パワーエレクトロニクスとは
この記事ではパワーエレクトロニクスについて説明します。パワーエレクトロニクスとは何ですか、何に基づいて、どのような利点があり、どのような展望があるのでしょうか?パワーエレクトロニクスのコンポーネントについて詳しく説明し、それらが何であるか、相互にどのように異なるか、およびこれらのタイプの半導体スイッチがどのような用途に適しているかを簡単に検討してみましょう。日常生活や製造業、日常生活で使われているパワーエレクトロニクス機器の例をご紹介します。
近年、パワーエレクトロニクス機器は省エネにおいて大きな技術進歩を遂げています。パワー半導体デバイスは柔軟な制御性により、効率的な電力変換を可能にします。今日の重量、サイズ、効率の指標により、コンバータはすでに質的に新しいレベルに到達しています。
多くの業界では、最新の半導体ベースで動作し、高い効率を発揮するソフトスターター、スピードコントローラー、無停電電源装置を使用しています。それはすべてパワーエレクトロニクスです。
パワーエレクトロニクスにおける電気エネルギーの流れの制御は、機械式スイッチに代わる半導体スイッチの助けを借りて実行され、必要なアルゴリズムに従って制御して、必要な平均電力と、さまざまな動作体の正確な動作を得ることができます。装置。
そのため、パワー エレクトロニクスは輸送、鉱業、通信分野など多くの産業で使用されており、今日では、設計にパワー エレクトロニクス ユニットが組み込まれていない強力な家庭用電化製品は一つもありません。
パワー エレクトロニクスの基本的な構成要素は、まさにメガヘルツまでのさまざまな速度で回路を開閉できる半導体の主要コンポーネントです。オン状態では、スイッチの抵抗はオームの単位と分数であり、オフ状態ではメグオームです。
キー管理には多くの電力は必要なく、適切に設計されたドライバーを使用すれば、切り替えプロセス中に発生するキーの損失は 1% を超えません。このため、パワーエレクトロニクスの効率は、鉄製変圧器や従来のリレーなどの機械式スイッチの損失の多い場所に比べて高くなります。
パワー エレクトロニクス デバイスは、実効電流が 10 アンペア以上のデバイスです。この場合、主要な半導体素子としては、バイポーラ トランジスタ、電界効果トランジスタ、IGBT トランジスタ、サイリスタ、トライアック、ロックイン サイリスタ、統合制御付きロックイン サイリスタなどが挙げられます。
制御電力が低いため、複数のブロック（スイッチ自体、制御回路、および制御回路）を一度に組み合わせたパワーマイクロ回路を作成することもできます。これらはいわゆるスマート回路です。
これらの電子ビルディング ブロックは、高出力産業設備と家庭用電化製品の両方で使用されます。数メガワットの IH オーブンまたは数キロワットの家庭用蒸し器 - どちらも、単純に異なるワット数で動作するソリッドステート電源スイッチを備えています。
したがって、パワーサイリスタは、1MVAを超える容量のコンバータ、直流電気駆動回路および高電圧交流駆動回路で動作し、無効電力を補償する設備や誘導溶解設備で使用されます。
ロッキング サイリスタはより柔軟に制御され、数百 kVA の容量を持つコンプレッサー、ファン、ポンプの制御に使用され、潜在的なスイッチング電力は 3 MVA を超えます。 IGBTトランジスタ これにより、モータ制御と、多くの静的設備における大電流の連続電源供給とスイッチングの両方のさまざまな目的で、最大 MVA ユニットの容量を持つコンバータの展開が可能になります。
MOSFETは数百kHzの周波数での制御性に優れており、IGBTに比べて応用範囲が大幅に広がります。
トライアックは AC モーターの起動と制御に最適で、最大 50 kHz の周波数で動作でき、IGBT トランジスタよりも制御に必要なエネルギーが少なくて済みます。
現在、IGBT の最大スイッチング電圧は 3500 ボルト、場合によっては 7000 ボルトです。これらのコンポーネントは、今後数年でバイポーラ トランジスタに置き換わる可能性があり、MVA ユニットまでの機器で使用されるでしょう。低電力コンバータの場合は MOSFET が引き続き受け入れられ、3 MVA を超える場合はロックイン サイリスタが受け入れられます。
アナリストの予測によると、将来の半導体のほとんどはモジュール設計となり、2 ～ 6 個の主要な要素が 1 つのパッケージ内に配置されることになります。モジュールを使用すると、モジュールが使用される機器の重量、サイズ、コストを削減できます。
IGBT トランジスタの場合、簡略化された制御方式により、最大 3.5 kV の電圧で最大 2 kA の電流が増加し、最大 70 kHz まで動作周波数が増加します。モジュールには、スイッチと整流器だけでなく、ドライバやアクティブ保護回路も含めることができます。
近年製造されたトランジスタ、ダイオード、サイリスタは、電流、電圧、速度などのパラメータがすでに大幅に向上しており、進歩は止まっていません。
交流から直流への変換を改善するために、制御された整流器が使用され、整流電圧をゼロから公称値までの範囲で滑らかに変化させることができます。
現在、DC 電気駆動励磁システムでは、主に同期モーターにサイリスタが使用されています。ダブル サイリスタ (トライアック) には、接続された 2 つの逆並列サイリスタに対してゲート電極が 1 つだけあるため、制御がさらに容易になります。
逆のプロセスを実行するには、直流電圧から交流電圧への変換が使用されます。 インバータ… 独立した半導体スイッチ インバータは、ネットワークではなく電子回路によって決定される出力周波数、形状、振幅を与えます。インバータはさまざまなタイプの主要な要素に基づいて作成されますが、1 MVA を超える大電力の場合、やはり IGBT トランジスタ インバータがトップになります。
サイリスタとは異なり、IGBT は出力電流と電圧をより広範囲かつ正確に整形します。低電力カーインバータは、動作に電界効果トランジスタを使用しており、最大 3 kW の出力で、動作する高周波パルスコンバータを介して 12 ボルトバッテリの直流をまず直流に変換する優れた仕事をします。 50 kHz ～数百 kHz の周波数で、次に交互に 50 または 60 Hz で。
ある周波数の電流を別の周波数の電流に変換するには、次を使用します。 半導体周波数変換器... 以前は、これはサイリスタのみに基づいて行われており、完全な制御性はありませんでした。サイリスタを強制的にロックするための複雑なスキームを開発する必要がありました。
電界効果 MOSFET や IGBT などのスイッチを使用すると、周波数コンバータの設計と実装が容易になり、将来的には、特に低電力デバイスではサイリスタが廃止され、トランジスタが使用されることが予測されます。
サイリスタは今でも電気駆動装置を逆転させるために使用されています。スイッチングを必要とせずに 2 つの異なる電流方向を提供するには、2 セットのサイリスタ コンバータがあれば十分です。これが、最新の非接触リバーシブルスターターの仕組みです。
私たちの短い記事があなたのお役に立てば幸いです。パワー エレクトロニクスとは何か、パワー エレクトロニクス デバイスにどのようなパワー エレクトロニクス要素が使用されているか、そしてパワー エレクトロニクスが私たちの将来にとっていかに大きな可能性があるかを理解していただけたでしょうか。