サ イ リス タ の 定 格 の 増 加 の 歴 史 を 図6・

じ くゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ を図(ｂ)に 示 す.

イ リ ス タ ・光 ト リ ガ サ イ リ ス タ

図6・15パ

(ｂ)ゲ

ー トター ン オフサ イ リス タ

ワ ー デ バ ィ スの 高 電 圧 ・大 電 流 化 の 歴 史(資

  ND処

理(3・4・2項 参 照)し た 大 口 径FZウ

mm)の

使 用,高 精 度 イオ ン注 入 技 術,ベ

研 究 が 進 め られ て い るが,他

料 提 供;㈱ 東 芝)

エ ー ハ(現

在 の 最 大 直 径 は150

ベ ル 技 術 な どに よ っ て 定 格 電 圧 増 加 の

の 特 性 との 相 関 性 が あ るた め,現 在 の ８kV級

を超

え て バ ラ ン ス の よい 特 性 を も った 高 電 圧 サ イ リス タの 実 現 は容 易 で は な い.   一 方,定 格 電 流増 加 は ウ エ ー ハ の大 口 径 化 に依 存 す るが,結 物 濃 度 プ ロ フ ァイ ル の 一 様 性,発

晶 の 均 一 性,添

加

熱 歪 み の 処 理 お よび パ ッケ ー ジ の 熱 抵 抗 の極 小

化 な どの 技 術 的 問 題 が あ り,現 在 の 直 径150mmで

オ ン電 流(平

均 値)は3500

Ａ 程 度 で あ る.従 っ て,高 電 圧 電 力 変 換 へ の 応 用 の技 術 課 題 は,  ①

高 い 定 格 ピ ー ク繰 返 しオ フ お よ び 逆 電 圧 の サ イ リ ス タ の 開 発 とそ の 直 列

接続 ②

絶 縁 性 が 良 く,サ ー ジ電 圧 の 影 響 を受 けな い ゲ ー ト トリガ シ ス テ ム

③

外 来 サ ー ジ電 圧 に対 す る サ イ リス タ の保 護(特

④

大 電 流 電 力 変 換 で はサ イ リス タの 並 列 接 続 技 術 が 必 要 とな る.

(２)  サ イ リス タ の 直 列 接 続     直 流 送 電,大 ジ 回路 が 使 用 され,そ

性 の 良 い避 雷 器 の開 発)

容 量 周 波 数 変 換 で は三 相 ブ リッ

の １回 路 当 た りの 出 力 直 流 電 圧 は125kVが

一応 の標準 に

な っ て い る.   避 雷 器 の 制 限 電 圧 特 性 お よ び サ イ リス タの 定 格 電 圧 に よ り,三 相 ブ リッ ジ 回 路 の １ア ー ム 当 た り50個 程 度 の 直 列 接 続(定

格 電 圧6kVを

使 用 した 時)が

必要

とな る.こ れ ら高 電 圧 大 電 流 サ イ リス タ 変 換 装 置 は超 高 圧 送 電 幹 線 に 接続 され る の で,各

サ イ リス タ に並 列 に分 圧 回路(ス

ナバ 回路 を含 む)を 接 続 して サ ー ジ性

急 峻 波 電 圧 か ら商 用 周 波 の 電 圧 ま で均 等 に分 圧 す る よ うに す る.   直 列 接 続 に必 要 な事 項 は,次 の よ うで あ る.   (ａ)動

作 温 度 に お け る サ イ リス タの 静 特 性,動 特 性

①

ゲ ー トタ ー ン オ ン時 間 が 揃 っ て い る こ と.

②

オ フ状 態 お よ び逆 阻止 状 態 の 電 圧,電

③

電 源 転 流 時 の 逆 回復 電 荷 量 が 揃 っ て い る こ と.

④

電 源 転 流 時 の タ ー ンオ フ時 間 が 揃 っ て い る こ と.

す なわ ち,サ (ｂ)分 ①

流 特 性 が 揃 っ て い る こ と.

イ リス タ の諸 特 性 は揃 っ て い る こ とが必 要 条 件 で あ る.

圧回路

分 圧 抵 抗 は電 力 損 失 の軽 減 の た め, 高 抵 抗 で,か つ,無 誘 導構 造 とす る.

②

ス ナ バ 回 路 の コ ン デ ンサ は,パ ル ス 状 の 充 ・放 電 電 流 に対 す る構 造 強 度 と無 誘 導 構 造 と し,そ の容 量 はサ イ リス タの 逆 回復 電 荷 量 を考 慮 して 決 め る.電 力 損 失 を軽 減 す るた め で き る だ け小 さ い容 量 とす る.

図6・16 

分 圧 回路 の例

 ③

ス ナ バ 回 路 の 抵 抗 は無 誘 導 で,か つ,十 分 な 冷 却 構 造 で あ る こ と.

 ④

コ ロ ナ シー ル ドを 含 め サ ー ジ性 電 圧 か ら商 用 電 圧 ま で 分 圧 特 性 が 良 い こ と.

  図6・16に,直   表6・3に,主

流 送 電 用 サ イ リス タ変 換 装 置 の 分 圧 回路 の例 を示 す. な 変 換 装 置 の サ イ リス タ に関 す る 数 値 の 変 化 を示 す.こ

ら,サ イ リス タ の み な らず,ゲ   図6・17(ａ)に,サ

の表 か

ー ト トリガ シス テ ム な どの 技 術 の進 歩 が わ か る.

イ リス タ の 電 気 的 容 量(定

格 オ フ ・逆 電 圧 × 定 格 オ ン電 流

平 均 値)の 増 加 と と もに ブ リ ッ ジ回 路 を構 成 す るサ イ リス タ装 置 の 容 積 は小 さ く な る傾 向 を示 す.ま

た,図(ｂ)に

サ イ リス タ使 用 数 の 減 少 と と もに サ イ リス タ 装

置 の 電 力 損 失 が減 少 す る傾 向 を示 す.

(ａ)

(ｂ)

図6・17  サ イ リス タの 電気 的容 量 と装 置の 容積,電 力損 失 の傾 向 (資料 提 供;㈱ 東 芝)

  (３)ゲ

ー ト ト リガ シ ス テ ム(11)  例 え ば,直 流 送 電 用 サ イ リス タ 変 換 装 置

は,交 流275kVま

た は500kV級

して 接続 す る た め,常

超 高 圧 送 電 幹 線 に直 接 ま た は 一 次 変 圧 器 を介

に雷 サ ー ジ,開 閉 サ ー ジ に 曝 され る.ゲ ー ト トリガ シ ス テ

ム は,サ ー ジ電 圧 の 影 響 を 受 けず,十 ス タ に 同 時 に与 え,か

つ,高

分 なゲ ー ト電 流 を直 列 接 続 され た 各 サ イ リ

い信 頼 性 が必 要 で あ る .代 表 的 な ゲ ー ト ト リガ シ ス

テ ム を図6・18に 示 す.  図(ａ)は 変 流 器 形 「電 磁 ト リガ 方 式 」 で,通 常 の電 気 ト リガ式 サ イ リス タ の 同

表6・3主

*こ  

な変 換 装 置 の

の 値 が大 き い ほ ど,サ イ リス タの 定 格 電 圧 に対 して 低 い電 圧 で ブ リ ッ シジ を 動 作 させ て い る。 す なわ ち,サ

イ リス タ の 定 格 電 圧 に対 して余 裕 が 大 き い。 換 言 す れ ば,サ

イ リス タの 電 圧 阻 止

能 力 の 利 用 度 が低 い。 **こ

の 値 が小 さ い ほ ど,サ イ リス タの 電 圧 阻 止 能 力 の 定 格 値 に近 い とこ ろ で 動作 させ て いて,利 度 が 高 い こ と を 意 味 す る。 避 雷 器 の 制 限 電 圧 が 低 く,か つ,そ ば,こ

の値 を 低 くで き,結 果 と して サ イ リ ス タ の 直 列 個 数 を減 らす こ と が で き,変 換 装 置 を小

型 ・軽 量 化,据 (注)上

用

の 電 流 ・電 圧 特 性 が 平 坦 で あ れ

付 け面 積 を小 さ くで き る。

記 の 数 値 は公 表 さ れ て い る デ ー タか らの 概 略 計 算値 で,交

流 電 圧 変 動,過

渡 過 電 圧,電

圧分担

の 不 平 衡 分 な ど は考 慮 して い な い 。

(ａ)電 磁 ト リガ 方 式 図6・18 

(ｂ)間 接 光 トリガ方式

(ｃ)直 接 光 ト リ ガ 方 式

高 電圧 サ イ リス タ変換 装 置用 ゲー ト トリガシ ス テム

サ イ リス タ に関 す る 数 値 の 変 化

時 ト リガ に使 用 す る.こ の 方 式 で は,一 次 と二 次 の 巻 線 間 に 十 分 な絶 縁 構 造 を と る必 要 が あ るた め,外 形,重 量 が大 き くな る.ま た,構 造 上,立 上 りの大 き い ゲ ー トの 電 流 の伝 送 ・分 配 が 困 難 で,雷 サ ー ジ,開 閉 サ ー ジ の 影 響 を受 け や す い の で サ イ リス タ を誤 動 作 させ る可 能 性 が あ る.   図(ｂ)は,ゲ

ー ト電 源 を各 サ イ リス タ の 陽 極-陰 極 間 電 圧 か ら取 り,ト リガ 信

号 は絶 縁 性 光 フ ァ イ バ を介 して光 で伝 送 ・分 配 す る 「間 接 光 トリガ方 式 」 で,通 常 の サ イ リス タ を使 用 で き る.こ の 方 式 は,図(ａ)に

比 べ て 絶 縁 設 計 は容 易 で,

ゲ ー トへ の サ ー ジ電 圧 侵 入 の 可 能 性 は低 く,シ ス テ ム は小 型 ・軽 量 に な るが,難 点 とし て高 電 圧 部 の部 品 数 が 増 加 し,ま た サ イ リス タ に電 圧 を印 加 せ ず に ゲ ー ト 回 路 を チ ェ ッ クす る こ とは難 しい.   図(ｃ)は,高

電 圧 大 電 流 光 トリガ サ イ リス タ と信 頼 性 の あ る高 輝 度 発 光 ダ イ オ

ー ドの 開 発 に よ っ て達 成 され た 究 極 の ト リガ シ ス テ ム とい え る 「直 接 光 ト リガ 方 式 」 で あ る.こ の 方 式 は,絶 縁 設 計 が容 易 で,サ 部 品 数 は図(ａ),(ｂ)に

ー ジ電 圧 の影 響 を受 け に く く,

比 べ て最 も少 な く,ト リガ シ ス テ ム を小 型 ・軽 量 に構 成

で き る利 点 が あ る.   ト リガ シ ス テ ム の動 向 を見 る と,図(ａ)は

新 信 濃 サ イ リス タ 周 波 数 変 換 所 の 第

１期 に採 用 さ れ た が,光

ト リガ サ イ リス タ の進 歩 に よ り,そ の後 図(ｂ)を 経 て 図

(ｃ)に な った.図(ｂ)は,北

海 道-本 州 直 流 送 電 サ イ リス タ変 換 装 置 の 第 １期 に

採 用 され た.図(ｃ)は,1989年

以 降 の直 流 送 電 用(北 海 道-本 州 第 ３期,紀

道(予

信 濃 第 ２期,佐

定)),周

波 数 変 換 用(新

電 力 補 償 用 サ イ リス タ変 換 装 置 に採 用 され,現   図6・19に,サ

久 間,東 清 水(予

伊水

定))お よび 無 効

在 で は この 方 式 が 定 着 して い る.

イ リス タ用 トリガ ・モ ニ タ回 路 を示 す.

図6・19光

  図 の よ う に,ト

ト リ ガ シ ス テ ム と光 ト リ ガ サ イ リ ス タの モ ニ タ

リガ シス テ ム の 信 頼 性 を高 め る た め に 発 光 ダ イ オ ー ド ２個 を別

電 源 で通 電 して 発 光 さ せ,両 者 を絶 縁 性 光 フ ァ イバ で ひ と ま とめ に して 光 サ イ リ ス タ の入 力 端 子 に導 い て い る.光 サ イ リ ス タ の 故 障(陽 極-陰 極 間 の 短 絡)は, 分 圧 回 路 の 高 抵 抗 に直 列 に接 続 した 発 光 ダ イオ ー ドの 発 光 停 止 に よ っ て大 地 側 で モ ニ タ す る.光

ト リガ 方式 に よ っ て,従

来 の 電 磁 トリガ 方 式 と比 べ て 高 電 位 部 の 部 品 点 数 は図6・20の よ う に 大 幅 に減 少 し,そ れ だ け変 換 装 置 の信 頼 性 は 向 上 し て い る.

図6・20

部 品点 数 の 減 少 (資料 提 供;㈱ 東 芝)

  (４)避

雷 器(12)  超 高 圧 送 電 系 統 に直 接 ま た は一 次 変 圧 器 を 介 し て サ イ リ

ス タ変 換 装 置 を接 続 す る とき は,系 統 か ら侵 入 す る雷 サ ー ジ,開 閉 サ ー ジ の過 電 圧 を避 雷 器 で 保 護 す る 必 要 が あ る.通 常,避

雷 器 は,図6・21(ａ)の

よ う に,変

圧 器 の 一 次側 お よ び三 相 ブ リ ッジ 回 路 の各 アー ム,直 流 出力 端 子 に並 列 に接 続 す る.   過 電 圧 に対 す る保 護 性 能 は,酸 化 亜 鉛(ZnO)非

直 線 抵 抗 体 か らな る避 雷 器 の 制

(ａ)避 雷 器 の接 続

(ｂ)避 雷器 の 制 限 電圧 特 性 図6・21

三相 ブ リッジ 回路 の避 雷 器 とその 特性 (資料 提供;㈱ 東 芝)

限 電 圧 特 性 に 大 き く依 存 す る.制 限 電 圧 特 性 が 良 い ほ どサ イ リス タ の 直 列 個 数 を 減 らす こ とが で き る.図(ｂ)に

制 限 電 圧 特 性 の 例 を示 す.最 近 の 例 で は,サ イ リ

ス タ １個 当 た りの分 担 動 作 電 圧(最 大 値)は,そ

の 定 格 ピー ク繰 返 しオ フ電 圧 お よ

び 定 格 ピ ー ク繰 返 し逆 電 圧 の 約80％ に相 当 して い る.   図6・22に,現

在 国 内 で 運 転 中 お よ び建 設 中 の 高 電 圧 大 電 流 サ イ リ ス タ 変 換 設

備 を示 す.50Hz系

統 と60 Hz系

合 計 変 換 電 力 は1998年

に1200MWに

統 を連 系 す る サ イ リ ス タ 周 波 数 変 換 設 備 の 総 達 す る.ま た,2000年

の 第 １期 紀 伊 水 道

直 流 連 系 設 備 の 稼 働 を含 め,北 海 道 か ら九州 まで わ が 国 を縦 断 す る電 力 幹 線 網 は 着 々 整 備,強 化 さ れ て お り,北 海 道-本 州 お よ び 紀 伊 水 道 の 直 流 連 系 設 備 は そ の 重 要 な 役 割 を担 っ て い る.

図6・22  日本 の電 力 系統 概 略 図 とサ イ リス タ変換 装 置 の 設 置点

  上 述 の よ うに,超 高 圧 送 電 系統 に 直 接,ま 接 続 してMW級  ①

た は 間 接 的 に サ イ リス タ変 換 装 置 を

の 電 力 変 換 を行 う場 合 に要 求 され る事 項 は,

取 り扱 う変 換 電 力 の 大 き さ と その 使 命,お

よび 機 能 の 高 い信 頼 性

②

雷 サ ー ジ,開 閉 サ ー ジ を含 む高 電 圧 技 術 と絶 縁 技 術

③

サ イ リス タ変 換 装 置 は絶 縁 上 高 い構 造 物 とな る の で,そ

の耐震構 造設計

とい う点 で,一 般 産 業 用 の 「パ ワー エ レ ク トロ ニ ク ス 」 と は大 き く異 な る.   こ の よ うに,通 常 の 「パ ワ ー エ レ ク トロニ ク ス」 よ りも さ らに 広 い技 術 分 野 を 包 含 し結 集 した 直 流 送 電 用 お よび 周 波 数 変 換 用 高 電 圧 大 電 流 サ イ リス タ 変 換 装 置 は,正 に 「ウ ル トラ ・パ ワー エ レ ク トロ ニ クス 」 とい え る.

6・1・6 無 効 電 力 補 償 用 サ イ リス タ 装 置   (１)原

理    交 流 系 統 に変 動 の 激 しい 負荷,例

え ば ア ー ク炉 な どが あ る と,

その 負 荷 電 流 と系 統 の リア ク タ ン ス に よ っ て 受 電 端 の交 流電 圧 は大 き く変 動 し, ブ リッ カ(電 燈 照 明 の チ ラ ツ キ)が 生 じる場 合 が あ る.   この 電 圧 ・電 流 関 係 を 図 示 す る と,図6・23に

(ａ)系 統 図 図6・23系

な る.

(ｂ)ベ

ク トル 図

統 の イ ン ピ ー ダ ン ス とベ ク トル 図

図(ａ)は 交 流 系 統 の 単 線 図 で,系 統 の イ ン ピ ー ダ ンスZsは, (Rs, Xsは

電 源 の 抵 抗 お よ び リ ア ク タ ン ス)

で あ る.受 電 端 の電 圧V〓 に 対 す る 負 荷 電 流 Ｉの位 相 角 を ψ とす る と,系 統 の 電 圧,電 流 の ベ ク トル 図 は図(ｂ)と な る.   送 電 端 電 圧Vsと

受 電 端 電 圧V〓 の 電 圧 差,す

⊿V≒IRs  COSψ ＋IXs sinψ

な わ ち系 統 の電 圧 降 下 ⊿Vは,

と な る.有

効 電 力 Ｐ,無

電 圧 降 下 ⊿Vは

効 電 力 Ｑ は,P=VIcosψ,Q=VIsinψ

で あ る か ら,

次 式 と な る.

⊿V≒1/V(RsP+XsQ)≒XsQ   一 般 に,RsはXsに

比 べ て 極 め て 小 さ い の で,⊿VはXsQに

比 例 す る と考 え

て よ い.

  従 っ て,系 つ,そ

統 の電 圧 変 動 ⊿Vを 抑 制 す る に は 負 荷 の 無 効 電 力 Ｑ を補 償 し,か

れ が で き るだ け小 さ くな る よ うに 制 御 す れ ば よ い.こ

の た め,通 常 は,系

統 に コ ンデ ン サ バ ン ク を 開 閉 し て遅 れ 無 効 電 力 を 大 き く補 償 し,一 方,同 一 系 統 に接 続 した リア ク トル とそ れ に直 列 の サ イ リス タ 交 流 ス イ ッチ の位 相 制 御 に よ る 「サ イ リス タ 式 可 変 リア ク トル 」 で 無 効 電 力 を微 調 整 す る方 法 が と られ る.   コ ン デ ンサ バ ン ク の開 閉 に は,機 械 的 ス イ ッチ で は投 入 位 相,応

答 性 と機 械 的

寿命 が あ るた め,最 近 で は5・2・1項 で述 べ た サ イ リス タ ス イ ッ チが 使 用 され る.   三 相 の コ ン デ ン サ ・サ イ リ ス タ ス イ ッ チ 回 路 と電 圧,電

流 の 関 係 を 図6・24に

示 す.

Ｉ:サ イ リスタユ ニ ッ トの 電 流(実 効 値) 図6・24三

相 の コ ン デ ンサ ・サ イ リ ス タ ス イ ッチ 回 路

  サ イ リス タ ス イ ッチ に 流 れ る電 流(実 効 値)を

Ｉ とす れ ば,△ 結 線 の ほ う が

大 き な進 相 無 効 電 力 が 得 られ る.こ の 回路 で は,サ イ リス タ の ゲ ー トを オ フ して コ ン デ ン サ 電 流 が ０に な る と,サ イ リス タ に は線 間 電 圧(実

効 値)の2√2倍

の

順 方 向 また は逆 方 向 電 圧 が 加 わ る.コ

ン デ ンサ の 突 入 電 流 を避 け るた め,サ

イリ

ス タの トリガ 位 相 に 注 意 す る必 要 が あ る.   コ ン デ ンサ バ ン ク とサ イ リス タ可 変 リア ク トル を組 み合 わ せ,連 続 的 に 進相, 遅相 電 力 を制 御 す る回 路 が無 効 電 力 補 償 回 路 で あ る.   (２)交

流 式 無 効 電 力 補 償 装 置(交

(SVC;Static

Var   Compensator)は,負

流 電 力 制 御)無

効 電 力補償 装 置

荷 に流 れ る無 効 電 力 を高 速 度 で 補 償 す

る装 置 で,通 常 は三 相 の コ ンデ ンサ とサ イ リス タ式 可 変 リア ク トル か ら な る.   図6・25は そ の 例 で,三

相22kV,60Hz系

統 に50ト

ン ア ー ク 炉 用35MVA

変 圧 器 ２基 が あ り,そ の 系 統 に フ ィル タ兼 進 相 電 力 供 給 源 と して コ ン デ ンサ バ ン ク,遅 相 電 力 用 の53MVAリ

ア ク トル お よ び4000Ｖ,3000Ａ

光 ト リガ サ イ リ

ス タ を用 い た 無 効 電 力 補 償 回 路 か らな る.サ イ リス タ の制 御 角 に よ っ て遅 相 電 力 を瞬 時 に,か

つ,連 続 的 に制 御 し,受 電 電 圧 変 動 を最 小 に な る よ う制 御 す る.

図6・25無

(ａ)な 図6・26無

効電 力補 償装 置

し 効 電 力 補 償 装 置 あ り,な

(ｂ)あ

り;電 圧 変 動 は(ａ)よ

しの 比 較(10Hz付

り小 さ い 。

近 の 電 圧 変 動)

  通 常,コ

ン デ ンサ バ ン ク の 進 相 容 量 は リア ク トル の遅 相 容 量(サ

御 角 αが0゜ で 遅 相 電 流 が 最 大 の 時)と

等 し くす る.図6・26に,無

イ リス タ の 制 効 電力補償 装

置 の効 果 の 例 を 示 す.   (３)自

励 式 無 効 電 力 補 償 装 置(13)ゲ

ー トター ン オ フ サ イ リス タ とダ イ オ

ー ドで三 相 均 一 ブ リ ッジ 回路 を構 成 し,そ の 直 流 回路 に コ ンデ ンサ を負 荷 と し て 接 続 す る.ゲ ー トタ ー ンオ フ サ イ リス タ をPWM制 系 統 電 圧 の 安 定 化 制 御,電 力 動 揺 抑 制 制 御,無

御 す る こ と に よ っ て,交

流

効 電 力 一 定 制御 を行 う.こ の 回 路

構 成 は,系 統 電 圧 が 大 幅 に低 下 した時 は電 圧 安 定 化 に動 作 し,ま た リア ク トル が 不 要 とい う特 長 が あ る. 図6・27に,±50MVAの

自励 式 無 効 電 力 補 償 装 置 の例 を 示 す.

各 ユ ニ ッ トの 構 成

図6・27±50MVA無

効 電 力補 償装 置

  図 は三 相66kV,50Hz系 ±10%の

統 に接 続 され,そ

範 囲 に お い て 進 相50MVA∼

の 二 次 側 に三 相8.75kVの

の無効電 力制御容 量 は定格電 圧 の

遅 相50MVAで

あ る.変 圧 器50MVA

４巻 線 が あ り,そ れ ぞ れ が ゲ ー トタ ー ン オ フサ イ リ

ス タ を 用 い た 三 相 ブ リ ッ ジ回 路 に接 続 し,そ の 直 流 側 を ４組 並 列 に し て大 容 量 コ ンデ ン サ に接 続 す る.   一 組 の ブ リ ッ ジ は12.5MVAを Ｖ,2500Ａ

受 け 持 ち,そ

の ブ リ ッ ジ の 各 ア ー ム は6000

の ゲ ー トタ ー ンオ フ サ イ リス タ と逆 並 列 の ダ イ オ ー ドの ユ ニ ッ ト ８

個 直 列 で 構 成 して い る.図6・28に PWMで

そ の 装 置 を示 す .交 流 系 統 の 電 圧 安 定 化 は

位 相 制 御 して 交 流 系 統 と有 効 電 力 を授 受 し,直 流 電 圧 を一 定 に制 御 す る

こ とに よ っ て 行 う.

図6・2850MVA無

効 電 力補 償 装 置

(資 料提 供;㈱ 東 芝)

  (４)ア

ク テ ィブ パ ワ-フ

ィル タ(Active

Power

Filter)ア

クテ ィブパ

ワ ー フ ィル タ は負 荷 が 発 生 す る高 調 波 電 流 と逆 位 相 の電 流 を発 生 させ,そ

の高調

波 電 流 を相 殺 す る こ とで 交 流 系 統 の 高調 波 を実 用 上 影 響 の な い程 度 に 抑 え る 方 法 で あ る.こ

の装 置 の特 長 は 次 の よ うで あ る.

①

低 次 か ら高 次 ま で の 高調 波 を一 挙 に相 殺 ・補 償 す る.

②

力 率 改 善 装 置 と して も動 作 す る.

③

変 動す る無効 電力 や高調 波電 流 に対 してPWM即

応制 御 に よ り高精 度 の

補償 特性 を示 す.   図6・29に,IGBTを を 示 す.補

使 用 した 一 般 工 業 用 ア ク テ ィ ブパ ワ ー フ ィル タ の 主 回 路

償 高 調 波 次 数 は 二 次 ∼ 十 三 次,高

十 三 次 の 総 合)の

調 波 補 償 率 は80%以

性 能 を示 す.

図 6・30 に,ク レ ー ン用 電 源 に 応 用 した場 合 の 効 果 を 示 す.

図

6・29

IGBTを

使 用 した ア クテ ィブパ ワー フ ィル タの 主 回路

(ａ)電 圧 変動 の 抑制 の例

上(二

次∼

(ｂ)高 調波 成 分 の低 減 の例 図6・30 

ク レ ー ン 用 電 源 へ の 応 用 例(資

料 提 供;㈱ 東 芝)

6・2  交 流-直 流 変 換

6・2・1  重 工 業 用

  電 気 化 学 工 業 で直 流 大 電 流 を必 要 とす る業 種 と して,ア ル ミニ ウム 電 解,食

塩

水 の電 解 な どが あ る.   アル ミニ ウ ム は氷 晶 石 に ア ル ミナ粉 末 を 溶 か して 電 解 液 と し,陽 極-陰 極 間 に 直 流 電 流 を流 して電 解 し,陰 極 に 高純 度 の ア ル ミニ ウ ム を析 出 さ せ る.ア ル ミニ ウム の 電 解 に は直 流 電 圧800∼1200Ｖ

で,約16000kWh/tの

電 力 が 必 要 とい わ

れ て い る.   食 塩 水 の電 解 に よ っ て,陽 極 か ら塩 素 を取 り,陰 極 か らあ る工 程 を経 て 苛 性 ソ ー ダ と水 素 を取 る .直 流電 圧 は200∼600Ｖ で あ る.電 解 用 直 流 電 源 装 置 の １プ ラ ン トの 規 模 は,ア ル ミニ ウ ム の 電 解 用 で は 約200MW,食 40∼70MWと

塩水電解用 で は

い わ れ て い る.

すず メ ッ キ,亜 鉛 メ ッ キ,ア ル マ イ ト処 理 な どの各 種 金 属 の表 面 処 理 に はサ イ

リ ス タ で 定 電 流 制 御 さ れ た 直 流 電 源(8∼30Ｖ,500∼1500 

Ａ)が

使 用 さ れ る.

  これ らの直 流 電 源 の 順 変 換 回 路 は,相 間 リア ク トル 付 二 重 星 形 サ イ リス タ回 路 また は三 相 ブ リ ッジ サ イ リス タ回 路 で,交 流 電 流 の高 調 波 を低 減 さ せ るた め,一 二 相 あ る い は そ れ以 上 の相 数 の 回 路 を使 用 す る. サ イ リス タ を 並 列 接 続 して 電 流 分 担 を平 衡 化 す る に は,次

の こ とが 必 要 で あ

る. ①

デ バ イ ス の電 気 的 特 性,す

な わ ち サ イ リス タ につ い て は タ ー ンオ ン特 性 と

オ ン電 圧 特 性 を,ダ イ オ ー ドで は 主 とし て順 方 向 降 下 を揃 え る. ②

巻 線 導 体 の 配 置,デ

バ イ ス の配 置 に よ っ て 自己 イ ンダ ク タ ンス をで き る だ

け小 さ く,相 互 イ ン ダ ク タ ンス を大 き くす る.

6・2・2 電 車 用 直 流 き 電 電 源   直 流 電 化 の電 車 用 架 線 電 圧 は公 称1500Ｖ

また は750Ｖ

で あ る.通 常,三

相交

流受 電 電 圧 を変 圧 器 に よ り三 相 ブ リッ ジ また は相 間 リア ク トル 付 二 重 星 形 整 流 回 路 で 直 流 に変 換 して直 流 電 力 を き電 線 経 由 で架 線 に送 り,電 車 を運 行 す る.   最 近 で は,ピ ー ク繰 返 し逆 電 圧5000Ｖ,平

均 順 電 流3000Ａ

沸騰 冷 却 式 と し た ユ ニ ッ トを組 み合 わ せ る こ とに よ っ て,直 に て2000kWか

ら6000kWま

  例 え ば,最 新 の3000kWの

の ダイ オー ドを 流 出力 電 圧1500Ｖ

で直 流 電 力 が 得 られ る. 整 流 装 置 で は,上 記 の高 電 圧 大 電 流 ダ イ オ ー ドの

採 用 と新 しい 沸 騰 冷 却 方 式 に よ っ て,以 前 の装 置 に比 べ て,体 積 比 で約1/2,据 付 け面 積 比 で 約3/4,重

量 比 で約3/4に

小 型 ・軽 量 化 さ れ た.

  地 上 変 電 所 間 の距 離 が 長 い 地 区 で,そ

の 中 間 点 で 電 車 が 力 行 す る と,架 線,き

電 線 の 抵 抗 降 下 お よび 順 変 換 回 路 の 転 流 リア ク タ ン ス 降 下(重

な り角)に

架 線 電 圧 は低 下 す る.通 常,変

の 電 圧 降 下 を補 償

圧 器 一 次 側 の タ ッ プ切 換 で,こ

す る.過 負 荷 時 の 電 圧 降 下 を補 償 す る別 の 方 法 と し て,図6・31(ａ)の ダ イ オ ー ド整 流 器 出 力 回 路 ス イ ッチSlを

よ り,

よ う に,

開 き,そ の端 子 間 に サ イ リス タ 装 置 の

制 御 さ れ た 直 流 出 力 電 圧 を カ ス ケ ー ドに して き電 線 の 直 流 電 圧 を高 め る.   図(ｂ)に き電 線 の 電 圧 ・電 流 特 性 を示 す.こ

の 方 式 は,JR西

日本 紀 勢 本 線 の

(ａ)ダ

ィ ォ ー ド ・サ イ リス タ 順 変 換 回 路

図

6・31

(ｂ)直 流 電圧 ・電 流 特性

電 車 用 直流 き電電 源 の例

和 深 変 電 所 で 運 転 さ れ て い る.

6

・

3

6 ・3

・1

直流-直 流 変換 (直流間接変換)

直流定電圧電源

(ス イ ッ チ ン グ レ ギ ュ レー タ)

公 共 用 の 多 種 多 様 の 金 融 ド ン ラ イ ン用 機 器,情 器,交

通 用 制 御 機 器,分

析 ・測 定 用 機 器,信

ン,ワ ー プ ロ,AV・CD機

器,自

報 ・通 信 機 器,各

種 医療 用機

号 ・画 像 処 理 用 電 子 機 器,パ

動 車 用 電 子 制 御 回 路 な ど,お

ソコ

よそ半 導体 デバ

イ ス が使 用 され て い る電 子 回 路 で あ れ ば必 ず直 流 定 電 圧 電 源 が 必 要 で あ る.携 帯 用 電 子 機 器 の うち,電 池 の み を電 源 と し て い る もの を除 き,電 源 がAC/DC兼

用

の もの は直 流 定 電 圧 電 源 を 回 路 に組 み 込 んで あ る. 電 子 機 器 の標 準 の 直 流 電 源 電 圧 は,搬 送 無 線 用 で は21Ｖ,電 48Ｖ で あ り,一 般 用 電 子 機 器 で は ５Ｖ,12Ｖ

話 交換 機 用 で は

な どが 多 い.

こ れ ら 電 子 機 器 用 と し て 多 種 多 様 の 直 流 定 電 圧 電 源 ユ ニ ッ トが 市 販 さ れ て お り,そ

の 標 準 電 圧 は ２,５,12,15,24,48Ｖ(正

ニ ッ トで 正 ・負 両 極 性 付)で

あ る .こ

ま た は 負,あ

るい は同 一 ユ

れ ら 市 販 さ れ て い る ユ ニ ッ トの 標 準 出 力

は,プ

リ ン ト板 実 装 用 で は0.25∼3Ｗ,独

種 類 あ る.ユ 外 形 は,モ

立 ユ ニ ッ トで は5∼300Ｗ

程 度 まで 多

ニ ッ トを 並 列 に 接 続 す れ ば さ ら に 大 き な 電 流 が 得 ら れ る. ー ル ド型,ピ

ン 実 装 型,別

シ ー ル ド 箱 型 な ど が あ る.図6・32(ａ)に

置 き の オ ー プ ン フ レ ー ム 型,穴

開 き鋼 板

高 周 波 化 に よ る 小 型 化 の 傾 向 を,図

(ｂ)に 代 表 的 外 形 を 示 す.

(ａ)小

(ｂ)外

型 化の 傾 向

図6・32直

形の例

流定 電 圧電 源

  直 流 定 電 圧 電 源 ユ ニ ッ トに は,5・3・2項 で 解 説 した 各 種 の直 流 間 接 変 換 回 路 が 使 わ れ て い る.回 路 と直 流 出 力 の お お よ そ の 関 係 は,一 石 フ ラ イ バ ッ ク形 で は 50Ｗ 程 度 ま で,一 石 フ ォ ワー ド形 で は150Ｗ 300Ｗ

程 度 まで,フ

ル ブ リッ ジ形 で は1.5kW程

程 度 まで,ハ

ー フブ リッジ形で は

度 とい わ れ て い る.

  高 周 波 変 圧 器 の 二 次 側 に複 数 の 巻 線 を 配 置 し,一 つ の ユ ニ ッ トで複 数 の 直 流 電 圧 を取 り 出 す マ ル チ 出 力 形(例

え ば,+5,+12,-12,+24Ｖ)が

あ る.図6・33

に マ ル チ 出 力 形 の 回 路 の例 を 示 す.   マ ル チ 出 力 定 電圧 直 流 電 源 で は,通 常,一 を ス イ ッチ ン グ デバ イ ス のPWM制

つ の 出 力 電 圧 の 偏 差 を検 出 し,そ れ

御 に フ ィー ドバ ッ ク して 定 電 圧 化 し て お り,

図6・33マ

ル チ出 力直 流 定電 庄電 源 の 例

他 の 出力 電 圧 は オ ー プ ン制 御 に な っ て い る.ス イ ッチ ン グ デバ イ ス は,主 MOSFETが

使 用 さ れ て お り,そ の 動 作 周 波 数 は200kHzが

定 電 圧 化 は,こ

の周 波 数 で のPWM制

多 い.出

力電 圧 の

御 で 行 っ て い る.主 販 さ れ て い る 直 流 電

源 の特 性 の例 は,負 荷 変 動 に 対 す る 出 力 直 流 電 圧 の 変 動 は0.3∼0.6%以 力 変 換 効 率 は,出 力 電 圧 ・電 流 に よ るが,85∼92%程   直 流 定 電 圧 電 源 の 技 術 課 題 は,(１)機 (３)高 効 率 化,(４)低

とし て

内,電

度 で あ る.

能 の 長 期 信 頼 性,(２)小

型 ・軽 量 化,

価 格 化 で あ る.こ の課 題 に対 し,高 周 波 用 フ ェ ラ イ トお よ

び アモ ル フ ァス 磁 性 材 料,高

周 波 用 チ ップ コ ンデ ンサ,無 誘 導 コ ンデ ンサ,低 損

失 ス イ ッチ ング デバ イ ス,シ

ョ ッ トキー バ リア ダ イオ ー ドな ど の部 品 の 特 性 向上

と低 価 格 化,お

よ び組 立 の 低 価 格 化 が 進 め られ て い る.

6・3・2  医用 機 器 用 直 流 高 電圧 電源 装 置   CTス

キ ャ ナ 用 Ｘ 線 電 源 装 置 に は,直 流 最 大 電 圧150kV,5∼60kWの

負 荷 に 対 応 で き,か つ,小

型 ・軽 量 化 が 要 求 さ れ る.IGBTを

級 電 源 装 置 の 回路 を図6・34に 示 す.図

間欠

使 用 し た36kW

の よ う に,商 用 電 源 を整 流 し て直 流 と し,

チ ョ ッパ で 直 流 電 圧 を制 御 す る.そ の 電 圧 を高 周 波 変 圧 器 の イ ン ダ ク タ ン ス と共 振 用 コ ン デ ンサ で電 圧 共 振 型 イ ンバ ー タ を構 成 し て15kHz以

上 の高 周波 に変換

図

6・34

CTス キ ャナ 用 Ｘ 線 電源 装 置

し,変 圧 器 二 次 側 の 高 電 圧 を整 流 して最 大150kVの

Ｘ 線 管 用 直 流 電 源 とす る.

  回路 構 成 は 自励 他 制 式 電 圧 共 振 型 イ ンバ ー タ で あ る.可 聴 周 波 の 限界 の 共 振 周 波 数 を使 用 す る た め 装 置 を低 騒 音 化 で き,か つ,装 置 の 小 型 ・軽 量 化 が 可 能 とな った.

6

・

4

直流-交 流変換

  直 流 電 力 を得 る に は,(１)交 逆 起 電 力,(３)半

流 電 力 の順 変 換,(２)直

流 発 電 機 また は 電 動 機 の

導体 の 光 反 応 に よ る直 流 電 力,(４)電

気 化 学 的 反 応 に よ り発 生

す る直 流 電 力(各 種 電 池)が 述 べ た が,こ

あ る.(１)は

「交 流 間 接 変 換 」 の項 で 多 くの 実 例 を

こで は 前 項 で は触 れ な か っ た例,お

よ び 各 種 電 池 を電 源 と した 交 流

電 力 変 換 の 実 例 を述 べ る.

6・4・1

無停電電源装置

  金 融 オ ン ラ イ ン シ ス テ ム,情 報 ・通 信,放 院 手 術 室,化

送 シ ス テ ム,航 空 管 制 シ ス テ ム,病

学 プ ラ ン トな ど公 共 性 の高 く,か っ,重

要 な設 備 に とっ て商 用 電 源

の 一 瞬 の電 圧 降 下,停 電 は許 さ れ な い.停 電 か ら重 要 な シ ス テ ム の 機 能 を守 り, 維 持 す るた め,商 用 交 流 電 源 と電 子 機 器 の 間 に無 停 電 電 源 装 置 を 接続 す る.

  無 停 電 電 源 装 置 は,5・2・3項 で 述 べ た よ うに,順

変 換 回 路,蓄 電 池,逆

路 か ら な る 自励 他 制 式 電 圧 形 イ ンバ ー タ 回 路 で あ る.図6・35(ａ)に

変換 回

回 路 構 成 を,

図(ｂ)に 標 準 的 装 置 の停 電 後 の 負 荷 低 減 率 と交 流 電 力 供 給 可 能 時 間 の 関 係 を 示 す.

(ａ)

回路 構 成 の例

(ｂ) 標 準的 な 電 力供 給 可能 時 間

図

 図6・36に,標

6・35

無 停電 電 源 装置 の 例

準 化 さ れ た無 停 電 電 源 装 置 を示 す.こ

れ ら無 停 電 電 源 装 置 は ま

す ます普 及 す る と思 わ れ る.   この 「無 停 電 電 源 」 と6・3・1項 の 「直 流 定 電 圧 電 源 」 と そ の技 術 は,第

１章 の

図1・3で 図 示 し た そ れ ぞ れ の エ レ ク トロ ニ ク ス 分 野 の 「電 源 」 に 応 用 さ れ て お り,重 要 な 役 割 を果 た して い る.

図

無 停 電電 源 装 置の 例(資 料提 供;㈱ 東 芝)

6・36

  無 停 電 電 源 装 置 はCVCF(定

電 圧 ・定 周 波 数)イ

ンバ ー タ で あ っ て,そ

の標

準 仕様 の 要 点 は,次 の よ うで あ る.

①

出力容量 の多様化

近 年 の大 型 ∼ 小 型 コ ン ピ ュー タ,パ

も に,無 停 電 電 源 は 出 力300VAか 及 しつ つ あ る.こ

ら20kVAま

で 多 種 類 が 標 準 化 され て 普

の ほ か,特 別 仕様 の もの もあ る.

② 電力供給 可能 時 間 負荷100%の は,1.4kVA以

ソ コ ンの 普 及 と と

とき,停 電 発 生後 の電 力 供給 可 能 時間

下 で は ５分 間,1.5kVA以

上 で は10分

間 とい う標 準 系 列 が

あ る.特 別 仕様 に よ り蓄 電 池 を増 加 す れ ば さ ら に供 給 時 間 を長 くで きる.さ ら に,長 時 間 の 停 電 に 対 応 す る に はエ ン ジ ン付 き交 流 発 電 機(自 家 発 電 機)で 電 力 を供 給 す る.

③

出力電圧波 形

逆 変 換 回 路 にIGBTを

使 用 し,数kHz以

上 のPWM制

御

とフ ィ ル タ 回路 の 最 適 化 に よっ て,出 力 電 圧 波 形 を限 りな く正 弦 波 に近 くな っ て い る.標 準 仕 様 で 電 圧 波 形 歪 み 率 は3%以

④

出力周波数

内 で あ る.

他 制 式 で あ る か ら,出 力 周 波 数 の 精 度 は 制 御 回路 で き ま る.

通 常,安 定 度 の 高 い水 晶 発 振 器 を基 準 と して い るた め,出 力 電 圧 の周 波 数 の 変 動 は ±0.1%以

⑤

下 で あ る.

出力 電 圧 の 過 渡 変 動

フ ィー ドバ ッ ク 回路 とPWM制

御 に よ り,負 荷 急

変 時 お よび 停 電 時 ・復 電 時 の 出 力 電 圧 変 動 は ±5%以 ⑥

順 変 換 回路 い てPWM制

内 で あ る.

順 変 換 回 路 を ダ イ オ ー ド,サ イ リス タで は な く,IGBTを

用

御 す れ ば,装 置 へ の 入 力 電 流 波 形 を改 善 し,力 率 を １に保 ち

な が ら直 流電 圧 を制 御 して 蓄 電 池 を浮 動 充 電 す る こ とが で きる.   商 用 交 流 のバ イ パ ス 回路 と無 停 電 電 源 装 置 を並 列 に接 続 し て装 置 を常 に ス タ ー ト準 備 状 態 に して お く使 い 方 が あ る.無 停 電 電 源 装 置 の 出 力 側 に ３巻 線 変 圧 器 を 接 続 す れ ば,バ イ パ ス商 用 交 流 と無 停 電 電 源 の 出 力 交 流 との 間,お 間 は 相 互 に絶 縁 され る.バ

よび 負 荷 との

イパ ス商 用 交 流 が 停 電 した と き は,そ の 回 路 の ス イ ッ

チ を開 け ば,負 荷 へ の電 力 は瞬 時 に 無 停 電 電 源 装 置 か ら供 給 され る.商 用 交 流 が 復 電 し てバ イ パ ス 回 路 と並 列 運 転 す る場 合 は,無 停 電 電 源 装 置 の 出 力 電 圧 の 位 相 を検 出 し て 同期 させ,ス

イ ッチ を閉 じ る.

6・4・2  車 両 用 補 助 電 源(14)

  直 流 き電 で運 転 され る電 車 に は,冷 房 用 な どの 電 源 と して 三 相 交 流 が 必 要 で あ る.車 両 に搭 載 す るた め,イ

ンバ ー タ は小 型,軽

ー で 低 騒 音 で あ る こ とが 要 求 さ れ る.210kVAの

(ａ)補 助 電 源装 置 図6・37電

量,高 効 率,メ

ンテナ ンス フ リ

補 助 電 源 を 例 に 取 る と,図6・

(ｂ).主 回 路

車 用 補助 電 源装 置 とそ の主 回 路(資 料提 供;㈱ 東芝)

37の

よ う に,架

線 か ら 直 流1500Ｖ

バ ー タ の 直 流 電 源 と す る .従 る.イ

を パ ン タ グ ラ フ で 受 電 し,そ

っ て,補

助 電 源 は 自励 他 制 式 電 圧 型 イ ン バ ー タ で あ

ンバ ー タ は 帰 還 ダ イ オ ー ド付 き1.7kV,400Ａ

相 ブ リ ッ ジ 回 路 を 構 成 し,変 IGBTは

のIGBT12個

御 す る.1990年

ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ が 使 用 さ れ て い た が ,IGBTの

kVAの

で ２組 の 三

圧 器 で 合 成 し て 三 相200Ｖ,50/60Hzに

ス イ ッ チ ン グ 周 波 数4.5kHzでPWM制

年 頃 か らIGBTに

の電圧 をイ ン

置 き 換 っ た.4.5kV,1000Ａ

変 換 す る. 代初 期 ではゲ

高 耐 圧 化 に 伴 い1995

級 のIGBTが

で き れ ば210

補 助 電 源 を ６個 で 構 成 で き る.

直 流 回路 の コ ンデ ン サ は,走 行 中 の パ ン タ グ ラ フが 離 線 し た 時 の 電 力 供 給 源 と な る.

6 4 3 ・

・

航空機整備用交流電源

  航 空 機 は,主 エ ン ジ ン あ る い は 補 助 エ ン ジ ンで 駆 動 され る400Hz交 を搭 載 し,飛 行 中 は その 電 力 で 自動 操 縦,油 ほか,客 室 の 空 調 ・換 気,客

圧 駆 動,コ

ン ピ ュ ー タ,無 線 通 信 の

室 サ ー ビス を行 っ て い る.

  地 上 で の整 備 に は,商 用 交 流 系 統 か ら航 空 機 用 の115/200Ｖ,400Hz,三 線 式 に変 換 す る電 源 が 必 要 と な る.図6・38は,400Hz交

6・38

航 空 機地 上 整 備用400Hz交

相 ４

流 電 源 の 主 回 路 で,自

励 他 制 式 電 圧 イ ンバ ー タ で あ る.商 用 交 流 電 圧460/420/400Ｖ(国

図

流発電機

流 電 源装 置

に よ っ て電 圧

が 異 な る)の 変 圧 器 と ダ イ オ ー ド に よ り直 流 に 変 換 した の ち,PWM制 IGBTブ

リ ッ ジ イ ンバ ー タ に よ り400Hzに

波電 圧 に整 形 して 交 流115/200Ｖ 所 要 電 源 容 量 は120kVA級 と し,そ のPWMの

御の

変 換 し,高 調 波 フ ィ ル タ に よ り正 弦

を 出 力 す る.

の た め,大 電 流 のIGBTを

動 作 周 波 数 は数10kHz程

応 答 は良 く,装 置 の 効 率 は92％

１個 ま た は複 数 個 並 列

度 で あ る.負 荷 の 変 動 に対 し て

程 度 で あ る.

商 用 交 流 系 統 と航 空 機 内 の 配 線 は,整 流 器 用 変 圧 器 とイ ンバ ー タ 出 力 変 圧 器 に よ り絶 縁 し,電 磁 波 ノ イ ズ,高 周 波 ノ イ ズ が機 内 に侵 入 しな い よ う に フ ィル タ と 遮 蔽 に考 慮 して い る.

新 エ ネ ル ギ ー 源 の 電 力 変 換(15)

6・4・4 (１)

太陽光発 電シス テム   太陽光発電 システムの余剰電 力 を配 電系統 を通

じて 電 力 会 社 が 積 極 的 に 買 い 取 る施 策 が1992年

に始 ま っ た.そ

の 後,シ

ステム

の価 格 が 低 下 し,ま た シ ス テ ム 設 置 に対 す る補 助 金 制 度 も加 わ っ て,住 宅 用 太 陽 光 発 電 シ ス テ ム が 急 速 に普 及 して い る. 5・4・1項で 解 説 した よ うに,シ

リコ ン太 陽 電 池 エ レ メ ン トを 直 ・並 列 に 接 続 し

た パ ネ ル を多 数 接 続 し て直 流 電 源 とす る.太 陽電 池 に は出 力 最 大 とな る動 作 点 が あ り,こ の 動 作 点 は 日射 強 度 や 太 陽電 池 温 度 な どの 気 象 状 況 に よ り変 化 す る. 通 常,配 電 系 統 に 連 系 す る太 陽 光 発 電 ユ ニ ッ トは,太 陽 電 池 パ ネ ル,イ タ 回路,絶

縁 変 圧 器,お

ンバ ー

よび 最 大 電 力 点 追 従 ・連 系保 護 の 機 能 を もっ た 制 御 装 置

で構 成 され た 他 励 他 制 式 電 圧 形 イ ンバ ー タで あ る.他 励 式 とい っ て も,通 常 は 自 己 オ ン ・オ フ機 能 を も っ たIGBTを

使 用 す る の で,交 流 系 統 か ら転 流 電 圧,進

み電 力 を得 る必 要 は な く,自 励 式 動 作 とな る. 絶 縁 変 圧 器 は,電 圧 の 変 更,単

相 ２線 式 と ３線 式 の変 換 な ど系 統 連 系 へ の 自 由

度 は あ るが,こ

の変 圧 器 は個 人 住 宅 用 と し て小 型 ・軽 量 化,低 価 格 化 に 問題 が あ

っ た.最 近,変

圧 器 を省 略 した いわ ゆ る トラ ン ス レス イ ンバ ー タ ユ ニ ッ トが 市 販

され て い る.図6・39に,太 トの主 回路 を示 す.

陽 光 発 電 ユ ニ ッ トと トラ ン ス レ ス イ ンバ ー タ ユ ニ ッ

図6・39  太 陽光 発電 シ ステム と主 回路

ユ ニ ッ トの 出 力 を配 電 線 に 連 系 す る と き,イ

ンバ ー タ の 出 力 電 流 に直 流 分 が 含

まれ る と柱 上 変 圧 器 を直 流 偏 磁 させ る恐 れ が あ る.こ

の た め 高 精 度 の 直 流 分検 出

回路 で 直 流 電 流 分 を極 小 化 す る必 要 が あ る. 直 流 電 力 の う ち一 つ は太 陽 電 池 パ ネル か ら直 接 に,も

う一 つ は 太 陽 電 池 を入 力

定 格電 力  3,5kW 定 格 入力電 圧  直 流200Ｖ 入力電 圧 範 囲  直 流160-350Ｖ 定 格交 流 出 力電圧   101Ｖ(単 相 ３線) 出力 周波 数  50/60Hz 電 力変 換効 率  93％ 以 上 付 加機 能  系統 電圧 バ ラ ン ス制 御

系統電圧上昇抑制機能 冷 却 方式  外    形 

系統 連 系の ため の諸 機 能 自然冷却 580Ｗ ×330Ｈ ×180mmD

重

20.5kG

量 

取 付け 方 法 

壁 面固定

図6・40  配 電線 に 連 系 で きる住 宅 用太 陽 光 発電 シ ステ ム(資 料 提 供;㈱ 東芝)

と した コ ンバ ー タ 回 路 か ら供 給 さ れ る.イ

ンバ ー タ 回 路 はIGBTを

の単 相 ハ ー フ ブ リ ッ ジ 回 路 で 単 相 ３線 出 力 と し,IGBTは よ り出力 電 圧,電

流 お よ び波 形 を制 御 す る.負 荷 が50％

換 ユ ニ ッ トの 効 率 は93％

高 周 波PWM制

御に

か ら定 格 出 力 まで の 変

以 上 とな っ て い る.太 陽 電 池 パ ネ ル の 端 子 と交 流 ３線

の 中 線 を 接 地 し て 電 位 を 固 定 して い る.図6・40に,太 3.5kWト

用 い た ２組

陽 電 池 パ ネ ル と住 宅 用

ラ ンス レ ス イ ンバ ー タ を示 す.

(２)  燃 料 電 池 を電 源 と した電 力 シ ス テ ム    5・4・1項で 述 べ た よ うに,燃 料 電 池 は 天 然 ガ ス か ら水 素 を取 り出 し,そ れ と空 気 中 の酸 素 と電 解 質 の 電 極 を介 し て電 気 化 学 的 に 反 応 させ て直 流 電 力 を取 り出 す 方 法 で,硫 黄 や 窒 素 酸 化 物 の放 出 は な く,高 い 発 電 効 率 の た め,将 来 の 普 及 が 期 待 さ れ て い る.す で に11MW, 1MW級 は200kW級

の 大 型 燃 料 電 池 プ ラ ン トを試 作 し,実 証 試 験 して 実 績 を得 た が,現 在 の オ ンサ イ ト型 燃 料 電 池 プ ラ ン トの普 及 が 進 め ら れ て い る.

燃 料 電 池 プ ラ ン トは,燃 料 電 池 本 体,イ

ンバ ー タ とそ の 交 流 出 力 を配 電 系 統 に

連 系 す るた め の 制 御 装 置 か らな る シ ス テ ム で,自 己 オ ン ・オ フ 機 能 を もつIGBT あ るい は ゲ ー トター ンオ フ サ イ リス タ を使 用 した 自励 自制 式 電 圧 形 イ ンバ ー タ で あ る.図6・41に,200kW燃

料 電 池 用 三 相PWMイ

直 流 電 圧 運 転 範 囲(燃 料 電 池 の 出 力)は165∼224Ｖ,交

図6・41燃

ン バ ー タ の 主 回 路 を 示 す. 流 出 力 は三 相210Ｖ,

料 電 池 を電源 と した電 力 シス テム(資 料 提供;㈱ 東 芝)

変 換 効 率 は94％

で あ る.使

用 し て い るIGBTは600Ｖ,800Ａ

の ス イ ッ チ ン グ 周 波 数 は1.98kHzで (３)

を36個,PWM

あ る.

蓄 電 池 を電 源 と した 交 流 電 力 供 給 シ ス テ ム(16)   １日 の 時 間 経 過 で 電

力 の 需 要 の変 化 を見 る と,夜 間 の 電 力 需 要 は １日 の平 均 値 を下 回 り,昼 間 は上 回 る.こ の よ うな需 要 の 変 動 に 対 して は 発 電 機 の 出 力 制 御,揚

水 発 電 機,他

の系統

か らの電 力 の 融 通 で対 応 して い る. 電 力 の 需 要 変 動 へ の 対 応 策 の 一 つ と し て,5・4・1項 で 述 べ た 充 ・放 電 可 能 な 蓄 電 池 を電 力 源 と した大 容 量 の電 力 貯 蔵 実証 試 験 設 備 が 大 阪 市 生 野 区 に あ った . これ は通 産 省 の ム ー ン ラ イ ト計 画 に基 づ き,新 エ ネ ル ギ ー総 合 開 発 機 構 の 委 託 を受 け て 関西 電 力(株)が 建 設 した 巽 電 力 貯 蔵 試 験 所 で,現 在 で は そ の 目 的 が 完 了 し,徹 去 さ れ て い る. 電 力 源 は,端 子 電 圧 ２Ｖ,7500Ahの 流1025Ｖ

新 開 発 鉛 蓄 電 池526個

を直 列 接 続 して 直

の 電 源 を構 成 して い る.夜 間 は充 電 期 間 と し,昼 間 は4000  kWh(1

000kW(約500世

帯 の 電 力 需 要 に 相 当)×4時

間)の

電 力 を放 出 す る .逆 変 換

回 路 は ゲ ー トタ ー ンオ フサ イ リス タ を用 い た 自励 式 電 圧 形1000kWイ で,1200kVAの

出 力 変 圧 器 を介 して6.6kVの

要 の 変 動 に対 応 して い る.図6・42に

図

6・42

ンバ ー タ

市 街 地 配 電 線 に連 系 し,電 力 需

その 実 験 時 の 主 回路 を示 す.

蓄 電 池 を電 源 とした電 力貯 蔵 実 証試験 設備 の 主 回路

東 京 電 力 で は,上 記 の 電 力 需 要 の 変 動 対 策 と して,鉛 電 池 で は な く,ナ ム ・硫 黄 電 池 を電 源 と して,6000kWの

トリ ウ

設 備 を設 置 す る計 画 を進 め て い る.

引 用

文

献

(１)

桜 井 ほか   ;「新 信 濃 周 波 数 変 換 所 」,Ｐ.1-9,７

月,昭51,OHM

(２)

桜 井 ほ か   ;「新 信 濃300MW周

(３)

沢         ;「新 信 濃 変 電 所 」,Ｐ.61-70,６

(４)

田中     ;「新信 濃 ２号FCの

(５)

水 野      ;「周波 数変 換設備 へ の適 用」,平 成 ７年,電 気 学会全 国大 会

(６)

関 田 ほか  ;「系統 間連 系設備 へ の適用 」,平 成 ７年,電 気学 会全 国大 会

(７)

竹 之 内     ;「北 海 道 ・本 州 間 電 力 連 系 設 備 の概 要 」,Ｐ.43-50,８

波 数 変 換 設 備 」,  Ｐ.52-57,昭53,東

芝 レ ビュー

月,'91,OHM

建 設 」,平 成 ５年,電 気学 会全 国大会

月,昭55,電

気学会雑誌 (８)

鯉 沼       ;「北 本 増 設 設 備 の建 設 」,Ｓ.15-3,平

(９)

長 谷 川 ほ か;「 紀 伊 水 道 直 流 連 系 設 備 の 計 画 」,Ｐ.61-65,５

(10)

松 林 ほか 

(11)

小 林 ほ か   ;「光 サ イ リス タ の 直 流 送 電 へ の 応 用 」 Ｐ.419-23,５

;「パ ワ ー デ バ イ ス 技 術 」,Ｐ.7-10,６

成 ５年,電

月,'94,東

気学会 全 国大 会 月,'96,電

気 評論

芝 レビ ュー

月,'83,東

芝

レ ビュー

(12)

石 崎 ほ か   ;「交 直 変 換 所 用 酸 化 亜 鉛 形 避 雷 器 」,Ｐ.13-3,平

成 ４年,電

気学会

全国大会 (13)

金 井 ほ か   ;「電 力 シ ス テ ム へ の 自 励 式 イ ン バ ー タ の 適 用 」,Ｐ.10-15,４ '96

(14)

,東

月,

芝 レビュー

末 吉       ;「パ ワ ー デ バ イ ス の 開 発 と鉄 道 車 両 の 動 向 」,Ｐ.7-11,１

月,'95,

東芝 レ ビュー

(15)

横 山 ほ か   ;「新 ・省 エ ネ ル ギ ー シ ス テ ム へ の 自励 式 イ ン バ ー タ の 適 用 」,Ｐ.16-

21,４

(16)

月,'96,東

芝

レ ビ ュ ー

国 吉 ほ か   ;「電 池 電 力 貯 蔵 シ ス テ ム と変 換 装 置 へ の パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス の

適 用 」,Ｐ.65-68,２

月,'89,OHM

演

習

問 題

〔６〕

〔 問題〕１.直 流 送電 方 式が 交流 送電 方 式 に比 べ て有利 な点 は何 か.

〔 問 題 〕２.直

列 に接 続 した サ イ リス タ を ト リガ す る と き の 方 法 を述 べ,ど

の 方法 が よ い

か そ の 理 由 を説 明 せ よ.

〔 問 題 〕３.無

効 電 力 補 償 装 置 の 回 路 構 成 を述 べ,そ

〔 問 題 〕４.無

停 電 電 源(UPS)の

の 動 作 と効 果 を説 明 せ よ.

構 成 と動 作 を説 明 し,そ

の 主 た る 用 途 を述 べ よ.

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 応 用

第 ７章

(そ の ２)

−電動 機 への応 用−

  戦 後 の 日本 の復 興 期 を先 導 した 製 鉄 ・製 鋼 業 界 で は,1960年 の 圧 延 設 備 の主 機 と補 機 の 駆 動 電 源 は電 動 発 電 機(ワ 銀 整 流 器(静

止 レ オ ナ ー ド)で あ っ た.

  1960年 に入 っ て 実 用 し得 る サ イ リス タ が 開 発 さ れ,そ が2500Ｖ,500Ａ

に 達 した1965年

の 定 格 電 圧,定

イ リス タの 性 能 向上 と併 行 して,自

ー タ,GTOイ

ンバ ー タ, IGBTイ

銀整 流器 は消滅 し

己 オ ン ・オ フ機 能 を持 っ た パ ワ ー トラ

ン ジス タ,ゲ ー トタ ー ンオ フサ イ リス タ(GTO),  は,電 力 の デ ジ タ ル 化 で あ るPWM制

格電 流

以 降 は サ イ リス タ(サ イ リス タ レ オ ナ ー ド)

が 主 役 の 座 を 占 る よ う に な り,そ れ と同 時 に 電 動 発 電 機,水 た.サ

代 半 ば まで はそ

ー ドレ オ ナ ー ド)お よ び 水

IGBTが

開 発 され た.一

御 に よ る チ ョ ッパ,電

方で

圧 ・電 流 形 イ ン バ

ンバ ー タ お よ び サ イ ク ロ コ ンバ ー タ な ど,応

用 回路 が 開 発 され て,電 動 機 の 出 力 １kW以

下 か ら数10 MW以

上 まで,需

要家

が 期 待 す る制 御 ・運 転 特 性 に応 え られ る よ う に な った.   電 動 機 の 種 類 と駆 動 方 法 の例 を図7・1に,わ

が国の圧延用電動機 駆動 システム

の 歴 史 の概 要 を 図7・2に 示 す.

図7・1  各種 電動 機 の駆 動 方 法

図

7

・

2

電 動機 の種 類,圧 延 機 駆動 シ ステ ム とデ バ イ スの 歴 史

  1970年 後 半 に 入 っ て,従 来 の 直 流 機 に代 わ っ て誘 導 電 動 機 の ベ ク トル 制 御 法 が 実 用 され る よ う に な り,圧 延 機 の補 機 に採 用 さ れ た.現 在 で は,圧 延 機 主 機 の 数1000kW級

の 誘 導 電 動 機 を サ イ リス タ とベ ク トル 制 御 で 駆 動 す る交 流駆 動 シ

ス テ ム が 実 用 され て い る.図7・2に,わ

が 国 の圧 延 用 電 動 機 駆 動 シス テム の歴 史

を示 す.   この よ う に,電 動 機 駆 動 へ の パ ワー エ レ ク トロ ニ ク ス の 応 用 は,1960年

代後

半 か ら主 役 の座 を 占 め て お り,今 後 も続 く こ とは疑 い な い.  一 方,電 動 機 の応 用 面 か ら見 る と,そ の 電 動 機 出 力 と回 転 数 の 関 係 は,図7・3 の よ う に右 下 りの傾 向 に な る.例 は10MW以

えば,熱 間 圧 延(ホ

ッ ト ミル)用

電動機 の出力

上 に 達 す る が 回転 数 は低 く,一 方,研 磨 機 な ど は 出 力 は小 さ い が 回

転 数 は50000rpm以

上 に な る.

  図7・3は 一 例 で あ るが,こ は,製 鉄 ・非 鉄,製

の よ う なパ ワ ー エ レ ク トロニ ク ス の 電 動 機 へ の応 用

紙,化 学 の 重 工 業 の ほ か一 般 産 業,工

の み な らず,電 車,昇

作 ・加 工 機 な どの 分 野

降 機 な どの 交 通 シ ス テ ム 分 野 に も広 が り,さ らに 多 方 面 に

発 展 しつ つ あ る.こ の よ うに,パ

ワー エ レク トロニ ク ス は我 々 の 生 活 と経 済 活 動

図

7・

3

電動 機 応用分 野 の電動 機 出力 と回転数 の 関係

に 密 着 し て い る.

7

・

1

電動機の原理 と制御

  電 動 機 の種 類 を大 別 す る と,直 流 電 動 機,誘

導 電 動 機,同

期 電 動 機 に な る.

  これ らの 電 動 機 の 運 転 形 態 は,回 転 方 向 と トル ク の方 向 に よ っ て,図7・4の う に四 つ の 象 限 が あ る.一 方 向 の電 動 機 運 転,す 象 限 運 転,そ 転,逆

よ

な わ ち加 速 ・可 変 速 制 御 は第 一

の 回転 エ ネ ル ギ ー を 電 源 に戻 す 発 電 制 動 ・回 生 運 転 は 第 二 象 限 運

方 向 の加 速 ・可 変 速 制 御 は第 三 象 限 運 転,そ

の 発 電 制 動 ・回 生 運 転 は 第 四

象 限運 転 と な る.正 転 ・逆 転 を含 む電 動 機 の加 減 速 ・回 生 運 転 は 四 つ の 象 限 を通 過 す る運 転 に な る. 次 に,こ れ ら電 動 機 の 動 作 原 理,運 転 形 態 に適 した 回 路 と制 御 に つ いて 説 明 す る.

図

7・1 ・1

(１)

7・4

電動 機 の四 象 限運 動

直流電動機 基本特性

サ イ リス タ 順 変 換 装 置 に よ っ て,界 磁 巻 線 が 独 立 した 分 巻

直 流 電 動 機 を運 転 す る場 合 の 回 路,直 図7・5に

流 電 動 機 の 等 価 回 路,電

示 す.

(ａ)

(ｂ)

原理 図 図

7・5

運動方程式

直流 電動 機 の 原理 と運 動 方程 式

圧-電 流 方 程 式 を

こ こで,φfは

界 磁 が 作 る 有効 鎖 交 磁 束 で,

φf=Mif Teは

(7・1)

発 生 トル ク で,ｐ

を 磁 極 対 数 と し て,

Te=pφfia

(7・2)

従 っ て,電 機 子 電 流iaと 界 磁 電 流ifの 一 方 あ る い は 両 方 を制 御 す る こ とに よ り発 生 トル クTeお

よ び 回転 角 速 度 ωrを 制 御 で き る.

電 動 機 と し て 回転 中 の誘 導起 電 力emは, υa=em+Raia=(pωrφf)+Raia

υa>emで

あ れ ば,電

電 動 機 は 減 速 ・回 生(第

(7・3)

動 機 は 力 行(第 二 象 限)運

一 象 限)運

転 で あ り,υa<emで

あ れ ば,

転 を 意 味 す る.

回転 速 度 ｎ は,電 機 子 導体 総 数 を ｚ,電 機 子 回 路 対 数 を ａ とす る と, (7・4)

直 流 電 動 機 の 回 転 数 と電 機 子 電 圧,界 磁 電 流,ト

ル ク の 関 係 を図7・6に 示 す.

この 図 で,界 磁 電 流 が 一 定 の 領 域 で は, 回 転 数 に 関 係 な く電 機 子 電 流 と発 生 トル ク は比 例 した 定 トル ク領 域 を示 し,逆 起 電 力 が 一 定 な 領 域 で は 回転 数 に関 係 な く 電 機 子 電 流 と出 力 が 比 例 す る定 出 力 領 域 図7・6  他 励 直 流電 動 機 の特 性

とな る.

(２) 直流電 動機の 可変速運転 お よび可逆運転 (ａ)  可 変 速(非

可 逆)運

転(第 一 象 限 運 転) 

サ イ リス タ と直 流 電 動 機 を組

み合 わ せ た 回転 数 制 御 シス テム をサ イ リス タ レ オ ナ ー ドとい う.そ の 基 本 的 制 御 系 を 図7・7(ａ)に 示 す.直 流 電 動 機 の 回転 数 は,軸 に 直 結 し た 速 度 検 出器 か ら速 度 に比 例 した 電 圧 また はパ ル ス 数 を比 較 信 号 と して制 御 回路 に入 れ て速 度 指 令 信 号 と比 較 し,両 者 の 差 が ０とな る よ うに サ イ リス タ の ゲ ー ト位 相 を制 御 し,直 流 電 圧 す なわ ち 電 機 子 電 圧 を制 御 す る.

(ａ) サ イ リ ス タ レ オ ナ ー ド

(ｂ) チ ョ ッ パ

(ｃ) トラ ン ジ ス タ レ オ ナ ー ド

図7・7  直 流電 動 機 の 可変 速(非 可 逆)運 転 の主 回 路 と制 御 系

この 図 で は,界 磁 電 流,電 機 子 電 流 と も に一 方 向 な の で,逆 転 ・回生 運 転 は で きず,第 一 象 限 の み の 可 変 速 運 転 しか で き な い.電 機 子 回 路 に ス イ ッチ と抵 抗 を 付 け れ ば 発 電 制 動 に よ る減 速 はで き る. 同 図 の サ イ リス タ ブ リ ッ ジ の 代 わ りに,PWM制 MOSFET,IGBTか で き る.図(ａ)で

御 した チ ョ ッパ,あ

るいは

ら な る可 変 直 流 電 源 を使 用 して も同様 な第 一 象 限 の 運 転 が は,サ イ リス タ の制 御 角 に よっ て 交 流 電 源 の 所 要 無 効 電 力 は 変

化 す る が,図(ｂ),(ｃ)で

は 力 率 を ほ ぼ １に 保 ち な が ら電 機 子 電 圧 をPWM制

御 で 可 変 で き,直 流 電 動 機 の 回 転 数 を制 御 で き る.

(ｂ) 可逆運転(全 象限運 転) １)  サ イ リス タ ブ リ ッジ 回 路   直 流 電 動 機 を 四象 限運 転,す 加 速 ・減 速(回 か,ま

な わ ち正 ・逆 転,

生 制 動)運 転 す る た め に は,電 機 子 端 子 電 圧 の 極 性 を切 り換 え る

た は界 磁 端 子 電 圧 の極 性 を切 り換 え る必 要 が あ る.こ の た め に は図7・8の

方 法 が あ る.図(ａ)は

２組 の サ イ リス タ ブ リ ッ ジ を循 環 電 流制 限 用 リア ク トル を

介 し て十 字 結 線 と し,一 方 を順 変 換 動 作,他 流(通 常 は 定 格 電 流 の数 ％ 程 度)を

方 を逆 変 換 動 作 させ て小 さ な循 環 電

両 ブ リッ ジ 回 路 に 流 す こ と に よ っ て 直 流 電

動 機 を 円 滑 に全 象 限 の運 転 を行 う.図(ｂ)は

循 環 電 流 制 限 用 リア ク トル を省 略 し

(ａ)  十 字結 線 式

(ｂ)  逆 並 列結 線 式

(ｃ)  電 機子 切 換 式

(ｄ)  界磁 切換 式

図7・8  直流 電動 機 の 可逆 運 転 の 主 回路

て二 つ の ブ リ ッ ジ回 路 を 逆 並 列 に接 続 し た 方 法 で,両

回路 が 短 絡 しな い よ うに 互

い にゲ ー ト位 相 を制 御 す る.こ の制 御 上 の デ ッ ドタ イ ム の た め に 象 限 の 移 行 に わ ず か の 時 間 を要 し,可 逆 運 転 の 円 滑 さ は図(ａ)よ り劣 る.図(ｃ)は

電 機 子 回路 に

機 械 的 切 換 ス イ ッ チ を接 続 し,運 転 指 令 に よ りス イ ッチ を動 作 さ せ て 電 機 子 電 圧 の極 性 を切 り換 え て可 逆 運 転 させ る方 法 で あ る.１ 組 の 三 相 ブ リ ッジ 回 路 は切 換 指 令 に よ り順 変 換,逆 変 換 の 両 方 の 動作 を す る.１ 組 の ブ リ ッジ 回路 で 済 む利 点 は あ るが,機 械 的 ス イ ッチ の 切 換 動 作 時 間 遅 れ,騒 音,保 る例 は見 な い.図(ｄ)は

守 の た め 実 用 され て い

界磁 巻 線 に ２組 の サ イ リス タ ブ リッ ジ回 路 を逆 並 列 接 続

して 界 磁 電 流 の 方 向 を切 り換 え る方 法 で あ る.電 機 子 電 流 を通 電 中 に 界 磁 電 流 を 切 り換 え る と,一 時 的 に 弱 め界 磁 と な っ て 回転 数 が 異 常 に高 くな る恐 れ が あ る た め,電 機 子 電 流 を い っ た ん ０に して か ら切 り換 え る. ２)  可 逆PWM回

路   図7・9の よ う に,自 己 オ ン ・オ フ機 能 を持 っ た デ バ イ

ス(バ

イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ,MOSFET,IGBT,ゲ

タ)を

ブ リ ッ ジ に接 続 し,そ の 中間 に直 流 電 動 機 を接 続 す る.こ の ブ リッ ジ 回路

の 出 力 電 圧,す

ー トタ ー ン オ フ サ イ リス

なわ ち電 機 子 電 圧 の極 性 は,正 転 ・逆 転 の 指 令 に応 じて 正 ま た は

負 に な る よ う にPWM制

御 す る.

図7・9  可 逆PWM制

ブ リ ッ ジ 回路 の 出 力 電 圧,出 直 流 電 動 機 の 回 生 制 動,逆

御 に よ る直流 電動 機 の 可 逆運 転

力 電 流 は いず れ の 方 向 も と る こ とが で き る の で,

転 が 可 能 で あ り,四 象 限運 転 が 可 能 で あ る.

デ バ イ ス の 特 性 に よ るが,PWM周 る の で,サ

波 数 を1∼20kHz程

度 に選 ぶ こ とが で き

イ リス タ レオ ナ ー ド方 式 に比 べ て電 動 機 の 速 応 制 御 性 に 優 れ て い る.

３) PLL(Phase  で は,PWM制

Locked  Loop;位

相 同 期 ル ー プ)速 度 制 御   図7・9の 回 路

御 に よ り トル ク,す な わ ち電 機 子 電 流 を精 度 よ くか つ 応 答 よ く制

御 で き る.PLL速

度 制 御 と は,回 転 位 相 指 令 と実 際 の 回 転 位 相 の 差 に比 例 した

トル ク を発 生 させ る こ と に よ り,回 転 位 相 指 令 に 同期 して電 動 機 を回 転 さ せ る も の で あ る.PWM制

御 の 特 徴 で あ る機 能 にPLL制

御 を 加 え て,電

動 機 を高 精 度

パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス に よ る 誘 導 電 動 機 の 速 度 制 御 は,1970年

代 に実用 化

の 回 転 数 制 御 を行 う 方法 で あ る.

7・1・2 誘 導 電 動 機

が 始 ま っ た.こ able  Frequency)イ

の 頃 は,可

変 電 圧 可 変 周 波 数(VVVF;Variable 

ン バ ー タ と し て,交

流出力電圧

Voltage  Vari-

Ｖ と そ の 周 波 数 ｆ の 比V/f

を 一 定 に し つ つ ｆ を 可 変 と し た 誘 導 電 動 機 の 電 源 と し て 応 用 さ れ た.

  1970年 代 後 半 に,自 己 オ ン ・オ フ機 能 を もっ た 大 電 力 の デ バ イ ス が 開 発 さ れ, それ を使 用 したPWM制

御 電 圧 形 イ ンバ ー タが 誘 導 電 動 機 の駆 動 に 実 用 さ れ る

よ う に な っ た.こ の 頃,誘

導 電 動 機 を直 流 電 動 機 並 に応 答 よ く トル ク制 御 で き る

「ベ ク トル 制 御 」 が 開 発 さ れ た.こ

の技 術 が 電 圧 形 イ ンバ ー タ と結 び 付 い て,従

来 の サ イ リス タ レオ ナ ー ドに よ る直 流 電 動 機 駆 動 シ ス テ ム か ら,ベ ク トル 制 御 の 誘 導 電 動 機 駆 動 シ ス テ ム が 重 工 業,一

般 産 業 用,交 通 ・輸 送 用 な ど広 い 分 野 に応

用 さ れ る よ う に な っ た.現 在 で は,こ の シス テ ムが パ ワー エ レ ク トロ ニ ク ス の電 動 機 へ の 応 用 の 主 役 に な っ て い る.

(１)誘 導電動機 の等 価 回路   か ご形誘 導電動 機 の原理 と等価 回路 を図7・ 10に 示 す.

(ｂ)等 価 回路

(ａ)構 造 の原 理

(ｃ)図(ｂ)の

ベ ク トル 図

図7・10  か ご形誘 導 電動 機 の 原理 と等価 回路

か ご形 誘 導 電 動 機 の場 合,固

定 子 巻 線 に 三 相 交 流 電 圧 を 印 加 す る と電 流 が 流

れ,磁 束 φMの 回 転 磁 界 が 生 じ,励 磁 リア ク タ ン ス をXM,励

磁 電 流 をIMと

す

れ ば, (7・5)

φM=XMIM

と な る.誘 導 電 動 機 が 無 負 荷 の と き,そ の 電 流 はIMに は,φMは

ほ ぼ 等 し い(直 流 機 で

界 磁 電 流 に よ る磁 束 に相 当 す る).

この 励 磁 電 流IMに

よ る回転 磁 界 を か ご形 回 転 子 の 導 体 バ ー が 横 切 る と回 転 子

に 起 電 力 が 誘 起 して 二 次 電 流I2が 流 れ る.こ の 電 流 と回 転 磁 界 との 間 に,フ ミ ン グの 法則 に よ っ て トル クがTeが

発 生 す る(直 流 機 で は,I2は

レ

電機子 電流 に

相 当 し,こ の 電 機 子 電 流 と界 磁 磁 束 に よ り トル ク を発 生 す る). この トル ク は,回 転 子 導 体 バ ー の 鎖 交磁 束 と二 次 電 流 の積 に よっ て 決 ま り,ト ル ク を発 生 す るた め に はIM,I2が 必 要 で あ る. 交 流 電 源 か ら電 動 機 に流 れ る電 流I1は,ベ

ク トル 表 示 す れ ば,

I1=IM+I2

(7・6)

I1の 絶 体 値 と,そ の 角 度 を θ とす れ ば,次 の 式 とな る. (7・7)

(7・8)

二 次 電 流I2が 流 れ る た め に は,回 転 磁 界 の 周 波 数(交 回転 子 の 回転 周 波 数frに 差 が な けれ ば な ら な い.そ

流 電 圧 の 周 波 数)ｆ

と

の差 が す べ り ｓで あ り, (7・9)

とな る.s=0,す

な わ ちf=frで

は,回 転 子 導 体 バ ー は 回転 磁 界 を横 切 らな い の

で トル ク は発 生 し な い.同 期 速 度 Ｎ は,電 動 機 の 極 数 を ｐ とす れ ば (7・10)

ま た,回

転 子 の 回 転Nrは,s=(N-Nr)/Nか

ら,次

式 と な る.

Nr=N(1-s) 従 っ て,回

転 数Nrを

(7・11)

制 御 す る に は,ｆ

あ る い は ｓ を 制 御 す れ ば よ い.

トル クTeは,定

数 をK1,K2,  K3,電

動 機 出 力 を Ｐ と し て,次

の 関 係 が あ る.

(7・12)

(２)

か ご形誘導 電動機 の可変速運転

(ａ)

基本特性

交 流 電 圧,周 波 数 が 定 ま っ た 交 流 電 源 で 誘 導 電 動 機 を駆 動 し

て い る時 の 特 性 を 図7・11(ａ)に 示 す.負 荷 を 駆 動 す る に 必 要 な トル ク に達 す る と こ ろ まで 電 動 機 電 流 が 増 加 して トル ク を発 生 し,電 動 機 は そ の 時 の 回 転 数,す べ り ｓで 回 転 す る.同 期 速 度 で は,ト ル ク は ０で あ る. 電 動 機 の 回転 数 が 同 期 速 度 で 決 ま る回 転 数 よ り も高 くな る と,ト ル ク は 負 とな って 制 動 力 が 生 じ る.電 源 回 路 に 回 生 能 力 が あ れ ば 回 転 エ ネ ル ギ ー は電 源 に 回生

(ａ)基 本特 性

(ｃ)V/f一

図

定制御 7・11

(ｂ)端 子 電圧 特 性

(ｄ)V/f一 定+端 子電 圧 制 御 誘 導電 動 機 の 回転 数-ト ル ク特 性

さ れ て 減 速 す る.従 っ て,イ

ンバ ー タ回 路 の 出 力 周 波 数 を電 動 機 の 回 転 数 で 決 ま

る 周 波 数 よ り も下 げ る よ うに 制 御 す れ ば,電

動 機 に制 動 トル クが 生 じ,減 速 す

る. (ｂ)

す.発

電 動機 の端 子電 圧制 御

図(ｂ)に 端 子 電 圧 を 制 御 し た と き の特 性 を 示

生 トル ク は端 子 電 圧 の ほ ぼ ２乗 に比 例 す る.こ の 制御 法 は送 風 機 の よ う な

負 荷 に は適 す るが,定 V/f一 定 制 御

トル ク負 荷 で は狭 い範 囲 で の 回転 数制 御 しか で き な い. こ の 方 法 で は,図(ｃ)の

よ う に,周 波 数 の 低 下 と共 に

最 大 トル ク は減 少 す る.こ の 方 法 は,送 風 機,ポ

ン プ な ど,低 速 度 で所 要 トル ク

(ｃ)

が 小 さ くて済 む 用途 に適 す る.工 作 機,ク

レ ー ンの よ う に低 速 度 領 域 で も大 きな

トル ク を必 要 とす る よ うな 用途 に は,電 動 機 の端 子 電 圧 を高 め て,図(ｄ)の

よう

に,低 速 度 で も最 大 トル ク が で る よ うな 制 御 法 を用 い る. 回転 数 制 御 に 当 た っ て,電 動 機 の 軸 か ら検 出 した 回 転 数 信 号 を制 御 シス テ ム に 加 え て 回転 数 補 正 した のが(セ

ンサ 付 き)ベ ク トル 制 御 で,一 方,回 転 数 信 号 の

代 わ り に電 動 機 電 流 か ら回転 数 を推 測 して 回 転 数 補 正 した の が セ ンサ レス ベ ク ト ル 制 御 で あ る. (３)

巻 線形誘導 電動機の可 変速 運転 (サ イ リス タセ ル ビウ ス 方 式)

形 誘 導 電 動 機 で は,か

巻線

ご形 と同様 に電 動 機 端 子 電 圧 また は そ の 周 波 数 に よ っ て,

あ る い は二 次 側 の巻 線 に誘 起 す る電 圧 を制 御 す る こ とに よ っ て 回 転 数,ト

ル クを

制 御 す る.巻 線 形 誘 導 電 動 機 が す べ り ｓで 回 転 し て い る と き,そ の 二 次 巻 線 に は ｓに 比 例 した 二 次 電 圧 が 誘 起 し,負 荷 トル ク で 定 ま る二 次 電 流 が そ の 巻 線 に 流 れ る.従

っ て,こ の誘 起 電 圧 を二 次 巻 線 に 接 続 した 外 部 回 路 に よ っ て制 御 す れ

ば,負 荷 トル ク に見 合 った 回転 数-ト ル ク特 性 で 回 転 す る.す な わ ち,図7・12の よ う に,二 次 巻 線 に 接 続 した 抵 抗 の 制 御,あ

る い は 二 次 誘 起 電 力 を 交 流-交 流 変

換 で 交 流 電 源 に 回生 す れ ば効 率 よ く回 転 数 を制 御 す る こ とが で き る. この よ うな 回 転 数 制 御 方 式 を セ ル ビ ウス 方 式 とい い,ポ

ン プ,送 風 機 な どの 比

較 的 大 容 量 の 巻 線 形 誘 導 電 動 機 を狭 い 回 転 数 制 御 範 囲 で 運 転 す る の に適 す る.

図

(４)

7・12

巻線形誘導電動機の可変速運転

電圧 形イ ンバ ー タによるか ご形誘導電 動機の可 変速運転

交 流 電 力 間 接 変 換 電 圧 形 イ ン バ ー タ(イ 主 回路 と制 御 回 路 の構 成 を示 す.イ

ンバ ー タ をPWM制

御 しな い場 合)の

ンバ ー タ の 交 流 出力 電 圧 は直 流 電 圧 に比 例 す

る の で,順 変 換 回 路 の位 相 角 制 御 に よ る直 流 可 変 電 圧,ま のPWM制

図7・13に,

御 に よ る直 流 可 変 電 圧 で 制 御 す る.イ

た は直 流 チ ョ ッパ 回路

ンバ ー タ の 出 力 周 波 数 は 制 御

回路 の 周 波 数 指 令 に よ っ て 決 ま る.電 圧 形 イ ンバ ー タで あ るか ら交 流 出 力 電 圧 波 形 は矩 形 波 状 とな り,電 流 波 形 は正 弦 波状 とな る.

図

7・13

電 圧 形 イ ンバ-タ に よるか ご形誘 導 電動 機 の可 変速 運 転 の 回路構 成

始 動 の 際 は,電 動 機 の 電 流 が 規 定 値 を超 え な い よ う に徐 々 に 周 波 数 を高 め て い く.電 動 機 の イ ン ダ ク タ ン ス の エ ネ ル ギ ー を電 源 に帰 環 させ るダ イ オ ー ドを イ ン バ ー タ 用 デ バ イ ス に 逆 並 列 に 接 続 す る. 電 動 機 の 制 動 に は,直 流 回路 に接 続 した デバ イ ス(ス イ ッチ)と 抵 抗 か らな る 制 動 回路 に よ り電 動 機 の エ ネ ル ギ ー を 消 費 させ る.さ

ら に大 きな エ ネ ル ギ ー を電

源 に 回生 させ るた め に は,順 変 換 回路 に 逆 並 列 に イ ンバ ー タ 回路 を接 続 す る. 電 動 機 の 正 転 ・逆 転 は リ ング カ ウ ンタ の シー ケ ンス,す

なわち出力三 相交流 の

相 回転 を切 り換 え る こ と に よ り行 う. 電 圧 形 イ ンバ ー タ は,そ

の直 流 回路 の 大 き な コ ンデ ンサ に よ って 電 動 機 側 か ら

電 源 側 をみ た イ ン ピー ダ ン ス が 小 さ い た め,負 荷 側 に 多 数 の誘 導 電 動 機 を並 列 に 接 続 して も相 互 干 渉 や 自己 励 磁 現 象 が 起 こ りに く く,誘 導 電 動 機 の グ ル ー プ制 御 に適 して い る. (５)

電流 形 インバ ー タによ るか ご形誘 導電動機の 可変速運転

図7・14は,

交 流 電 力 間 接 変 換 電 流形 イ ンバ ー タ の 主 回 路 で,電 流 検 出 信 号 を制 御 回 路 に入 れ る以 外 は 動作 は基 本 的 に電 圧 形 と同 じで あ る.

図7・14  電 流 形 イ ンバ ー タに よ るか ご形 誘導 電動 機 の 可変 速 運転

誘 導電 動機 の 漏 れ イ ンダ ク タ ン ス の エ ネ ル ギ ー に よ っ て転 流 コ ン デ ンサ の 電 圧 が 高 くな るの で,こ

れ を 吸 収 す るた め の付 加 回 路 を必 要 とす る.

電 流 形 イ ンバ ー タ で は,順 変 換 側 お よ び 逆 変 換 側 の ゲ ー ト位 相 制 御 に よ り電 力 の 流 れ る方 向 を変 え られ るの で,誘 導 電 動 機 の 制 動,回 生 運 転 が 可 能 で あ る.

  電 流 形 イ ンバ ー タ で あ る か ら交 流 出 力 電 流 波 形 は矩 形 波 とな り,電 圧 波 形 は正 弦 波 状 とな る.   正 転 ・逆 転 は相 回転 を変 え る こ と に よ っ て 制 御 す る.   電 流 形 イ ンバ ー タ で は,直 流 回路 の 大 きな リア ク トル のた め に 電 動 機 側 か ら み た 電 源 側 の イ ン ピ ー ダ ン スが 大 きい の で,誘

導 電 動 機 群 の グ ル ー プ 制 御 に は適 さ

な い.こ の た め,こ の 回 路 は主 と して 電 動 機 の 単 機 可 変 速 運 転 に 用 い られ る.   (６)PWM制 運転

御 電 圧 形/電 流 形 イ ン バ ー タ に よ る誘 導 電 動 機 の 可 逆 ・可 変 速

誘 導 電 動 機 を駆 動 す る場 合,負

荷 転 流 に よ りオ フす る通 常 の サ イ リス タ

で は な く,自 己 オ ン ・オ フ機 能 を もつMOSFET,IGBT,ゲ イ リス タ(GTO)を   PWM制

使 っ てPWM制

ー トタ ー ン オ フ サ

御 す る と主 回路 の 選 択 の幅 が 広 が る.

御 に よ る 電 圧 形 あ る い は 電 流 形 イ ンバ ー タ は誘 導 電 動 機 の 駆 動 に適 し

て い る.PWM制

御 電圧 形 イ ンバ ー タで,電

動 機 の電 流 を検 出 して フ ィ ー ドバ ッ

クす る電 流 制 御 方 式 が あ る.こ の電 流 制 御 方 式 は,次 項 の 「ベ ク トル 制 御 」 で 説 明 す る.   図7・15に,単

相 のPWM制

御 電 圧 形 イ ンバ ー タ 回 路 と波 形 を 示 す.こ

の 動 作 は,5・4・3項 で説 明 した よ うに,イ る こ とに よ り誘 導 電 動機 の 可 逆,可 か ら,出 力 電 圧 は ゼ ロ とVdの る.PWMの

ンバ ー タ側,順

変 換 側 をPWM制

の回路 御す

変 速 運 転 が で き る.電 圧 形 イ ンバ ー タ で あ る

間 をPWMの

パ タ ー ンで 往 復 す る櫛 状 の 波 形 と な

動 作 周 波 数 を高 くす る ほ ど電 圧 波 形 に含 まれ る低 次 高調 波 成 分 は 減

少 し,残 存 す る高 次 高 調 波 成 分 は小 型 の 高 調 波 用 フ ィル タで 除 去 で き る.

図7・15単

相PWM制

御 電圧 形 イ ンバー タ

  図7・16に,直 形 を 示 す.こ

流 電 圧 に 中 点 を つ け た 三 相PWM電 の 回 路 で は,合

正 弦 波 に 近 く な る.こ Clamped)方

圧 形 イ ン バ ー タ の 回 路 と波

成 し た 線 間 電 圧 は 段 の あ る 櫛 状 の 波 形 と な り,よ

の イ ン バ ー タ 回 路 構 成 を ３ レ ベ ルNPC(Neutral

式PWMイ

り

Point

ン バ ー タ と い う.

(ａ)回

路

(ｂ)波 形 図7・16３

レベ ルNPC式PWM制

御 電 圧 形 イ ンバ ー タ

  電 動 機 を 回生 制 御 させ る と き は イ ンバ ー タ の 出 力 周 波 数 を電 動 機 の 回転 周 波 数 よ り低 く し,誘 導 起 電 力 を電 流 とし て電 動 機 か ら取 り出 せ ば よい.   電圧 形 で は,誘 導 起 電 力 は帰 還 ダ イ オ ー ドを通 っ て直 流 回 路 の コ ンデ ン サ を充 電 し,直 流 電 圧 を高 め る こ とに よ っ て電 動 機 は減 速 す る.こ

の コ ン デ ンサ の端 子

電 圧 が 規 定 値 よ り高 くな る場 合 は,直 流 回路 に イ ンバ ー タ回 路 を接 続 して 誘 導起

電 力 を交 流 電 源 に 回 生 す る.電 流 形 で は,順 変 換 回 路 に可 制 御 デ バ イ ス を使 用 し,そ れ を イ ンバ ー タ動 作 させ る こ と に よ り交 流 電 源 側 に誘 導 起 電 力 を 回 生 し て 減 速 す る.順 変 換 側 をPWM制

御 す れ ば,交

流 入 力 電 流 の 力 率 を1.0に

が ら直 流電 圧,電 流 を制 御 で き る.電 動 機 の可 逆 運 転 は,PWM制

保 ちな

御 シー ケ ン ス

に よ っ て 出 力 電 圧 の相 回 転 を逆 にす れ ば 四 象 限 運 転 が 可 能 とな る.   (７)ベ

ク トル 制 御 に よ る誘 導 電 動 機 の 可 変 速 運 転

「ベ ク トル 制 御 」 は,

か ご形 誘 導 電 動 機 を直 流機 と同等 の 特 性 を もた せ る こ と を 目的 と して い る.ベ ク トル 制 御 とは,先

に述 べ た誘 導 電 動機 の トル ク発 生 原 理,す

ク に応 じた 電 動 機 電 流(直

な わ ち 所 要 負 荷 トル

交 す る励 磁 電 流 と二 次 電 流 の ベ ク トル の 和)と

(ａ)ベ

ク トル 図

(ｂ)制 御 ブ ロ ッ ク 図 図7・17ベ

ク トル 制 御 法 の ベ ク トル 図 と 制 御 ブ ロ ッ ク 図

周波

数,お

よ び位 相 を イ ンバ ー タが 出力 して 電 動 機 を駆 動 す る,い わ ば 「電 動 機 の 特

性 とイ ンバ ー タの 機 能 を一 体 化 した トー タル 制 御 シ ス テ ム 」 とい え る.こ の一 体 化 制 御 シ ス テ ム が 単 な る可 変 電 圧 可 変 周 波 数(VVVF)電

源 と異 な る点 で あ る.

  図7・17(ａ)に ベ ク トル 制 御 の 原 理 を示 す.速 度 指 令 信 号 と速 度 セ ンサ か らの フ ィー ドバ ッ ク信 号 に よ り速 度 制 御 を行 い,ト 磁 束 演 算 に よ り磁 束 電 流 基 準IMを 一 次電 流 基準

得 る.こ れ らの 値 か ら,式(7・7)の

よ うに,一

次 電 流 位 相 θ=tan-1(I2/IM)の

よ び 式(7・12)の 負 荷 トル ク に 見 あ っ た ス リ ッ プ周 波 数fsを 演 算 し,こ

れ と速 度 セ ンサ か ら の電 動 機 の 回 転 周 波 数frと f=fr+fsを

よ う に,

の 演 算 を 行 い ,「 ベ ク トル 演 算 回 路 」 に 入 力 す る.

「ベ ク トル 演 算 回 路 」 で は,式(7・8)の 演 算,お

ル ク 電 流 基 準I2を 得 る.一 方,

得 て,一

を加 算 し て,電 動 機 一 次 周 波 数

次 電 流 基 準I1を 出 力 す る.

  この よ うな 演 算 に よ り,PWM信

号 を介 して 電 流 制 御 信 号 と周 波 数 制 御 信 号 を

デ バ イ ス に与 え て誘 導 電 動 機 を イ ンバ ー タ で 可 変 速 運 転 す る.   図7・17(ｂ)に,ベ

ク トル制 御 法 の 制 御 ブ ロ ッ ク 図 を示 す.

7・1・3 同 期 電 動 機  同 期 電 動 機 は,電 源 周 波 数f〔Hz〕,極

対 数 を ｐ と して,同 期 速 度 Ｎ で 回 転 す

る. (7・13)

  従 っ て,同 期 電 動 機 を可 変 速 運 転 す る た め に は,脱 調 し な い よ う に電 動 機 の 電 圧 と電 流 を制 御 しな が らイ ンバ ー タ あ る い は サ イ ク ロ コ ンバ ー タの 出 力 周 波 数 を 可 変 制 御 す る.   同 期 電 動 機 の可 変 速 駆 動 に あ た っ て,回 路 を構 成 す る デバ イ ス の 転 流 動 作 か ら,次 の 方 式 が あ る.  ①

同期 電 動 機 の 逆 起 電 力 で通 常 の サ イ リス タ を 負荷 転 流 させ る他 励 式

 ②

自 己 オ ン ・オ フ機 能 を も った デバ イ ス の 転 流 で 交 流 電 圧 を発 生 させ る 自励 式

  また,そ  ①

の ゲ ー ト制 御 に は,次

の 方 式 が あ る.

界 磁 の位 置 に 関 係 な く,イ ンバ ー タ制 御 装 置 の 可 変 周 波 数 で駆 動 す る他 制 式

 ②

回転 磁 界 形 同 期 電 動 機 の軸 に直 結 した セ ン サ で界 磁 の 位 置 を検 出 し,そ の 位 置 に応 じて 交 流 出 力 電 圧 の 周 波 数 を変 え て駆 動 す る 自制 式

  (１)他

励 自制 式PWM電

圧 形 イ ンバ ー タ に よ る同 期 電 動 機 の 可 変 速 駆 動

基 本 的 に は,7・1・2項 の(４)で 述 べ た誘 導 電 動 機 の 可 変 速 運 転 と同 じ主 回路 で あ る.電 圧 形 イ ンバ ー タ で駆 動 す る と電 動 機 電 流 は正 弦 波 に 近 くな る の で,回 転 界 磁 の 位 置 を正 確 に セ ン サ で 検 出 して駆 動 す れ ば,電 流 は す べ て有 効 な トル ク と な る.こ の 回路 で は,直 流 回 路 の ス イ ッチ と制 動 抵 抗 に よ り回 生 エ ネ ル ギ ー を 消 費 させ て電 動 機 を減 速 で き る が,誘 導 起 電 力 の交 流電 源 へ の 回 生 は で き な い.   電 源 へ 回 生 させ る た め に は,順 変 換 回路 に並 列 に イ ンバ ー タ 回 路 を 接 続 す る必 要 が あ る.   電 動機 が 減 速 ・停 止 した 後,PWM制

御 パ ター ン に よ っ て交 流 出 力 電 圧 の 相 回

転 を変 えれ ば逆 転 が 可 能 で あ る.   (２)他

励 自 制 式 電 流 形 イ ンバ ー タ に よ る 同 期 電 動 機 の 可 変 速 運 転

図7・

18の よ う に,電 流 形 交 流 電 力 間 接 変 換 回 路 の順 変 換 ブ リ ッ ジ 回 路 で 直 流 電 圧 を 制 御 す る.一 方,回

図7・18同

転 磁 界 位 置 検 出信 号 を制 御 回路 に入 れ,イ

ンバ ー タ の デバ イ

期 電 動機 の可 変 速運 転(無 整 流子 電動 機;サ イ リス タモー タ)

ス を オ ン ・オ フ制 御 して所 望 の 周 波 数 の 交 流 電 圧 を発 生 させ て 同期 電 動 機 を 可 変 速 運 転 す る.順 変 換 ブ リッ ジ とイ ンバ ー タ ブ リ ッジ の ゲ ー ト位 相 を協 調 して 制 御 し,か つ,相

回 転 を制 御 す れ ば,正 転 ・逆 転,加

速 ・減 速 の 四 象 限 運 転 が で き

る.こ の よ うな 駆 動 方 式 を 無 整 流 子 電 動 機 また はサ イ リス タモ ー タ と い う.こ の 方 式 は,例 え ば,大 容 量 の 水 力 発 電 機 を揚 水 用 ポ ン プ と して 始 動 させ る た め の 可 変 周 波 交 流 電 源 と し て実 用 され て い る.

2 7

・

交流電動機 とその駆動方法

7・2・1 交 流 電 動 機 の 利 点   現 代 で は,パ 機,同

ワー エ レク トロニ ク ス で 駆 動 さ れ る電 動 機 の ほ とん どが誘 導 電 動

期 電 動 機 で あ り,そ の 出 力 は数100Ｗ

こ の 主 た る 理 由 は,次

①

か ら10MW以

上 に お よぶ.

の よ う で あ る.

直 流 機 に必 要 な コ ミュ テ ー タ と ブ ラ シが 不 要 で,保 守 ・点 検 が 容 易 とな る.

②

直 流 機 と同 等 の 回転 数 精 度,応 答 性 が 得 られ,か 容 量 の 出 力 が 可 能,過 GD2が

つ,電 気 的 に は 単 機 で 大

負 荷 耐 量 が 大 き く,効 率 が よ い.機 械 的 に は外 形,

小 さ く,重 量 が 軽 い の で 基 礎 工 事 が 経 済 的 で,騒 音 ・振 動 が 小 さい.

図7・19に,例

と し て サ イ ク ロ コ ンバ ー タ で 駆 動 され る4180kW級

の主 圧延

機 駆 動 用 の 同期 電 動 機 と,そ れ と同 等 の 直 流 電 動 機 との 比 較 を示 す.   この よ う に,電 動 機 の 出力 が 等 し い時,GD2,外

形,全

重 量,kW当

た りの重

量 で誘 導 電 動 機 お よび 同 期 電 動 機 の ほ うが 直 流 電 動 機 よ り有 利 で あ る.直 流 電 動 機 は単 基 の 製 作 限 界 は 低 く,中

・高 速 機 で2∼3000kWを

直 結 した構 成 とな るが,交 流 電 動 機 で は,10MWで

超 え る と,2∼3台

も単 基 で製 作 可 能 で あ る.

を

直 流 電 動 機(２ 台 直 結) 出 力4180kW GD2  41540  kgm2 トル ク  2377kW・s  ロー タ重 量  29.5t 固 定 子 重 量   44.1t １kW当

た りの 乗 量19 kg/kW

同 期 電 勤 機(単

基)

出 力4370kW GD2 

29300  kgm2

トル ク  2377kW・s ロ ー タ 重 量   21.8t 固 定 子 重 量   27.2t １kW当

た りの 重 量12  kg/kW

図7・19  大 容 量 同期 電 動機 と直 流電 動 機 の 比 較

7・2・2 交 流 電 動 機 と駆 動 回 路   (１)電

動 機 の 出 力 と駆 動 回 路    パ ワ ー エ レ ク ノ ロ ニ ク ス を電 動 機 に応 用 す

る に 当 た っ て,用 途 に適 した 「交 流 電 動 機 の 種 類(誘

導 電 動 機,同

期 電 動 機)と

出 力 」 が あ り,そ の 出 力 に 適 し た 「イ ンバ ー タ 回路 とパ ワー デバ イ ス 」 が あ る. 主 な用 途 と交 流 電 動 機 の 出 力 に対 す る イ ンバ ー タ 回 路 お よ び パ ワ ー デバ イ スの 種 類 の関 係 の 概 略 を図7・20に 示 す.○   図7・20は,出

は代 表 的 回 路 の記 号 で あ る.

力 電 圧,出 力 容 量 と イ ンバ ー タ回 路 の 関 係 を示 した が,回 転 数,

出 力 容 量 と イ ンバ ー タ 回路 の 関 係 は図7・21の よ う に な る.   (２)用

途,駆

動 回 路 とパ ワー デ バ イ ス    多 様 な 用 途 と,そ れ に適 す る電 動

機 の種 類 と出 力,そ

の 電 動 機 を駆 動 す る回 路 とデ バ イ ス を表7・1に 示 す.

図7・20 

出 力 電 圧,出

力容 量 と インバ ー タ回路 の 関係

図7・21  出 力周 波数,出 力 容 量 と イ ンバー タ回路 の 関係          (○ は 前 図の 回路 の 記号)

表7

7

・

3

7 ・3 ・1

1

・

用途,電 動機 駆 動 回 路 とパ ワー デ バ イ ス

一般産 業 ・重工 業用交 流電動機 への応 用

一般産業用交流電動機の可変速運転

次 に,具 体 的 な 用 途,電

動 機 出力 と回 路 構 成,使

用 して い るパ ワー デ バ イ ス に

つ い て 実例 を解 説 す る.   (１)工

作 機 械 用 高 周 波 イ ン バ ー タ(∼1500Hz,30kVA)マ

シー ニ ン

グ セ ンタ な ど の高 性 能 ・高 速 工 作 機 械 で は,超 高速 の ス ピ ン ドル 回転 で 被 加 工 物 を研 削,研 磨,仕 上 げ 加 工 す る場 合 が あ る.こ の よ う な用 途 に は,高 周 波 イ ンバ ー タ に よ る電 動 機 の 広 範 囲 な 可 変 速 駆 動 が 必 要 とな る.   図7・22は そ の 回路 の例 で,順 ョ ッパ 回 路,IGBTを

変 換 回 路,ダ

イ ナ ミッ ク ブ レ ー キ 回 路,直

使 用 し た 電 圧 形PWMイ

ンバ ー タ 回 路,同

流チ

期 電 動機 界 磁

用 チ ョ ッパ 回 路 で 構 成 され て い る.

図

  商 用 周 波 の 三 相200Ｖ PWMイ

7・22

工 作 機械 用 高 周 波 イ ンバ ー タの主 回路

を 変 圧 器 を 介 し て 整 流 し,そ の 直 流 電 力 を 電 圧 形

ンバ ー タ 回 路 で 三 相,120Ｖ,最

て 同 期 電 動 機 を可 変 速 運 転 す る.チ

高 周 波 数1500Hz,30kVAに

変換 し

ョ ッパ 回路 は,直 流 電 圧 の制 御 と同 時 に,電

動 機 の 回生 エ ネ ル ギ ー を昇 圧 さ せ て 制 動 抵 抗 で 消 費 させ て 電 動 機 を 減 速 させ る た め の 昇 ・降 圧 チ ョ ッパ の 機 能 を も た せ て い る.チ

ョ ッ ピ ン グ 周 波 数5kHzの

こ

の チ ョ ッパ 回路 に よ り,電 源 電 圧 変 動,負 荷 変 動 に対 して直 流 電 圧 を一 定 に制 御 し,一 方,イ

ンバ ー タ 回 路 はPWMス

波 数 と出 力 波 形 を 制 御 し て い る.イ を,チ

ョ ッパ 回路 に は1200Ｖ,400Ａ

  (２)汎

用 三 相400Ｖ,160kW級

7・23に 回 路 を 示 す.三

イ ッ チ ン グ 周 波 数5∼8kHzに ン バ ー タ 回 路 に は600Ｖ,400Ａ のIGBTを

よっ て周 のIGBT

用 い て い る.

イ ン バ ー タ(∼75Hz,160kVA)図

相 商 用 電 源 を ダ イ オ ー ド ブ リ ッ ジ で 整 流 し,電

解 コ ンデ

図

三 相400Ｖ,160kW級IGBT電

7・23

圧 形PWMイ

ン サ を 充 電 して 電 圧 形 イ ンバ ー タ とす る.PWM制 各 ア ー ム は1200Ｖ,300Ａ   IGBTは

のIGBTを

ンバ ー タ

御 三 相 ブ リ ッ ジイ ンバ ー タ の

３個 並 列 し て い る.

可 聴 周 波 の 限 界 に近 い20kHz程

度 でPWM制

御 し,か ご形 誘 導 電 動

機 に対 してV/f制 御 す る.こ の結 果,出 力 波 形 お よ び 騒 音 レベ ル は従 来 の バ イ ポーラ トラ ン ジ ス タ イ ンバ ー タ に比 べ て 大 幅 に改 善 さ れ て い る .電 動 機 の 回生 エ ネ ル ギ ー が 小 さ い場 合 は,直 流 回路 のIGBTス

イ ッ チ で 投 入 され る制 動 抵 抗 で

消 費 さ せ る.負 荷 が 多 数 の 電 動 機 で 回生 電 力 が大 き い場 合 は,順 変 換 回路 に逆 並 列 の サ イ リス タ 三 相 ブ リ ッ ジ を接 続 し,そ の 電 力 を商 用 電 源 に変 換 す る.   この 装 置 の 性 能 は,最 高 出 力 周 波 数 は75Hz,速 度 制 御 精 度 は ±0.01%,速

度 制 御 範 囲 は0∼100%,速

度 制 御 応 答 は60rad/s,定

負 荷 トル ク特 性 が 得 られ

て い る. (３)

一 般 産 業 用 三 相 イ ン バ ー タ(0∼120Hz

例 え ば抄 紙 機,鉄 る300kVA級

・非 鉄 圧 延 の 補 機,コ

,300kVA)一

ンベ ア,ク

の ベ ク トル 制 御 三 相PWMイ

般 産 業 用,

レ ー ンな どの 用 途 で 用 い られ

ンバ ー タ に よ る誘 導 電 動 機 の 可 変 速

駆 動 回 路 を図7・24に 示 す.   主 回 路 は 電 圧 形 イ ンバ ー タ で,順 換 した 後,IGBTを 数0∼120Hz可

使 用 したPWM制

変 換 回 路 に よ り交 流 入 力 を直 流600Ｖ 御 の三 相 ブ リ ッ ジ 回路 で 交 流400Ｖ,周

変 の電 力 に 変 換 す る.ベ

に変 波

ク トル 制 御 の た め,電 流 セ ン サ に よ り

イ ンバ ー タ の 出力 電 流 の 瞬 時 値 を検 出 し,一 方,速 度 セ ンサ に よ り電 動 機 の 回転

図

一 般 産 業 用300kVAベ

7・24

速 度 を検 出 して 両 者 をPWM制

ク トル 制 御 イ ン バ ー タ

御 回 路 に フ ィ ー ドバ ッ ク し,最 適 な トル ク を 発

生 させ て 電 動 機 を所 望 の 回転 数 で駆 動 す る.   回転 数 の 制 御 精 度 は ±0.01%,回

転 数 制 御 応 答 は60rad/sで

あ る.出 力 電 流

波 形 は正 弦 波 に近 い た め,ト ル ク リ ップ ル は極 め て 小 さ い.   順 変 換 回路 は,電 動 機 か らの 電 力 回 生 を 行 わ な い 場 合 は ダ イ オ ー ドを 使 用 す る.回 生 を行 う場 合 はPWMイ

ンバ ー タ機 能 を もっ た逆 変 換 回路 を接 続 す る.

   イ ンバ ー タ ブ リ ッジ の 各 ア ー ム は1200Ｖ,400Ａ して あ る.IGBTの 較 的 低 い1.5kHz程

級 のIGBTを

数個 並列接 続

ス イ ッチ ン グ損 失 を低 く抑 え る た め, PWM動

作周 波数 を比

度 に して い る.ス イ ッチ ン グ 時 の 電 流 変 化 率 が 大 き い の で

過 渡 振 動 電 圧 と誘 導 障 害 を発 生 しや す い.こ

れ を抑 制 す る た め,IGBTに

は適 切

な ス ナ バ 回 路 を最 短 配 線 で 接 続 し,ま た デバ イ ス 周 辺 の配 線 を短 く,振 動 電 圧 を 誘 起 しな い よ う配 置 お よ び シ ー ル ドして あ る.

7・3・2重 工業 用 交流 電 動機 の 可変 速 運 転   (１)形

鋼 仕 上 げ 圧 延 用 三 相 イ ンバ ー タ(2500kW)H形,Ｌ

げ圧 延 す る場 合,通

常,複

数 の 圧 延 ス タ ン ドを 通 過 さ せ て 形 状,寸

る.ゲ ー トター ンオ フ サ イ リス タ(GTO)を ー タ で 仕 上 げ圧 延 用2500kW三 る.

形 鋼 を仕 上

使 用 したPWM制

法 を整形 す

御 電 圧 形 イ ンバ

相 誘 導 電 動 機 を可 変 速 運 転 し て い る 例 を述 べ

  回 路 構 成 は,製 鉄 所 内 の三 相 交 流 をNPC(Neutral  PWM制

御GTOに

るPWM方

式の

よ る順 変 換 回 路 で 中 性 点 付 の 直 流 電 圧 に 変 換 す る.

  逆 変 換 回 路 は,順 変 換 回 路 と同 様 に,３ 御GTO電

Point Clamped)方

レ ベ ル のNPC方

圧 形 イ ン バ ー タ 回 路 を形 成 し て い る.こ のNPC方 式 に比 べ て,交

流 電 圧,電

式 に よ るPWM制 式 に よ っ て,単

な

流 波 形 は さ ら に正 弦 波 に近 くな り,高 調

波 フ ィ ル タ は小 型 ・軽 量 とな り,ま た トル ク リ ップ ル も小 さ くな る利 点 が あ る.    NPC・PWM電

圧 形 イ ンバ ー タ の 各 ア ー ム に は4500V,4000AGTOを

して あ る.PWMス は1kHzの

接続

イ ッ チ ン グ の 位 相 を 互 い に ず らす こ とに よ って,電

動機 側 で

高 調 波 を含 む波 形 に し,容 量 に フ ィル タ で高 調 波 を除 去 して い る.

  負 荷 は2500kW,過

負 荷175%１

分 間 の 三 相 か ご形 誘 導 電 動 機 で あ る.こ

圧 延 設 備 の 制 御 性 能 は,停 止 状 態 か ら トッ プ速 度 ま で10∼20秒,速 は約30rad/sで

の

度 応答 時 間

あ る.

  こ の 回 路 構 成 で は,誘 導 電 動 機 の 急 速 な 減 速,制

動 お よ び電 力 回 生 が 可能 で あ

る.   こ の 圧 延 設 備 に も し直 流 電 動 機 を使 う とす れ ば,GD2は 倍 で,速

度 応 答 時 間 は10∼15rad/sが

誘 導 電 動 機 の 約1.5

予 想 さ れ る.

  も し圧 延 機 用 電 動 機 が 比 較 的小 さ く,か つ,多

数 あ る場 合 は,圧 延 ラ イ ン に対

して 順 変 換 回 路 を一 括 し て ま とめ る場 合 が あ る.

図 7・25 に,３

レベ ルNPC方

式PWM電

圧 形 イ ンバ ー タ に よ る2500kW誘

導電動機 の可変速運転 の主 回路 を示す.

図

7・25

型 鋼 仕 上 げ 圧 延 用2500kW,NPC・PWMイ

ンバ ー タ

  (２)熱

間 圧 延 用 三 相 サ イ ク ロコ ンバ ー タ(10MW,可

逆 ・可 変速 運 転)

  熱 間 圧 延 設 備 の 粗 ス タ ン ド用 電 動 機 は,比 較 的 低 速 で あ るが,大 か つ 急 速 な可 逆 運 転 を行 う.例

と して,熱

容 量 で,頻 繁

間圧 延 粗 ス タ ン ド用 大 容 量 電 動 機 可 逆

運 転 設 備 に つ い て 述 べ る.   10MW同

期 電 動 機 は 過 負 荷 耐 量225%１

路 構 成 は,図7・26の で72あ

分 間,回 転 数 は100rpmで

サ イ ク ロ コ ンバ ー タ で,三

る.各 ア ー ム に は6kV,2.5kAの

あ る.回

相 ブ リッジのアー ムの数 は合計

光 ト リガ サ イ リス タ が 接 続 され て い

る.   GD2は

同 容 量 の 直 流 電 動 機 の 約1/2の

た め 応 答 は よ く,速 度 制 御 応 答 は25

rad/s程 度 で,正 転 の トッ プ速 度 か ら逆 転 の トッ プ速 度 まで 約 ４秒 で あ る.   図7・26に,大

(ａ)

型 同 期 電 動 機 の 例 と駆 動 用 サ イ ク ロ コ ンバ ー タ の 回 路 を示 す.

大型誘導電動機の例 図

  (３)340MW級 て,340MW級

7・26

(ｂ) 10MW誘

導電 動 機 用 サ イク ロ コンバ ー タ

大 型 誘 導 電動 機 と駆動 用 サ イ クロ コンバ ー タ の例

大 容 量 水 力発 電 電 動 機 の 可 変 速 運 転(１)揚

水 発電所 におい

の 発 電 電 動 機 を可 変 速 運 転 し て 系 統 の 周 波 数 制 御 を行 う可 変 速

揚 水 発 電 シス テ ム が1996年

に運 転 に入 っ た.

  発 電 電 動 機 は巻 線 形 誘 導 電 動 機 と基 本 的 に 同 じ構 造 で あ り,そ の 二 次 巻 線 を低 周 波 三 相 交 流 電 源 で励 磁 す る こ と に よ り,発 電 電 動 機 を電 力 系 統 に同 期 させ た ま ま回 転 数 を 可 変 させ る もの で あ る.   通 常 の揚 水 発 電 所 で は,揚 水 時 は同 期 電 動 機 と てて 同期 速 度 で 回 転 す るが,こ の 方 式 は次 の特 徴 が あ る. ①

水 力 発 電 運 転 時 の落 差 変 動 に 対 して高 効 率,広

範 囲 の運 転 が 可 能

②

揚 水 運 転 時 の 入 力 調 整 が 可 能 で,系 統 の周 波 数 調 整 に有 効

③

同 期 調 相 機 と して系 統 の 有 効 電 力,無 効 電 力 を高 速,か

つ,独

立 して制 御

可能 ④

他 の 揚 水 用 電 動機 と同様,二

次 励 磁 装 置 で滑 らか な始 動 が 可 能

 図7・27に 可 変速 揚 水 発 電 シ ス テ ム の 構 成 を示 す.

図7・27  可変 速 揚 水発 電 システ ムの 構成

  こ の 可 変 速 シ ス テ ム は,(１)商

用 周 波 交 流 電 力(16.5kV,50 

力 に 変 換 す る ゲ ー ト タ ー ン オ フ サ イ リ ス タ(GTO)を

Hz)を

使 用 し たPWMコ

直 流電 ンバー

タ,(２)直

流 電 圧 の 過 電 圧 を 抑 制 す るGTOチ

流 電 力(3040Ｖ,2.5Hz)に イ ンバ ー タ,(４)水   (ａ)GTOコ

ョ ッパ,(３)直

流 電 力 を低 周 波 交

変 換 して 電 動 機 の 二 次 巻 線 を励 磁 す る低 周 波GTO

力 発 電 ・電 動 機   で構 成 さ れ て い る.

ン バ ー タ  交 流 入 力 電 圧(16.5kV)を

変 圧 器 で ２グ ル ー プ の

単 相 巻 線 群 に分 割 し降 圧 す る.単 相 ブ リッ ジ ３組 を並 列 に 接 続 した 回路 の 二 つ を １グ ル ー プ と して 直 流 電 圧 の 正 を,も

う一 つ の グル ー プ で直 流 電 圧 の 負 を受 け持

ち,全 体 で 四 つ の 回 路 群 で構 成 さ れ て い る.順 変 換 部 の 定 格 容 量 は5MW×4で 20MWで

あ る.

  各 単 相 ブ リ ッ ジの 各 ア ー ム は4500Ｖ,3000  あ る.各GTOの

Ａ のGTOを

ス イ ッチ ン グ周 波 数 は500 Hzで

交 流 側 か ら見 れ ば2kHzの 常 に 交 流 側 の 力 率 を1.0に

２個 直 列 に接 続 して

あ る が,四 つ の 回路 群 の た め,

ス イ ッチ ン グ と等 価 と な る. GTOのPWM制

御で

して い る.

  (ｂ)GTOチ

ョ ッパ  発 電 機 の 出 力 交 流 系 統 に事 故 が 発 生 す る と,故 障 電 流

が変 圧 器,発

電機 を通 っ て 直 流 回 路 に侵 入 し,直 流 コ ンデ ンサ を充 電 し,そ の電

圧 を高 め る.直 流 電 圧 が規 定 値 を超 え な い よ う にGTOチ

ョ ッパ で コ ン デ ンサ の

電 荷 を放 電 させ て 直 流 電 圧 の 上 昇 を 防 ぐ.   (ｃ)GTOイ ルNPC式

ンバ ー タ部

直 流 電 圧 の 中 点 を ゼ ロ電 位 に ク ラ ン プ す る ３レベ

イ ン バ ー タ を ６回 路 並 列 に 接 続 し て全 体 と して 高 調 波 を低 減 し て い

る.各 ア ー ム は4500Ｖ,3000    (ｄ)発

４個 直 列 に接 続 して あ る.

電 電 動 機 の 定 格   発 電 電 動 機 の 定 格 は,発 電 機 の と き345MVA,電

動 機 の と き340MVA,定 は ±5％,周

Ａ のGTOを

波 数50Hzで

格 電 圧16.5kV,回

転 数407∼450  rpmで,可

変速 幅

あ る.

7・4  交 通 ・輸 送 シ ス テ ム へ の 応 用

 物 資 の 大 量 か つ 高 速 輸 送,お

よ び旅 客 の 安 全,高

速 で快 適 な 旅 行,良 好 な サ ー

ビス は 国 の 経 済 発 展 お よ び 国 民 の 活 力 の 源 泉 で あ る.戦 後,わ

が 国の鉄 道 事業

は,こ れ ら を念 頭 に お き,国 を あ げ て技 術 開 発 と建 設 に 多大 な 努 力 を傾 注 し て,

1964年10月

に東 京-新 大 阪 間 を ４時 間 で 結 ぶ 新 幹 線 「ひ か り」(０系;最

210km/h)が

開 業 した.そ

み 」(300系;同270km/h)に

の 後 もた ゆ まぬ 努 力 が 続 け られ,1992年 よ り ２時 間30分

高速 度

に は 「の ぞ

に短 縮 され た.

現 在 で は,営 業 運 転 を 目指 した 多 数 の 新 型 超 高 速 電 車 が 開 発,試

運 転 され つ つ

あ り,さ ら に21世 紀 に期 待 され る超 電 導磁 気 浮 上 列 車 へ と夢 が 膨 らん で い る. これ ら超 高 速 電 車 の 駆 動 シ ス テ ム は,そ の 時 代 の 最 新 パ ワー エ レ ク トロ ニ ク ス で 構 成 され て い る.

7・4・1  最 新 型 電 車 の 駆 動 シ ス テ ム(２),(３),(４)

例 え は,本 格 的 にパ ワ ー エ レ ク トロニ ク ス を応 用 した1981年 東 北 ・上 越 新 幹 線 電 車 で は,単 相 交 流25kV,50Hzの

開 業 の200系

架 線電 圧 を床下 の単相 変

圧 器 の 一 次 側 に加 え,二 次側 の 複 数 の低 圧 巻 線 に接 続 し た単 相 サ イ リス タ ブ リッ ジ を互 い に カ ス ケ ー ドに接 続 し て各 サ イ リス タ を位 相 制 御 す る こ とに よ っ て直 流 出 力 電 圧 を可 変 と し,駆 動 用 直 流 電 動 機 を可 変 速 運 転 し て い た. その 後,300系 たPWM制

で は,こ れ まで に な い最 新 の パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス を応 用 し

御 のVVVF電

圧 形 イ ンバ ー タ に よ る三 相 か ご形 誘 導 電 動 機 駆 動 シヌ

テ ム を採 用 した.こ

の 方 式 を採 用 した理 由 は,次 の よ うで あ る.

①  力 率1.0制

流 回 生 ブ レ ー キ に よ る省 エ ネ ル ギ ー

御,交

②  電 動 機 の 高 速 化,制 御 機 器 の 集 約 化 に よ る小 型 ・軽 量 化 ③  直 流 機 の よ うな 整 流 子,ブ

ラ シ を な く し,主 回 路 の 無 接 点 化 に よ る保 守 ・

点 検 の省 力 化 ④  PWM制

御 に よ る架 線 側 高 調 波 電 流 の低 減

⑤  空 転 時 の 再 粘 着 特 性 の 改 善 ⑥  誘 導 電 動 機 の駆 動 シ ス テ ム に は技 術 的 発 展 性 が 期 待 で き る. (１)  東 海 道 新 幹 線 「の ぞ み 」 の 駆 動 シ ス テ ム    歴 代 の東 海 道 新 幹 線 用 超 高 速 電 車 の要 点 と駆 動 シス テ ム の 変 遷 を表7・2に 示 す.

300

表 7・2

*現 在(1996年)で

は ３台

**現 在(1996年)で

は ２台

系 「の ぞ み 」

東海道新幹線用超高速電車の要点 と駆動 システム

特 に,電 気 関 係 で は,同

じ16両 編 成 で も初 期 の ０系 と約28年

を比 べ る と,１ 編 成 当 た りで は,総 重 量 は約27%軽

経 過 後 の300系

量 化 し,最 高 速 度 が1.23倍

に な った に もか か わ らず 所 要 電 力 は ほ ぼ 同 じ,主 電 動 機 の 数 は64台(直 電 動 機)か

ら40台(三

相 か ご形 誘 導 電 動 機)に

減 少 し,パ

流直 巻

ン タ グ ラ フ の数 は 技

術 開 発 と騒 音 防 止 の た め ８台 か ら ２台 に 減 少 した.電 動 機 駆 動 シ ステ ム は,低 圧 タ ッ プ切 換 段 制 御 か らPWM制   (ａ) 

御VVVFイ

ンバ ー タ に変 わ っ た.

「の ぞ み 」 の 電 動 機 駆 動 シ ス テ ム   300系16両

テ ム の車 両 配 置 を 図7・28に 示 す.こ 線 電 圧 単 相 交 流25kV,60Hzを

の 図 で,１

受 電 し,そ れ をVVVFイ

変 換 す る主 変 圧 器 な ど を床 下 に 取 り付 け た変 圧 器 車,そ ぞ れ の車 両 の 電 動 機 ４台 を駆 動 す るVVVFイ 車(M1,2)で 車,こ

あ る.す

な わ ち,16両

図7・29に,変

図7・28 

明,制

の 両 側 のM1,M2は

御 用 な どのCVCF補

300系

が イ ンバ ー タ

編 成 で あ る.床 下 の ７台 の[SC]は,6・4・ 助 電 源 で あ る.

「の ぞ み 」16両 の 機 能 別 車 両 編 成(現

図7・29 

それ

ンバ ー タ を 取 り付 け た イ ン バ ー タ

圧 器 車 １両 と イ ン バ ー タ 車 ２両 か ら な る300kW電

300系

架

ン バ ー タ用 の 電 圧 に

の う ち ５両 が 変 圧 器 車 で10両

れ に付 随 車 を加 え て10M6Tの

2項 で 述 べ た 空 調,照

編 成 に お け る駆 動 シ ス

号 車 の Ｔ は付 随 車 で,Tpは

動 機 ８台 の

在 は パ ン タ グ ラ フ ２台)

「の ぞ み 」 の 電 動 機 駆 動 シ ス テ ム

可 変 速 駆 動 シ ス テ ム の 主 回路 を示 す. (ｂ)  「の ぞ み 」 の 主 要 機 器 の 要 点   １)主

変 圧 器   パ ン タ グ ラ フ で 受 電 し た 電 圧 は,2900kVA,一

116Ａ,二

次(885Ｖ,706Ａ)×4,(三

次 は 省 略)の

の 分 割 ４巻 線 は 等 し い 電 圧(885Ｖ)に PWM制

次25kV,

主 変 圧 器 に よ っ て,二

な る よ う に 変 圧 し,そ

次側

れぞ れの巻線 には

御 単 相 ブ リ ッ ジ 順 変 換 回 路 を 接 続 す る.

  ２)順 頃変 換 部   順 変 換 回 路 の ゲ ー トタ ー ン オ フサ イ リ ス タ(GTO)のPWM 制 御 と,変 圧 器 の漏 れ リア ク タ ン ス に よ って,昇 圧 チ ョ ッパ の動 作 を させ て 直 流 電 圧 を得 る.二 つ の 順 変 換 回 路 を 並 列 に して 直 流 電 力1900Ｖ,708Ａ(主 機 が定 格 の 時)に 変 換 し,直 流 フ ィ ル タ で 平 滑 化 して 電 圧 形VVVFイ

電動 ンバ ー タ

の 電 源 とす る.順 変 換 回 路 を ２組 並 列 に接 続 し て い る の は,順 変 換 回 路 間 で PWMの

位 相 差 運 転 を行 っ て架 線 電 流 に含 まれ る高 調 波 電 流 を低 減 す る た め で あ

る.PWM制

御 に よ り直 流 出 力 電 圧 一 定 制 御,交

流 側 力 率1.0制

  主 電 動 機 が 定 格 の と き,順 変 換 部 の変 換 効 率 は95%以   単 相 ブ リ ッ ジ の 各 ア ー ム は １個 の4500Ｖ,3000Ａ ス タ(GTO)と,そ

れ に逆 並 列 の4500Ｖ,800Ａ

構 成 さ れ て い る.各 々 の 順 変 換 部 は,回 PWM制

上 で あ る. ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リ

フ ラ イ ホ イ ー ル ダ イ オ ー ドで

生 ブ レ ー キ 時 に は こ れ ら のGTOを

御 す る こ とに よ っ て力 率 を ほ ぼ-1.0に

保 ち な が ら直 流 電 力 を 架 線 に 回

生 す る イ ンバ ー タ の 機 能 を も っ て い る.す な わ ち,GTOの て,力 行 と回生 運 転,前   ３)PWM制

御 を行 う.

ゲ ー ト制 御 に よ っ

進 と後 進 運 転 が 自 由 に行 え る.

御 電 圧 形VVVFイ

ンバ-タ

け て,三 相 の 定 格 出 力 電 圧1430Ｖ,同

順 変 換 部 出 力 の直 流1900Ｖ

出 力 電 流620Ａ,周

波 数0∼200Hzに

換 す る.三 相 ブ リッ ジ 回路 の 各 ア ー ム は １個 の4500Ｖ,3000ＡGTOと 逆 並 列 の フ ラ イ ホ イ ー ル ダ イ オ ー ド4500Ｖ,800Ａ

を受 変 それ に

で構 成 され て い る.

  これ らの デ バ イ ス は ２)の デ バ イ ス も含 め,塩 素 を含 め な い フ ロ リナ ー トを冷 媒 とし て沸 騰 冷 却 方 式 で 冷 却 して い る.   PWM制

御 の よ りV/fー

定 制 御,す

制 御 を行 っ て い る.こ のPWM制

べ り補 正 に よ る定 電 流 制 御,空

転 再 粘着

御 に よ る 四 象 限 電 圧 形 イ ンバ ー タ の 動 作 は,

5・4・3項に説 明 した.主 97%以

電 動 機 が 定 格 運 転 の と き,イ

上 で あ る.

  ４)電

動 機

定 格 電 圧1430Ｖ,定

回 転 数3825rpm(130Hz,す で,他

ン バ ー タ部 の 変 換 効 率 は

の ０ 系,100系

格 電 流155Ａ,定

べ り1.9%),Ｈ

格 出 力300kW,４

極,

種 絶 縁 の 三 相 か ご形 誘 導 電 動 機

の 電 動 機 に 比 べ て 単 位 出 力 当 た り の 重 量 は 表7・3の

よ うに

最 も小 さ い.

  １台 当 た りの体 積 も最 も小 さ く,ま た ブ ラ シ な ど の 点 検 スペ ー ス も不 要 な の で,台

車 に 電 動 機 を コ ンパ ク トに収 納 して あ る.「 の ぞ み 」 で は,こ の 電 動 機 を

１編 成10両

の イ ン バ ー タ車(Ｍ

車)の

駆 動 輪 す べ て に,す な わ ち 合 計 で40台

取 り付 け て あ る. 表7・3新

幹 線 用電 動 機 の 比 較

  な お,「 の ぞ み 」 と同 様 な駆 動 方 式 に さ ら に 改 良 を 加 えたJR東 「START  21」 は,1993年 試 作 車 は443km/hの   図7・30に,主

上 越 新 幹 線 で425km/hを,1996年

世 界 第 ２位 の 記 録 を出 した.

な駆 動 用 電 気 ・電 子 ユ ニ ッ トを示 す.

日本 の 試 験 車

にJR東

海(株)の

図7・30 

  (２)通

300系

「の ぞ み 」 の 電 気 ・電 子 ユ ニ ッ ト

勤 電 車 「209系 」 の 駆 動 シ ス テ ム(5),(6) 東 京 圏 の 通 勤 人 口 は,1960

年 代 の 高 度 経 済 成 長 期 と共 に 増 加 の 一 途 をた ど っ て きた.東 1987年 の 国鉄 民 営 化 に よ り,JR東 代 化 の コ ン セ プ トは,軽 量 化,省

京 圏 の通勤 輸送 は

日本 が そ の 業 務 を引 き継 い だ.通 エ ネル ギ ー,メ

勤電車 の近

ン テ ナ ン ス フ リー 化,空

調など

の快 適 さ,コ ス トダ ウ ン と い え る.   通 勤 電 軍 の近 代 化 は,1960∼70年

代 に か けて 量 産 され た101系,103系

り,現 在 の201系(中

央 線),205系(山

線)へ 続 い て い る.こ

こで,こ

手 線)を

経 て 最 新 の209系(京

に始 ま 浜東北

の最 新 の 通 勤 電 車 で あ る 「209系 」 の 駆 動 シ ス テ

ム に っ い て 説 明 す る.   (ａ)通

勤 電 車 の 駆 動 シ ス テ ムの 動 向  表7・4に 駆 動 シス テ ム の 動 向 を示 す.

チ ョ ッパ を 応 用 し た駆 動 シ ス テ ム は,1981年 1986年 にPWM制

御 のVVVF電

に採 用 さ れ た.そ

圧 形 イ ンバ ー タ が207系

さ らに技 術 的 改 良 が 加 え られ て1991年

の よ うで あ る.

の 後,

に 採 用 さ れ,そ

れに

か ら209系 が 運 転 され て い る.

  (ｂ)  「209系 」 の 駆 動 シ ス テ ムVVVFイ を採 用 した 理 由 は,次

に201系

ンバ ー タ に よ る誘 導 電 動 機 駆 動

表7・4  通 勤 電 車 の要 点 と駆 動 シス テ ム の動 向

①

高 粘 着 特 性 が 期 待 で き る.

②

１編 成(10両)の

総 重 量 と して軽 量 化 が 期 待 で き る*(表7・4参

③

省 エ ネ ル ギー が期 待 で き る.

④

メ ン テ ナ ン ス フ リー が 期 待 で き る**.

  ま た,VVVFイ

ンバ ー タ に よ る誘 導 電 動 機 駆 動 に,次

照).

の三 つ の 方 式 が 試 作 さ

れ た. ①1200Ｖ,300Ａ

パ ワ ー ト ラ ン ジ ス タ に よ る 電 動 機 ４台 の 個 別 制 御

②4500Ｖ,500Ａ

GTOに

③2500Ｖ,2000Ａ

GTOモ

よ る電 動 機 ４台 の 分 散 制 御 ジ ュ ー ル を 使 用 し,３

レベ ル イ ンバ ー タ に よ る

電 動 機 ４台 の一 括 制 御   これ ら の方 式 を性 能 確 認,走 力 回 生 ・省 エ ネ ル ギ ー 性,乗 *線 **メ

行 比 較 試 験 した結 果,力 行 性能,再 り心 地,保

粘 着 性 能,電

守 な どか ら③ の 駆 動 方 式 を209系

の量産

路 の メ ン テナ ンス費 の低 減 に効 果 が あ る. ンテ ナ ン ス削減 のた め の トの 達 成.

「13年 間,200万km走

行 まで オ ーバ ー ホ ー ル不 要 」 の コ ンセ プ

車 と し た.図7・31に,10両 置 を示 す.イ

編 成(４ Ｍ ６Ｔ)の 京 浜 東 北 線209系

の動 力車 の配

ンバ ー タ駆 動 の動 力 車 は ４両 で あ る.

図7・31京

  図7・32に,GTOを

浜 東北 線

「209系 」 の 動 力 車 の 配 置

使 用 し た ３ レ ベ ルNPC式

三 相PWM制

御 電 圧 形 イ ンバ

ー タの 主 回路 を示 す.   パ ン タ グ ラ フ か ら 受 電 し た 直 流1500Ｖ

に 対 し て,GTOと

ド を 封 入 し た モ ジ ュ ー ル を ４個 直 列 に 接 続 し て い る.そ 500Ｖ

逆 並列 のダ イオ ー の ２個 直 列 の 端 子 は,1

を フ ィ ル タ コ ン デ ン サ で 二 分 し た 中 性 点 に ク ラ ン プ ダ イ オ ー ドで 接 続 し て

い て,モ   GTOの

ジ ュ ー ル に は750Ｖ

の 電 圧 が 加 わ る.

定 格 は2500Ｖ,2000 

Ａ,ダ

イ オ ー ド の 定 格 は2500Ｖ,500Ａ

で あ

る.   こ れ ら の モ ジ ュ ー ル は 塩 素 を 含 ま な い パ ー フ ロ ロ カ ー ボ ン を使 用 し た ヒ ー トパ イ プ で 冷 却 し て い る. 誘 導 電 動 機 の 定 格 は,出 ４個 をVVVFイ

力95kW,電

圧1100Ｖ,電

ン バ ー タ １セ ッ トで 可 変 速 駆 動 す る.

流68Ａ

で,こ

の 電動 機

図7・32 

「209系 」 の  PWM電

圧 形VVVFイ

ンバ ー タの主 回 路

  7・4・2 そ の 他 の 輸 送 機 器   (１)山

梨 超 電 導 磁 気 浮 上 リニ ア 実 験 線 の 駆 動 シ ス テ ム(7)  1972年 に,わ

が 国 最 初 の超 電 導 磁 気 浮 上 ・推 進 モ デ ル 車 が 約200ｍ 実 用 化 に 向 け て 研 究 開 発 が 進 め られ て い る.1979年 験 線(7km)に

お い て,無

400.8km/hを km/hの

人 に て517km/hを,1987年

達 成 し た.現 在,21世

の 実 験 線 で 走 行 し て 以 来, に,宮 崎 県 日 向 市 の 宮 崎 実 に は人 間 が 乗 車 して

紀 の 実 用 化 を 目指 し て,目 標 最 高 速 度550

磁 気 浮 上 鉄 道 の 開 発 が 進 め られ て い る.こ の た め,山 梨 県 甲府 市 を始 点

とす る約43kmの   (ａ)浮

実 験 線 が 選 定 され た.

上 ・推 進 の 原 理   磁 気 浮 上 鉄 道 の構 造 を 図7・33に 示 す.Ｕ

型 の軌道

の両 壁 面 に浮 上 コイ ル と推 進 コ イ ル を規 則 正 し く配 置 し,推 進 コイ ル 群 に 順 次 電 流 を流 す こ とに よ っ て車 両 の 側 面 に付 けた 超 電 導磁 石 と作 用 して 車 両 は 浮 上 し,

推 進 す る.

図7・33  軌 道 の構 造 と浮 上 ・推 進 の 原理

  (ｂ)浮

上 ・推 進 用 電 力 シ ス テ ム  図7・34に 電 力 シ ス テ ム の 概 要 を 示 す.電

力 シ ス テ ム は順 変 換 装 置,チ

ョ ッパ 装 置,逆

変 換 装 置 で 構 成 さ れ て い る.

  山梨 磁 気 浮 上 リニ ア 実 験 線 で は走 行 コイ ル を ３系 統 に区 分 し,３ 系 統 の 逆 変 換 装 置 か ら順 次 電 力 を供 給 す る こ とに よ って 車 両 の 走 行 を制 御 す る.   １) 順 変 換 装 置   順 変 換 装 置 は66kVの

交 流 電 力 か ら6000Ｖ,2500Ａ

ト リガ サ イ リス タ を使 用 した 二 十 四相 の 整 流 回 路 で 直 流 電 圧 ±3450Ｖ,直 流10000Ａ

の直 流 電 力69 MWに

変 換 す る.

図7・34  山梨 磁気 浮 上 リニ ア 実験 線 の 駆動 シス テム の概 要

の光 流電

  ２)チ

ョ ッパ 回 路   チ ョ ッパ 回路 は,車 両 側 か ら の 回 生 電 力 を チ ョ ッパ 回 路

を通 して 抵 抗 器 で 消 費 させ て 制 動 力 を確 保 す る役 目 を もつ.こ 定 格 は,直 流 電 圧7110Ｖ,直

流 電 流2672Ａ,容

ス イ ッチ と し て,4500Ｖ,3000Ａ

のGTO２

量19MWで,チ

ョ ッパ 回 路 の

個 直 列 の ユ ニ ッ トを ５ユ ニ ッ ト並

列 と し,キ ャ リア周 波 数300HzのPWM制   ３)逆

の チ ョ ッパ 回路 の

御 で 制 動 力 を確 保 す る.

変 換 回 路   逆 変 換 回路 は,PWM制

御 単 相 ブ リ ッ ジ 回 路 を三 相 ４段 で

構 成 し,こ の ４段 を 出 力 変 圧 器 で 縦 続 接 続 して い る.   １系 統 当 た りの 出 力 は,出 力 電 力38MVA,出 960Ａ,出

力 周 波 数 は0∼56.6Hzで

  主 回 路 は,１

力 電 圧3530Ｖ

×4,出 力 電 流

あ る.

ア ー ム4500Ｖ,3000Ａ

のGTO４

個 直 列 か ら な る単 相 ブ リ ッ ジ

イ ンバ ー タ を 三 相 と し,そ れ を ４段 縦 続 に構 成 し て １系 統 に し て あ る.各 々 の GTOは

キ ャ リア周 波 数500 HzでPWM制

御 し て お り,単 相 の 各 ア ー ム お よ び

４段 縦 続 構 成 の ス イ ッ チ ン グ位 相 をず ら し て 等 価 的 に4kHzと

して出力側 の 高

調 波 を低 減 し て い る.   (２)高 い,エ

層 ビル 用 高 速 エ レベ ー タ(8),(9) 近 年 の オ フ ィ ス ビル の 高 層 化 に 伴

レベ ー タ に は 高 速 で 乗 り心 地 の よ く,大 量 輸 送 可 能 で,高

効 率,高

い安

全 ・信 頼 性 が 要 求 さ れ る.   従 来 の上 昇 ・降 下 の 最 高 速 度 は540m/min程 換 と逆 変 換 の両 方 にIGBTを 最 高600m/minで

度 で あ っ た が,現

在 で は,順 変

使 用 し,三 相 誘 導 電 動 機 を 可 逆 ・可 変 速 制 御 し て

運 転 す る エ レベ ー タ が あ る.図7・35に

その 主 回 路 を示 し,そ

の特 徴 は次 の よ うで あ る. ①

従 来 の バ イ ポ ー ラ パ ワー トラ ンジ ス タ(PWM周 に代 え て 周 波 数 を8kHzに

波 数1.2kHz)をIGBT

高 周 波 化 す る こ と に よ り高 調 波 成 分 を 低 減 す る

と と も に フ ィル タ を小 型 ・軽 量 化 して い る. ②

③

順 変 換 側 のIGBTモ

ジ ュー ル を ３並 列,逆

よ り電 動 機 容 量100kWま

で制 御 で き る.

変 換 側 を ５並 列 に す る こ とに

モ ジ ュー ル を ヒー トパ イ プ に よ る沸 騰 冷 却 ・強 制 冷 却 す る こ とに よ り,デ バ イ ス の 温 度 上 昇 は 最 大 負 荷 で の 連 続 運 転 で も規 定 値 以 内 に 維 持 され て い

図7・35600m/min級

高 速 エ レベ ー タ の 主 回 路

る.

  ④16ビ

ッ トCPUに

よ る全 デ ジ タル 信 号 化 に よ っ て,順 変 換 側,逆

PWM制

御 し て い る.ベ

PWM制

御,電

ク トル 制 御 に よ る 速 度 制 御 の ほ か,電

変 換側 を 流 制 御,

圧 制 御 を デ ジ タ ル化 す る こ と に よ っ て運 転 の 安 定 性 と精 度 が

向 上 し,全 走 行 範 囲 で優 れ た 乗 り心 地 が 得 られ て い る.   図7・36に,高

速 エ レベ ー タ 用 巻 上 機 と誘 導 電 動 機 お よ び そ の 駆 動 回 路,そ

の

走 行 特 性 を 示 す.   (３)電

気 自動 車(10)  1970年 代 に入 って 環 境 汚 染 と省 エ ネ ル ギ ー 対 策 の た

め に,電 気 自動 車 の 開 発 の機 運 が 高 まっ た が,エ 能 向上,蓄

ン ジ ン 自動 車 の 排 ガ ス 対 策 の 性

電 池 性 能 の 制 約 な どか ら下 火 に な っ た.1980年

代 後 半 に な る と,再

び 自動 車 の大 気 汚 染 が世 界 規 模 で 問 題 に な り,そ れ に カル フ ォル ニ ア規 制(販 車 両 全 体 に対 す る無 公 害 車 販 売 割 合 の%規 制)が 加 わ って,再

売

び 電 気 自動 車 開 発

に拍 車 が か か った.   電 気 自動 車 の 性 能 は蓄 電 池 の 性 能 に大 き く依 存 し,重 量 当 た りの エ ネ ル ギ ー 蓄 積 量 が 大 き く,充

・放 電 寿 命 が 長 く,短 時 間 充 電 が可 能 な蓄 電 池 が 要 求 さ れ る.

現 在,高 性 能 の 鉛 電 池 お よ び ニ ッ ケ ル ・水 素 電 池 の研 究 開 発 が 進 め られ て い る.   電 気 自動 車 の 車 輪 駆 動 系 お よび 車 載 機 器 を概 説 す る と,次 の よ う に な る.

(ａ)巻 上 機,誘 導 電動 機,駆 動 回路

(ｂ)走 行 特性 の 例 図7・36高

速 エ レベ ー タの主 要 機 器 と走行 特性 の例

①

車 輪 駆 動 系 と し て 図7・37が 考 え られ て い る.図(ａ)は

現 在 の エ ン ジ ン車

の 変 形 で,１ 組 の 「イ ンバ ー タ ・電 動 機 」 で駆 動 す る 方 法,図(ｂ)は 「イ ンバ ー タ ・電 動 機 」 で 別 々 に車 輪 を駆 動 す る 方 法,図(ｃ)は

２組 の

図(ｂ)の 変

形 で,各 車 輪 に電 動 機 を組 み込 ん だ 構 造 で あ る.

(ｂ)

(ａ)

図

②

7・37

電 動 機 出 力 は数10kW級 ッパ+直

(ｃ)

電 気 自動 車 の車 輪 駆動 系 の例

で あ る.車 輪 を駆 動 す る電 動 機 に は,(ａ)「 チ ョ

流 電 動 機 」,(ｂ)「 イ ンバ ー タ+誘

導 電 動 機 」,(ｃ)「 イ ンバ ー タ

+同 期 電 動 機 」 が あ る.現 在 開 発 中 の 電 気 自動 車 の 多 くは(ｂ)方 式 で あ る. 高 磁 束 密 度 の 希 土 類 永 久 磁 石 を使 用 した(ｃ)方 式 は将 来 性 が あ る.

③

直 流 電 圧 は蓄 電 池 エ レメ ン トを何 個 直 列 ・並 列 に接 続 す る か で 決 ま り,そ の最 大 直 流 電 圧 は 充 電 時 の 電 圧 で 決 ま る.例 の と き,最 大 電 池 電 圧 は448V程

え ば,公 称 電 池 電 圧 が336V

度 に な る.主 蓄 電 池 は 変 動 の 大 き い 直 流

電源 で あ る.

④

直 流-交 流 変 換 は,出 力 数10kWの

三 相PWM制

御 電 圧 形 イ ンバ ー タ で

あ る.デ バ イ ス と して オ ン ・オ フ ス イ ッチ ン グ損 失 お よ び オ ン損 失 が 小 さ い 600∼700V級IGBTを

⑤

補 助 電 源 と して,エ

使 用 す る. ン ジ ン車 と同 じ12Vの

蓄 電 池 を積 載 し,こ れ を電 源

と して計 装,照

明,エ

ア コ ン(１ ∼ ２kW)を

の 大 き い 主 蓄 電 池 電 圧 を 安 定 化 し た12Ｖ PWMコ

⑥

操 作 す る.こ の た め,電 圧 変 動 に 変 換 す る約 １kWの

直 流-直 流

ンバ ー タ を心 要 とす る.

１回 の充 電 で 走 行 で き る距 離 と最 高 速 度,お 動車 普 及 の 重 要 項 目 で あ る.図7・38に

図

よ び充 電 所 要 時 間 は,電 気 自

走 行 距 離 と最 高速 度 の関 係 を示 す .

１回の 充電 走 行 距離 と最 高速 度 の関 係

7・38

充 電 時 間 を短 縮 す る ほ ど充 電 電 力 の 最 大 値 は 大 き く(現 状 で は15∼30分 100kVA程

度)な

る.家 庭 用 の100/200Ｖ

時 間 充 電 率 で は １kW程

度 の 単 相PWMコ

コ ン セ ン トか ら の10時

で

間 充 電 率∼５

ンバ ー タ(充 電 器)が 必 要 とな る.

この コ ンバ ー タ は 車 載 部 品 の 一 つ で あ る. 電 気 自動 車 の普 及 ・発 展 に は,蓄 電 池 の 性 能 向上 を初 め と して,駆 動 シス テ ム の高 効 率 化 と電 気 シス テ ム 全 体 の 軽 量 化,低

価 格 化 と と も に,社 会 全 般 の整 備 が

必 要 条 件 で あ る. 以 上,特

に 「7・4交 通 ・輸 送 シ ス テ ム 」 で 解 説 した パ ワー エ レ ク トロ ニ ク ス

の 応 用 は,小 型 ・軽 量,高 特 に,7・4節

効 率,高 性 能 の 制 御 性 を追 求 した 実 例 で あ る.

の 実 例 は,す べ て 「人 を 乗 せ て 動 く機 器 」 で あ る た め,通

据 置型 の 電 動 機 駆 動 と異 な り,ま ず 第 一 に,(１)人 シ ス テ ム ・部 品 の 冗 長 度,信

頼 性,次

に,(２)乗

常の

命 に対 す る安 全 ・保 護 機 能 と り心 地 の 良 さ,快 適 さ,楽

し

さ,(３)激

し い加 ・減 速,振 動 に対 す る低 振 動,低 騒 音 の機 械 設 計,(４)あ

らゆ

る気 象 条 件 に対 す る機 器 の 安 全 確 保 な ど,「 交 通 ・輸 送 シ ス テ ム 」 は 多 くの 関 連 す る技 術 分 野 を結 集 した 「ス ー パ ー ・パ ワ ー エ レ ク トロニ ク ス 」 とい え る.

引

用

文

献

金 井 ほ か;「 可 変 速 揚 水 発 電 電 動 機 励 磁 用GTO変

(１)

No.４,'96,東

(２)

石 川 ほ か;「 110巻

芝

換 器 」,  Ｐ.10∼12,  Vol.51,

レ ビ ュ ー

新幹 線

２号,'90,電

「ス ー パ ー ひ か り」 のACド

ラ イ ブ シ ス テ ム 」, Ｐ.105∼112,

気学 会雑 誌

小 林     ;「世 界 の 高 速 鉄 道 」,Ｐ.238∼243,114巻

(３) (４)

４号,'94,電

大 山     ;「 高 速 鉄 道 の 電 車 シ ス テ ム 」,Ｐ. 11∼14, 

気学 会雑 誌

Vol.  50,  No.１,'95,東

芝

レ ビュー (５)

由 川     ;「通 勤 電 車 の 新 し い

'95 ,電

ト レ ン ド を 作 る 」,Ｐ.102∼105,115巻

２号,

気学 会雑 誌

古 賀     ;「鉄 道 車 両 用 機 器 の 技 術 動 向 と当 社 の 取 組 み 」,Ｐ.844∼848,  Vol.46,

(６)

No.11,'91,東

(７)

武 政 ほ か;「

芝

レ ビ ュ ー

山 梨 リ ニ ア 実 験 線 シ ス テ ム 」,Ｐ.38∼42, 

Vol.50, 

No.１,'95,東

Vol.49, 

No.９,'94,東

芝 レ ビュー (８)

中 川 ほ か;「 超 高 速 エ レ ベ ー タ の 技 術 」,Ｐ.620∼623,  芝 レ ビュー

(９)

門 倉     ；「エ レ ベ ー タ 制 御 装 置 」,Ｐ.52∼53, 

Vol.33, 

No.10,'91,電

(10)

木下     ;「電気 自動 車 と電気 自動車 用電 力 変換 器 の現 状 と動 向 」 ９月 ２日,'94

第 ７回電気 自動車 用パ ワー エ レク トロニ クス調査 専 門委 員会 資料

子技術

演

習

問

題

〔７ 〕

〔 問 題 〕１． 電 動機 の 四象 限運転 とは何 か?  直流 電動機 の場 合 に つい て説 明せ よ.

〔 問 題 〕２． ３レベ ルNPC式PWM制

御 部 は 何 か? 

波 形 を書 い て 説 明 せ よ.

〔 問 題 〕３． ベ ク トル 制 御 と は何 か?

〔 問 題 〕４． 直 流電 動機 が誘 導電 動機 に変 わ りつ つあ る理 由は何 か?

第 ８章

( １)

今 後 の パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 動 向

1947年 に ゲ ル マ ニ ウム 点 接 触 トラ ン ジ ス タ が 発 明 さ

わ が国 の立場

れ て 以 来,ち

ょ う ど半世 紀 が 経 過 した.こ

の 間,わ

早 くか らパ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 有 用 性,将

が 国 で は産 業 界,電

力業界 は

来 性 に着 目 し,デ バ イ ス/装 置 を

作 る立 場 の メ ー カ ー と,装 置 を使 う立 場 の ユ ー ザ ー が 互 い に 刺 激 し,協 力 し合 い,た

ゆ まぬ 努 力 の結 果,こ

の分 野 で 世 界 の トッ プ レベ ル の技 術 と実 績 を もち,

指 導 的 立 場 にな る に 至 った.   そ の 現 れ と し て,1983年,電 tronics

Conference)が

気 学 会 主 催 のIPEC(International

東 京 で 開 催 さ れ た の を 初 め と し て,電

通 信 学 会 お よ びIEEE(The

Institute

of

が 協 力 し 合 い,ISPSD(International Devices

and

ICs),

Synposium

PESC(Power

INTELEC(International

Electronics

Telecommunications

が 国 主 導 の も と,多

く の 国 際 会 議,シ

質,討

く,毎

論 の 内 容 は高

Electrical

and on

Power 気 学 会,電

Electronics

Elec 子 情 報

Engineers)

Power

Semiconductor

Speciarist

Conference),

Energy

Conference)な

ン ポ シ ウ ム が 日 本 で 開 催 さ れ,そ

ど,わ の 論 文 の

回 盛 会 で あ っ た.

  1985年,科

学 技 術 庁,資

源 調 査 会 の 「電 力 周 波 数 の 変 換 利 用 に 関 す る調 査 報

告;第105号

」 で は,わ が 国 と諸 外 国 との 技 術 比 較,わ

が 国 の進 む べ き方 向 と施

策,諸

外 国 へ の 技 術 協 力 につ き調 査 ・研 究 し,答 申 書 を科 学 技 術 庁 長 官 に 提 出 し

た.こ

の答 申 書 に は,「 こ れ か ら の 世 界 の エ ネ ル ギ ー の需 要 を考 え る と き,わ が

国 の パ ワ ー エ レ ク トロニ クス 技 術 を国 内 だ け に温 存 す るの で は な く,さ ら に技 術 を 高 め る と と も に,こ の 分 野 の技 術 を発 展 途 上 の 国 々 に広 め て世 界 の 省 エ ネ,省 資 源 に貢 献 す べ き で あ る」 と提 案 して い る.

(２ ) 21%(2000年

エ ネ ル ギ ー の需 給 の 予 想)を

現 在,東

占 め る 中 国,お

南 ア ジ ア諸 国 を は じ め,世 界 の人 口の 約 よ び 約16%(同)を

占 め る イ ン ドは 急

速 に経 済 発 展 を遂 げ つ つ あ る.そ れ に 伴 い,エ

ネ ル ギ ー 消 費 が 急 増 し て世 界 的 需

給 ア ンバ ラ ン ス と近 い将 来 の 化 石 燃 料 の 枯 渇 が 強 く懸 念 さ れ て い る. 一 方 で は,排 ガ ス 増 加 に伴 う大 気 汚 染 お よ び地 球 温 暖 化 に よ り,人 類 の生 活 へ の影 響,動

・植 物 生 態 系 の 変 化 も懸念 され て い る.

電 気 エ ネル ギ ー に関 して は,発 電 効 率 を少 しで も高 め,送

・配 電 系 統 お よび 末

端 の電 力 機 器 の 電 力 損 失 を少 しで も減 らす と同 時 に,脱 化 石 エ ネ ル ギ ー 源(例 ば,太 陽 エ ネ ル ギ ー,風

え

力 ・波 力 エ ネ ル ギ ー の 利 用,電 気 自動 車 の普 及 な ど),

お よび新 エ ネ ル ギ ー 源 の 開 発 と経 済 的 に受 け入 れ られ る装 置 の 開 発 ・実 用 化 とそ の普 及 は,各 国 の 緊 急 か つ21世 紀 の テ ー マ で あ る.こ の よ う な エ ネ ル ギ ー 動 向 は,今 後 のパ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 方 向 を示 唆 して い る. (３)

デ バ イ ス お よ び それ を使 用 し

電力変換 装置の 電力損失低減,省 材料

た電 力 変 換 装 置 で は,高

い電 力 変 換 効 率 で あ る こ と は言 う まで もな く,装 置 に は

ス ペ シ ア リ テ イ 材 料(金,銀,ニ

ッ ケ ル,コ バ ル ト,タ ン グ ス テ ン,モ

ン,チ タ ン な ど)を で き る だ け使 わ ず,コ

モ デ テ イ 材 料(鉄,銅,ガ

子材 料 な ど)で 構 成 して 省 資 源,省 材 料 で,か リサ イ クル 可 能 で あ る こ とが 望 まれ る.例

リブデ

ラ ス,高 分

つ,装 置 更 新 時 に は 材 料,部

え ば,図3・33の

品は

断 面 図 の よ う に,従

来 の 方 法 の 厚 い タ ン グ ス テ ン板 を ウ エ ー ハ に合 金 接 着 す る代 わ りに,図3・34の よ うに,薄 るが)は,ス 通 常,変

い モ リブ デ ン板 で 圧 接 した構 造(大

口径 と熱 歪 み を 改 善 す る 目的 で あ

ペ シア リテ イ 材 料 の節 約 とい え る. 換 装 置 を小 型 ・軽 量 に 設 計 で き る と言 う こ と は,部

品 の 発 熱 は小 さ

く,電 力 変 換 効 率 は 高 くて冷 却 の た め の スペ ー ス が 小 さ い こ とを意 味 す る.例 ば,高 電 圧 大 電 力 変 換 装 置 に つ い て は,図6・17の

え

よ うに,１ 個 の サ イ リス タ の

定 格 電 圧 が 高 くな る ほ ど,直 列 接 続 の 個 数 を減 ら し得 る の で,電 力 損 失 お よび 変 換 装 置 を小 さ くで き,省 電 力,省

材 料 とな る.

変 換 装 置 で発 生 す る 電 力 損 失 の大 部 分 は デ バ イ ス の 分 圧(ス

ナ バ)回 路 で あ

る.デ バ イ ス の オ ン ・オ フ動 作 に 伴 い,分 圧 回 路 の コ ンデ ンサ の充 ・放 電 エ ネ ル ギー は デバ イ ス と,コ ン デ ンサ に 直 列 の抵 抗 で 消 費 され,発 の 容 量 は,高 電 圧 の 光 ト リガ サ イ リス タ で は1∼5μF,大

熱 す る.コ

ンデ ンサ

電 流 ゲ ー トタ ー ンオ フ

サ イ リ ス タ で は3∼6μFで

あ る.コ

ンデ

ンサ の 容 量 を小 さ くす る た め に は,デ バ イ ス の デ ザ イ ン を改 良 す る必 要 が あ る. 図8・1の よ うに,付 加 コ ンデ ンサ に エ ネ ル ギ ー を蓄 積 し,そ のエ ネ ル ギー を回 生 回路 で 電 源 に フ ィー ドバ ッ ク し て電 力 損 図8・1  スナ バ 回路 の 電 力 回生

失 を減 ら す方 法 もあ る. パ ワ ー エ レ ク トロニ クス の応 用

(４)

4・3・2項 の 図4・28に

現 在 の応 用 分

野 を 示 した.応 用 分 野 の 動 向 は,主 と し て ユ ー ザ ー 主 導 で 進 め られ るが,そ

れを

経 済 性 を もっ て機 能 と性 能 を実 現 させ る た めに は,そ れ に適 し た デ バ イ ス が 必 要 で あ る.「 応 用 」 と 「デ バ イ ス 」 は車 の 両 輪 とい え る. 今 後 の発 展 す るで あ ろ う分 野 は,① の た めの 高 電 圧 大 電 流 変 換 装 置(直 電 力 制 御,ア

両,通

勤 電 車,電

高性 能,低

波 数 変 換,交

り有 効 な 系 統 運 用

流 系 統 の 連 系,無

効

一 般 産 業 用 順 ・逆 変 装 置 の 高精 度 制 御 と

電 力 損 失 の 交 通,輸

送 機 器(新 幹 線 用 新 型 高 速 車

気 自動 車 な ど)が 考 え られ る.

こ の よ う な 予 想 か ら,デ 図8・2の

流 送 電,周

ク テ ブ フ ィル タ な ど),②

低 電 力 損 失 化,③

電 力 系 統 の整 備 と,よ

バ イ ス に 要 求 さ れ る 電 気 的 特 性 を 図4・28に

加 え る と,

よ う に な る.

これ らの 電 力 変 換 装 置 に要 求 され る事 項 は,① 信 頼 性 と制 御 の安 定 性,③ 響 を 与 え な い,④

無 騒 音,無

小 型 ・軽 量,省

振 動,電

材 料,⑤

高 い電 力 変 換 効 率,②

装置 の

磁 波,誘 導 障 害 な ど,環 境 に影

メ ン テ ナ ン ス フ リー,⑥

低 価格 で

あ る. 電 力 変 換 回路 と し て は,高 調 波 成 分 が 少 な く,交 流 側 の 力 率 が よ い ３ レベ ル NPC式PWM制

御 を主 体 と して,デ バ イ ス の 高 周 波 動 作 特 性 の 向 上 と共 に,よ

り高 度 の 波 形 整 形 で,か う.

つ,ス イ ッチ ング 損 失 の小 さい 方 式 が 使 用 さ れ るで あ ろ

図

(５)

8・2

応 用 分野 の 動 向か ら予 想 され るパ ワー デバ イ スの 特性

パ ワ ー デ バ イ ス に 要 求 さ れ る事 項 は,①

パ ワ ー デ バ イ ス(1),(2)

オ フ お よび 逆 電 圧 阻 止 能 力,② 動 作 領 域,④

低 電 力 損 失(ス

大 き い オ ン電 流 と過 電 流 通 電 能 力,③ イ ツ チ ン グ損 失,オ

ン電 流 損 失),⑤

のた め の 短 い キ ャ リヤ ラ イ フ タ イ ム とタ ー ンオ フ 時 間,⑥ き ま た は保 護 の容 易 さ 今 後,特

ー ト タ-ン

高電 圧化

高周 波動 作

デ バ イ ス保 護 機 能 付

後 述 す るIEGTで,次

オ フ サ イ リ ス タ,MOSFETで

これ らの 電 気 的 特 性 の相 関 関 係 は,図3・34の (ａ)

広 い安 全

で あ る.

性 改 善 の 可 能 性 が あ る デ バ イ ス はIGBTと

光 ト リ ガ サ イ リ ス タ,ゲ

高い

に

あ ろ う.

よ う に複 雑 で あ る.

電 気 的 特 性 との トレー ドオ フ に 依 存 す るが,現 在 の サ イ リス

タ で は定 格 ピ ー ク繰 返 しオ フ電 圧 お よ び逆 電 圧 は8kVで,こ

れ 以 上 の電 圧 阻 止

能 力 の 向上 は期 待 で き よ う.特 性 の トレー ドオ フ に よ って は,直 列 接 続 を利 用 す るほ うが 変 換 装 置 と し て有 利 の場 合 が あ ろ う. IGBTで

は2.5∼5kV級

が 開 発 され,例

電 動 機 駆 動 用 イ ンバ ー タ に使 用 され る.

え ば,き 電 電 圧1500Ｖ

の電車 の誘 導

  (ｂ)  大 電 流 化   現 在 の 最 大 級 の オ ン電 流(平 ウエ ーハ を使 用 した8kV級

均 値)は,直

径150mmのFZ

の 光 ト リガ サ イ リス タ で3500Ａ

の 大 き い電 流 に対 して は,①

で あ る.こ れ 以 上

サ イ リス タ を複 数 並 列 に接 続 す る,②

さ ら に,大

口径 の ウ エ ー ハ を使 用 す る  方 法 が あ る.② は ウエ ー ハ に つ い て は技 術 的 に可 能 で あ ろ うが,デ

バ イ ス メー カ ー に とっ て は大 きな 設 備 投 資 を必 要 と し,か つ,面

内 均 質 な製 造 プ ロ セ ス,電 極,熱 て,②

歪 み な ど解 決 す べ き技 術 的 問 題 点 が 多 い.従

っ

は そ れ な りの必 要 理 由 が な け れ ば実 現 は 先 と な ろ う.

  (ｃ)タ

ー ン オ フ タ イ ム の 短 縮   高 周 波 の イ ンバ ー タ運 転 お よ びPWM制

御

に とっ て,デ バ イ ス の キ ャ リヤ ラ イ フ タ イ ム を 短 く,逆 回復 電 荷 量 を小 さ くす る 必 要 が あ る.逆 回 復 電 荷 量 の 減 少 に よ っ て,ス ナ バ 回路 の コ ン デ ン サ容 量 を小 さ くで き,同 時 に ス ナ バ 回 路 の 損 失 を低 減 で き る.サ イ リ ス タ の 場 合,nB層

にプ

ロ トンや ヘ リウ ム の イ オ ン を照 射 す る こ とに よ り,局 部 的 に そ の 層 の キ ャ リヤ ラ イ フ タ イ ム を制 御 す る方 法 が 効 果 を上 げ て い る.   (ｄ)  自 己 オ ン ・オ フ 機 能 を も っ た パ ワ ー デ バ イ ス   ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リ ス タ(GTO)はIGBTよ 常,１

り デ バ イ ス 構 造 が 簡 単 の た め,大

ウ エ ー ハ １デ バ イ ス で あ る.現

は 近 い う ち に8kV,8kA程 め,大

在 の 直 径150mmウ

度 に は な る で あ ろ う.IGBTは

電 流 用 で は １ ウ エ ー ハ １デ バ イ ス に な り に く い.多

に 圧 接 ・接 続 し た 構 造 の パ ッ ケ ー ジ で2500Ｖ,1000Ａ

電 流GTOで

は,通

エ ー ハ の6kV,6kA パ タ ー ンが 微 細 な た 数 の エ レ メ ン トを 並列 が 開 発 さ れ て お り,こ

の 方 法 で 電 流 増 加 は 可 能 で あ る(3).   最 近,ト

レ ン チ 構 造 のMOSゲ

(Injection  Enhanced 

Insulated  Gate  Bipola  Transistor)が

の 電 圧 阻 止 能 力 を も ち,電 こ のIEGTは,電

ー ト を 微 細 加 工 で 多 数 埋 め 込 ん だIEGT(4)

流 密 度100A/cm2で

オ ン 電 圧2.5Ｖ

開 発 さ れ,4500Ｖ の 特 性 を 示 し た.

子 の 注 入 効 率 を 高 め る エ ミ ッ タ 構 造 を 持 ち,オ

リ ス タ と 同 様 な キ ャ リ ヤ 分 布 が 得 ら れ る の で,ト

ン状 態 で サ イ

ラ ン ジ ス タ な が ら この よ うに オ

ン電 圧 が 低 い 特 徴 が あ る.   こ のIEGTは,GTO,IGBTと 一 つであ る

.

ともに将来期 待 しうるハ イパ ワー デバ イ スの

  高 電 圧,大

電 流 の 高 速 ス イ ッチ ン グ を行 う ほ ど誘 導 障 害,電

原 因 とな り,電 子 機 器 に影 響 を 与 え る.対 策 と して,ス

磁波 ノイズの発生

イ ッチ ン グ回 路 の ス トレ

イ ン ダ ク タ ン ス を小 さ く,配 線 が 電 磁 結 合 し な い よ う に す る と と も に,発 生 部 分 を電 磁 波 シ ー ル ド材 で 遮 蔽 す る必 要 が あ る.   (６)  SiC(シ

リコ ン カ ー バ イ ド)基 板 材 料     最 近,昇

た 直 径30mmの6H-お

よ び ４H-SiCウ

の ウエ ー ハ の 絶 縁 破 壊 電 界 強 度 は,シ

エ ー ハ が 市 販 さ れ る よ う に な っ た.こ リ コ ン単 結 晶 ウエ ー ハ よ り も １桁 大 きい.

さ ら に,特 殊 な ス テ ッ プ エ ピタ キ シ ア ル 法 に よ っ てSiC面 せ る こ とが で き る よ う に な っ た.こ タ,ト

ラ ン ジ ス タ,ダ

華 法 に よ って 製 作 し

上 に単結 晶 を成長 さ

の技術 に よっ て高 温度 で動作 す るサ イ リス

イ オ ー ドが 報 告 さ れ て い る.

  SiC基 板 は,最 大 降服 電 界 強 度,キ

ャ リヤ 移 動 度,高

温度動作 の点 で魅力 あ る

基板 材 料 と い え る.

引用 文献

(１)中

川;「

パ ワ ー デ バ イ ス は こ こ ま で 進 ん だ 」，Ｐ.161∼166,Vo1．114,No.3,'94,電

気 学会 雑誌

(２)電

子 デ バ イ ス 技 術 委 員 会;「 先 端 技 術 セ ミ ナ ー テ キ ス ト」3月27日,'96,電

気 学会

(３)関

ほ か;「

芝 レ ビ

自 己 消 弧 デ バ イ ス と そ の 応 用 動 向 」,P．4∼9,Vol.51,No.4,東

ユ ー (４)Kitagawa,etal;「 tor｣

Technical

Ａ  4500Ｖ Digest,

IEGT

International

Operating

in

Electron

Device

a

Mode

Simular

Meeting,

to IEDM,1993

a

Thyris

あ

浅 学 非 才 の 身 を顧 み ず,多

と

が

き

くの 方 々 か らの 励 ま し,ご 支 援 を 得 て,一 応 の 目標

とす る枚 数 を超 え る まで ま とめ る こ とが で きた. 筆 者 と して は,読 者 が 「パ ワー エ レク トロニ ク ス 」 を理 解 し,興 味 を も ち,親 しみ を感 じや す い よ う に,歴 史 的 背 景,技 術 発 展 の経 緯 を折 り込 み な が ら,入 手 し得 た 最 も新 しい 資 料,情

報 を も と に,多

くの 図,表,写

真 を 掲 載 し,解 説 し

た.

  一 般 産 業 へ の 応 用 を 「パ ワー エ レ ク トロニ ク ス」 とい う な らば,交 通 ・輸 送 機 器 へ の 応 用 は人 命 に直 接 ・間 接 に 関 係 す る た め,特 段 の 信 頼 性 が 要 求 され る の で,「 ス ー パ ー ・パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス 」 と し,ま た,高 電 圧 ・大 電 力 を取 り 扱 う周 波 数 変換,直

流 送 電 へ の 応 用 は,雷 サ ー ジ,開 閉 サ ー ジ の 過 電 圧 に 耐 え,

か つ,電 力 の安 定 供 給 の 責 務 を 果 た す た め,さ

ら に 多 くの 技 術 分 野 を 包 含 し た

「ウル トラ ・パ ワ ー エ レク トロ ニ ク ス 」 と位 置 付 け た.

  本 書 で は,デ バ イ ス の 種 類 と原 理,シ の 動 作 ・波 形 を解 説 した.さ

表 的 回 路 とそ

ら に,実 例 と して わ が 国 の 周 波 数 変 換,直

は じめ,重 工 業,一 般 産 業,交 に力 点 を置 き,多

リコ ン ウ エ ー ハ の 製 法,代

流送電 を

通 ・輸 送 機 器 へ の パ ワー エ レ ク トロニ ク ス の 応 用

くの ペ ー ジ を割 い て紹 介 した.そ

の結 果,残 念 な こ とに,家 電

用 機 器 へ の応 用 に つ い て 割 愛 せ ざ る を え な か った.   記 述 に お い て,説

明 不 足,間

機 会 に よ り正 確 に,ま た,よ りで あ る.

違 い が あ る と思 わ れ る が,次

の改 訂 版 を 出版 す る

り広 い 分 野 か ら多 くの実 例 を厳 選 し,解 説 す るつ も

謝   この 著 書 を ま と め る に あ た っ て,次

辞 の 方 々 を始 め,多

くの 方 か らの ご支 援,有

益 か つ 新 しい 資 料,ご 助 言,ご 教 示 を頂 き,ま た,文 献,資 料 の 引用 を さ せ て 頂 い た. 特 に, 周 波 数 変 換 と直 流 送 電 に つ い て,

東京電 力株式会 社殿

電源 開発株 式会社殿

中部電 力株式会 社殿

関西電 力株 式会社殿

四 国雷 力株式会 社殿 JR東 日本 株式会社殿  JR東 海株 式会社殿

交 通 関係 に つ い て, 全 般 に つ い て,

豊 田工 業大学  今井  孝二  教授殿 佐 伯 修 三 技監殿

竹 内 南  主幹殿

〃

大橋   弘通 技監殿

小 宮山富雄部 長 附殿

 芝

関   長 隆 技 監殿

小林  淳 男技監殿

〃

堀 内 恒 郎  主幹殿

国吉 真 照主査殿

〃

羽片  日出夫 主査殿

デバ イ ス に つ い て,東

電 力 変 換 に つ い て,東

交 通 機 器 に つ い て,東

芝

芝

山屋  貴 嗣事業 部長殿

高原 英 明主幹殿

こ こ に改 め て 皆 様 に 深 く感 謝 とお 礼 の 意 を表 す. 1996年9月

岸

敬二

演習問題 の解答

第 １章   パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 発 展 の 経 緯 〔問 題 〕１.1947年12月23日,ア Brattain(1956年 確 認 し,ト

メ リ カ,ベ

ノ ー ベ ル 賞)が

ラ ン ジ ス タ と名 づ けた.(IEEE 

〔 問 題 〕２.pnpnの

ル 研 究 所 に てShockley, 

Bardeen,

ゲ ル マニ ウム 点接 触 形 デバ イ ス で増 幅 作 用 を Spectrum,  January,1973, 

P.24-33)

４層 構 造 に て ゲ ー ト電 流 に よ り電 流 が ラ ッ チ ア ッ プ す る現 象 を論 文

発 表 し た の は1956年.ア

メ リカ のGE社

売 開 始 し た.1963年,SCRと

は,1957年

い う 呼 称 は,サ

にSCRと

い う商 品 名 で 発

イ リ ス タ(Thyristor)に

変更 さ

れ た. 〔 問 題 〕３.  「パ ワ ー(電

力,電

力 機 器)」 を 「エ レ ク トロ ニ ク ス(半

よ っ て 「コ ン トロ ール(制 〔 問 題 〕４.サ れ,よ

イ リス タ の 特 徴(低

損 失 で 高 速 の ス イ ッ チ 動 作,高

り高 い 電 力 へ の 応 用 の 強 い 要 望 が あ っ た こ と.こ

ン単 結 晶 の 大 口径 化,高

導 体 デ バ イ ス)」 に

御)」 す る 三 つ の 分 野 で構 成 さ れ た 広 い技 術 分 野. 信 頼 性 な ど)が 認 知 さ れ に 応 え る た め,シ

品 質 化 技 術 の ほ か デ バ イ ス の 設 計 ・製 造 技 術,応

リコ

用技 術

が 進 歩 し,実 績 を積 み 重 ね て き た た め.

第 ２章

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス に 関 す る定 義,

〔問 題 〕１.転 流 と は(一

記 号,

用語

つ の 回 路 に 複 数 の デ バ イ ス が 接 続 さ れ て い て),同

時 に電 流 を

通 じ る期 間 を も っ て 行 わ れ る 電 流 の 移 り変 わ りを い う. 転 流 方 式 の 分 類 は,図2・4参 〔 問 題 〕２.図2・5参

照

〔 問 題 〕３.順 方 向;ピ 逆 方 向;ピ

照.

ー ク非 繰 返 し オ フ 電 圧 お よび ブ レ ー ク オ ー バ 電 圧. ー ク 非 繰 返 し逆 電 圧 お よ び 逆 降 伏 電 圧.

(電 圧 ・電 流 特 性 は,図2・7参 ゲ ー ト;ピ ー ク ゲ ー ト電 圧,ゲ 〔 問 題 〕４.タ

ー ン オ ン 時 は 図2・8(ａ),タ

照)

ー ト逆 電 圧 お よ び ゲ ー ト ト リガ 電 圧 ー ン オ フ時 は 図2・13お

よ び 図2・14を 参 照.

第 ３章

パ ワ ー デ バ イ ス の 基 礎(そ

〔 問 題 〕１.図3・11の(ｂ)お 〔 問 題 〕２.図3・23参 〔問 題 〕 ３.製   FZ法

の １)― 動 作 原 理 と デ バ イ ス の 種 類 ―

よ び(ｃ)参 照.

照.

法 上 の 違 い は 図3・28お

よ び 図3・29参 照.

で は 不 純 物 の 混 入 は ほ とん ど な く,抵 抗 率 は 比 較 的 高 い 値 を 製 造 で き

る.た だ し,直 径 の 大 口 径 化 は や や 困 難.   CZ法

で は,石

英 る つ ぼ か ら の 溶 け込 み が あ り,高 い 抵 抗 率 の も の を 製 造 す る

の は比 較 的 に 困 難.大 〔問 題 〕４.構

口 径 化 は 比 較 的 に 容 易.

造 上 の 違 い は 図3・16と

  共 通 点 は,両

図3・19.

者 と も電 圧 駆 動.相

違 点 は,MOSFETは

多 数 キ ャ リヤ デ バ イ ス

の た め キ ャ リヤ 蓄 積 時 間 が な い の で ター ンオ ン,タ ー ン オ フ 時 間 が 短 く,高 周 波 の ス イ ッ チ ン グ が 可 能 で あ る.   特 性 比 較 は 図4・28参

照.

第 ４章  パ ワー デ バ イ ス の 基礎(そ の ２) ― ゲ ー ト駆 動 回路 〔 問 題 〕１.図4・19の

よ う に,ス

ナ バ 回 路 が な い と,オ

,安 全 動 作 領 域,熱

抵抗 ―

ン電 流 が 減 少 す る 過 程 で 電 源 回

路 の イ ン ダ ク タ ン ス の た め に 高 い 過 渡 電 圧 が 発 生 し,そ れ が 陽 極-陰 極 間 に 加 わ る.オ

ン電 流 と この 電 圧 の 積 が 電 力 損 と な っ て エ レ メ ン トの 局 部 に 集 中 して ホ ッ

トス ポ ッ トが 発 生 し,そ れ が あ る 限 度(図4・19の バ イ ス は 特 性 劣 化,破

壊 に 至 る.オ

安 全 動 作 領 域)を

超 え る とデ

フ電 圧 上 昇 率 を抑 え,こ の 領 域 内 で 動 作 す る

よ う ス ナ バ 回 路 の定 数 を選 定 し,接 続 す る. 〔 問 題 〕２.デ バ イ ス 単 体 お よ び 多 種 類 の 回 路 が 互 い に絶 縁 され て モ ー ル ド さ れ て お り, 「集 積 化 さ れ た パ ワ ー ユ ニ ッ ト」 で あ る.回 路 お よ び 電 圧,電 い.モ

流 の選 択 の幅 が 広

ジ ュー ル の上 面 に は電 極 端 子 とゲ ー ト/べ ー ス の 制 御 端 子 が 付 い て お り,

そ の 下 面 に は一 括 した ヒー トシ ン ク が 付 い て い て,こ け る こ とに よ っ て組 立 配 線,交 〔 問 題 〕３.図4・28参

照.

の 面 を 冷 却 フ ィ ン に取 り付

換 作 業 が 極 め て 容 易 と な る.

第 ５章

電 力 変 換 回路

〔 問 題 〕１.表5・1参 〔 問 題 〕２.商

照.

用 周 波 正 弦(sin)波

cosと な り,式 にcosの

の 一 部 分 に つ き積 分 し て 平 均 値 を 求 め る た めsinが

項 が 入 る.

解図 １ 三 相 星 形 の と き の 波 形 は,図5・4参

照.

〔 問 題 〕３.交 流 側 線 間 電 圧(実 効 値)をVas,同

線 電 流(実

効 値)をIacの

と き,交

流側

電 力Pacは,

直 流 電 圧 をVd,直

流 電 流 をIdの

と き,直 流 電 力Pdcは,

Pdc=(3√2/π)VacId

上 式 か ら,

と な る(表5・2参

照).

〔 問 題 〕４.回 路 構 成 は 図5・22,運 道-本 州 直 流 送 電 設 備,新

転 特 性 は 表5・3参 信 濃50/60Hz周

照.応

用 例 は,他

波 数 変 換 設 備.自

励 自 制 式 は北 海

励 他 制 式 は大 形 コ

ン ピ ュ ー タ 用 無 停 電 電 源 装 置. 〔 問 題 〕５.表5・4参 〔 問 題 〕６.図5・30参

照. 照.

〔 問 題 〕７.交 流 回 路 の 動 作 周 波 数 を,例 ①

え ば20kHz以

人 間 の 可 聴 周 波 の 限 界 で あ る 約20kHzよ

上 に す る の は, り も高 くす る こ と に よ り可 聴 騒

音 を 減 らす. ②

高 周 波 化 す る ほ ど部 品 お よ び 装 置 を小 形 ・軽 量 化 で き,ま

た変換 効率 を高

め ら れ る. ③

電 圧 駆 動 で 高 速 動 作 のMOSFET,

IGBTの

電 圧,電

流 定 格 が 増 加 し,ス

イ ッ チ ン グ 性 能 が 向 上 し た. 〔 問 題 〕８.電 力 変 換 の 特 徴 は5・4・3項 参 照. 制 御 方式 は

第 ６章

①

パ ル ス振幅 変調

②

パ ル ス幅変 調

③

パ ル ス周波 数変 調

パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス の 応 用(そ

の １)― 電 力 へ の 応 用 ―

〔 問 題 〕１.6・1・3項 参 照 〔 問 題 〕２.図6・18お

よ び 図6・20参 照

〔 問 題 〕３.6・1・6項 参 照 〔 問題 〕 ４.6・4・1項 参 照 お よ び 図6・35参 照

第

７章

パ ワ ー エ レ ク

ト ロ ニ ク ス の 応 用(そ

〔問 題 〕１.7・1節,図7・4,図7・7,図7・8参 〔問 題 〕２.図7・16参 〔問 題 〕３.7・1・2項

照 の(７)参

〔問 題 〕４.7・2・1項,表7・3参

照 照

照

の

２)― 電 動 機 へ の 応 用 ―

索    引 あ行 IGBT 

オ ン電 流  

19

遅 れ時 間 

73

12,46,72,82

ア ク セ プ タ  ア ク テ ィ ブパ ワ ー フ ィル タ  安全 動作 領域  

28 199 34,78

か行 か ご形 誘 導 電 動 機 の 可 変 速 運 転 

227

可 逆PWM回

223

転 

可 逆運 転  イ ンパ ル ス転 流  

11

位相 遅 れ角  一 石 フ ォ ワ ー ド形 間 接 変 換 回 路 

99 139

一 般 産 業 用 三 相 イ ンバ ー タ 

242

医 用 機 器 用 直 流 高 電 圧 電 源 装 置 

205

222,231

重 な り角   過 渡 熱 イ ン ピー ダ ン ス 

111 89,90

過 負 荷 オ ン電 流  

19

可 変速運 転 221,  227, 229,  230,  231,  233,  235, 240, 243, 245

ウエーハ 

29

ウエーハ 化 プ ロセス 

61

運転 特性  

128

間接 変換 回路  

126

紀 伊 水 道 サ イ リ ス タ 直 流 連 系 設 備 

182

逆 回復 時 間   AIN基

93

逆 回復 電 荷  

59

逆 回復 特 性  

32

逆 降伏 電 圧 

np接 合  

29

逆 阻 止 ３端 子 サ イ リス タ 

Ｎ ゲ ー トサ イ リ ス タ  

36

逆 阻止 状 態 

ｎ形 シ リ コ ン 

28

逆損 

ｎ形 半 導体  

28

逆 導 通 ３端 子 サ イ リス タ 

SBD 

43

逆 導 通 サ イ リス タ 

FZ法 npnト

板    ラ ンジ スタ 

SCR 

１

逆 バ イア ス安全動 作領 域 

エ ミ ッ タ接 地  

32

逆 方向 特性  

エ ミ ッタ 領 域  

32

共振 形 逆変換 回路  

エ レ メ ン ト 

30

共 有結 合  

32 21,32 21 17,31 49 31,41 21 50 13,30,50 80,82 31 147 27

金 属 酸 化 膜 電 界 効 果 トラ ン ジ ス タ44,71 オ フ状 態  

14,36

オ ン状 態  

19,39

空 乏層 

オ ン損  

20,40

駆 動 シ ス テ ム 

オ ン電 圧  

20

31 248

ゲ ー トタ ー ン オ フ サ イ リス タ53,76,84

さ行

ゲ ー トタ ー ン オ フ トラ ン ジ ス タ  13,23 ゲ ー トタ ー ン オ フ 電 荷  

23,54

ゲ ー ト ト リガ シ ス テ ム   ゲ ー ト位 相  

189 127,128

３レベ ルNPC方

式PWMイ

ンバ ータ

 

232

サー ジオ ン電流  

19

ゲ ー ト制 御 タ ー ン オ フ 時 間  

23

サ イ ク ロ コ ンバ ー タ  

ゲ ー ト制 御 タ ー ン オ ン  

38

サ イ リス タ  

ゲ ー ト制 御 テ イ ル 時 間  

23

サ イ リス タ セ ル ビ ウ ス 制 御  

228

サ イ リス タ ブ リ ッ ジ 回 路  

222

サ イ リス タ モ ー タ 

236

形 鋼 仕 上 げ 圧 延 用 三 相 イ ンバ ー タ  243

２,12,36,49,73

コ レ ク タ遮 断 電 流  

33

サ イ リス タ レ オ ナ ー ド 

コ レ ク タ接 地  

32

サ イ リス タ 変 換 装 置  

32

再 結合  

コ レ ク タ領 域   降 圧 チ ョ ッパ 回 路  

133,134

122

221 173,180 27

佐 久 間 サ イ リ ス タ周 波 数 変 換 所 

175

航 空機 整備 用交 流電 源  

210

三 相 ブ リ ッ ジ回 路  

105

工 作 機 械 用 高 周 波 イ ン バ ー タ 

241

三相 交 流電源  

104

高 層 ビル 用 高 速 エ レベ ー タ 

258

三 相 混 合 ブ リ ッ ジ回 路  

108

高 速 サ イ リス タ 

49

三相 星形 回路  

104

高 速 ダ イ オ ー ド 

43

三相 電 力制御  

119

三相 二 重星形 回路  

108

高 調波  

157

高 調 波 フ ィル タ 

162

高 電 圧 大 電 流 サ イ リス タ 変 換 装 置 

186

高 電 圧 大 電 流 ダ イ オ ー ド 

41

CZ法

 

59

GTO 

53

交 流 回 路 用 フ ィ ル タ 

163

シ ョ ッ トキ ー バ リア ダ イ オ ー ド  12,43

交 流間 接変換  

169

シ リコン単結 晶 

交 流 系 統 連 系 用 サ イ リス タ変 換 装 置177

事故 電流  

交 流式 無効電 力補 償 装置  

197

写真 食刻 

交 流-交 流 電 力 変 換 回 路  

116

車両 用補助 電 源 

交 流-交 流 変 換  

169

遮断領 域 

交 流-直 流 電 力 変 換 回 路  

99

59,60 165 64 209 34

周 波 数 変 換 用 サ イ リス タ変 換 装 置

交 流-直 流 変 換  

201

 

交 流 電 力 間 接 変 換 回路  

125

循環電 流 方式  

交 流 電 力 供 給 シ ス テ ム 

214

順 バ イ ア ス 安 全 動 作 領 域 

交 流電力 制御  

197

順 変 換-逆

交 流電力 調整 回路  

117

順 方 向特性  

交 流電力 直接 変換 回路  

122

昇 ・降 圧 チ ョ ッパ 回 路  

133,136

昇 圧 チ ョ ッパ 回 路  

133,135

171,184

変換 動 作 

122 79,81,82 127 31

消流 

11

端 子 電 圧 制 御(電

動 機 の) 

228

自励 式  

126

単 相 セ ン タ タ ップ 回 路  

102

自励 式 四 象 限 電 圧 形 イ ンバ ー タ 

156

単 相 均 一 ブ リ ッ ジ回 路  

102

自励 式 電 力 変 換  

130

単相 交流電 源 

99

自励 式 無 効 電 力 補 償 装 置  

198

単相電 力制 御 

117

自励 他 制 式 逆 変 換 回 路  

146

単相 半波 回路  

新 信 濃 サ イ リス タ 周 波 数 変 換 所 

171

短絡安 全動 作領 域 

進相 電力 

127

スイ ッチ ング レギ ュレー タ

  203

スナバ 回路  

86

セル ビウス方式  

228

セ ル フ タ ー ンオ ン  セ ン サ レ ス ベ ク トル 制 御

36   228

制御進 み角 

127

整 流 ダ イ オ ー ド 

12,30,41

99 80,84

チ ョ ッパ 回 路  

133

蓄電 池 

145

窒 化 ア ル ミニ ウ ム 基 板  

93

直 流-交 流 電 力 変 換 回 路  

144

直 流-交 流 変 換  

206

直 流-直 流 電 力 変 換 回 路  

133

直 流-直 流 変 換  

203

直 流 回 路 用 フ ィル タ 

162

直流 間接 変換  

203

静 電 誘 導 サ イ リス タ 

13

直流 間接 変換 回路  

138

静 電 誘 導 トラ ン ジ ス タ 

13

直 流機 

144

直 流 送 電 用 サ イ リス タ変 換 装 置179,184

絶 縁 ゲ ー トバ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ   46,72

た行

直 流短絡 事故 

165

直 流直接 変換 回路  

133

直 流定電 圧電 源 

203

ダー リ ン トン形 バ イ ポ ー ラ パ ワ ー トラ ン

直 流電源  

144

ジ ス タ 

直 流電動 機  

220

直 流電動 機 の可逆運 転  

221

タ ー ンオ ン時 間  

43 17,73

タ ー ンオ ン損  

18

直 流電動 機 の可変速 運転  

221

ダ イ オ ー ド 

12

直 列 共 振 逆 変 換 回路  

147

直 列 共 振 形 間 接 変 換 回路  

142

通 勤電車

253

太 陽 光 発 電 シ ス テ ム 

211

太陽 電池  

144

多 象 限 チ ョ ッパ 回 路  

133,137

多 相 チ ョ ッパ 回 路  

137

多 相 多 重 チ ョ ッパ  

134

多相 電力変 換 回路  

110

立 上 り時 間   他励 式  他励 式電 力変換  

73

「209系 」 駆 動 シ ス テ ム 

通 流率  

135

テイ ル時間  

54

デ ィレー テ ング  

80

126

デ バ イ ス 

129

デバ イス転流  

４ 11

定 比 式 サ イ ク ロ コ ン バ ー タ 

124

転流 

10

転 流 イ ン ダ ク タ ンス  

111

転 流 タ ー ン オ フ サ イ リス タ 

73

転 流 タ ー ンオ フ時 間  

22,41

転 流電 圧 

ネ ガ テ ィ ブベ ベ ル  

65

熱 間 圧 延 用 三 相 サ イ ク ロ コ ンバ ー タ 245 熱抵抗  

88,90

燃料電 池  

145

能動領域  

34

128

転 流方 式 

126

電 圧 形 イ ン バ ー タ 

126,130,149

は行

電圧 形 方形 波逆 変換 回路  

149

電 気 自動 車  

259

ハ ー フ ブ リ ッ ジ 形 間 接 変 換 回 路 

電 車 用 直 流 き電 電 源  

202

バ イ ポ ー ラ トラ ン ジ ス タ  

電動 機駆 動 回路  

237

パ タ ー ンニ ン グ  

139

パ ルス周 波数 変 調 

155

パル ス振 幅変 調 

155

パル ス制御  

154

パル ス幅 変調  

155

電 流 オ ン ・オ フ形 間 接 変 換 回路  電 流 共 振 形 間 接 変 換 回 路  電 流 形 イ ンバ ー タ 

139,142

126,130,151

電 流形 方形 波逆 変 換 回路 

151

電 流増 幅率  

33

140 12 ,32 64

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス  

電 力 シ ステム 

213

パ ワ ー デ バ イ ス 

電 力 の制御  

129

パ ワ ー トラ ン ジ ス タ  

電 力 の流れ  

129

半 導 体 デ バ イ ス 

電 力制御  

121

汎 用 三 相400Ｖ,160 

電 力制御 回路  

153

 

電力 変換 回路  

98

２ ４,25 70 ４

kW級

イ ンバ ー タ 241

電力 変換 技術  

９

PLL速

電力 変換 装置  

９

度制 御  

224

pn接 合  

29

Ｐ ゲ ー トサ イ リ ス タ  

36

ドナ ー 

28

ｐ形 シ リ コ ン  

28

トラ イ ア ッ ク  

13

ｐ形 半 導 体  

28

トラ ン ジ ス タ  

１,32,43,70

ピー ク ゲ ー トタ ー ン オ フ電 流 

23

東 海 道 新 幹 線 「の ぞ み 」 駆 動 シ ス テ ム

光 ト リガ サ イ リ ス タ  

13,51,75

 

248

光露 光 技術  

同期電 動機  

234

東 清 水 サ イ リ ス タ周 波 数 変 換 所 

176

同 期電 動機 の可 変速 運転  

235

非循 環電 流 方式  

123

避雷 器 

193

V/f一 定 制 御  

228

プ ッ シ ュ プ ル 形 間 接 変 換 回 路 

139

64

な行 二 次降伏   二 象 限 チ ョ ッパ  

34 137

フ ラ イ バ ッ ク形 間 接 変 換 回 路 

141

無効 電力

フル ブ リ ッ ジ形 間 接 変 換 回 路 

140

無効 電力 補償 装置  

197

 

129

ブレー クオ ーバ電 圧 

17

無 効 電 力 補 償 用 サ イ リ ス タ装 置 

195

不純物 半 導体  

27

無停 電電 源装 置 

206

負荷 転流  

11

負性 半導体  

25

MOSFET 

複 合 デ バ イ ス 

13

モ ジ ュール  

ベ ー ス接 地  

12,44,71,81 92

や行

32

ベ ク トル制 御  

228,233

ベベ ル構造  

山 梨 超 電 導 磁 気 浮 上 リニ ア 実 験 線 駆 動 シ 65

並列 共振 逆変換 回路  

148

並 列 共 振 形 間接 変 換 回 路  

143

変 換 ユ ニ ッ ト 

ス テ ム 

256

誘 導電動 機 

224

余裕 角 

128

四 象 限 チ ョ ッパ  

137

９

ポ ジ テ ィブ ベ ベ ル  

65

保持 電流  

19

方形 波逆 変換 回路  

ら行

149 34

ラ ッ チ ン グ電 流  

19

179

リソグラ フィー  

64

飽和 領域   北 海 道 − 本 州 サ イ リス タ直 流 送 電 設 備  

ま行 巻線 形誘 導電動 機 の可 変速 運転 

228

リ ン ギ ン グ チ ョ ー ク コ ンバ ー タ 

141

力率  

129

力率 の制御   臨界 オ ン電流上 昇率  

156 17,18

〈 著 者 紹 介〉

岸 学

敬二 歴

職

歴

慶 応 義 塾大 学 工 学部 電 気 工学 科 卒 業(1952) 工 学博 士(1969) 東 芝鶴 見工 場 東 芝研 究 開発 セ ンター 次 長 東 芝材 料 本 部材 料 企 画 室長 東 芝 セ ラ ミッ クス株 式 会社 取 締 役 中央 研 究所 長 チ ェ コ共 和 国 プ ラハ 市Czech  Technical University教 授 日本工 業 大 学教 授

理工学講座 パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス の 基 礎 ―新 しいパ ワー デバ イ ス とその応用 ― 1996年11月10日 

2003年5月20日

第 １版 １刷 発 行

著 者

岸 敬二

発行者

学校法人 東 京 電 機 大 学 代 表者 丸 山 孝 一 郎

発行所

東 京 電 機 大 〒101-8457

 第 １版 ３刷 発 行

学 出 版 局

東 京 都 千 代 田 区 神 田 錦 町2-2 振 替 口 座00160-5-71715

印刷 三 美印刷㈱ 製本 渡辺製本㈱

電 話   (03)5280-3433(営

業)

(03)5280-3422(編

集)

〓Kishi  Printed 

Keiji  1996 in Japan

*無 断 で転 載 す る こ とを禁 じます 。 *落 丁 ・乱 丁 本 は お取 替 え い た し ます。 ISBN4-501-10710-3 

C3054

電気工学図書 理工学講座 基礎  電気 ・電子工学

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宮 入 庄 太/磯 部 直吉 監修 前 田明志 他 著 Ａ５判308頁 ２色刷

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電 気 回 路 Ｉ 直 流 回路 ・交 流 回 路

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専 門 教育 研 究 会 編 Ａ５判  198頁

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