4/28/2022 | Dandeniyage Dasith Rajev De Silva（著）
インバータの仕組みを説明するには、インバータの目的について話すのが適切だと思います。そのためには、AC電源とDC電源の違いを理解する必要があります。
高校で理科の先生が電気の基本的な考え方を教えるとき、たいていは直流（DC）を用いて説明します。DCは、葉っぱを運ぶのと同じ方法でエネルギーのビットを運ぶアリの集団に似ています。このアリが閉じたループでつながっていて、植物から葉を集め、自分の家に届けていると想像してください。これはDC回路をモデル化したもので、植物が電池の役割を果たし、葉やエネルギーを供給し、その家がランプや回路の負荷のような役割を果たし、葉やエネルギーを消費するものです。電池で動く懐中電灯のような簡単な回路の説明には、アリと葉のアナロジーが十分に機能します。しかし、家電製品のような複雑な回路を駆動させることを考えると、このアナロジーは破綻してしまいます。
なぜなら、これらの電化製品に電力を供給する主な電源が交流（AC）に基づいているからです。ACでは、電流は1秒間に50～60回、正負の向きを切り替えています。視覚的には、このようになります。
アリのアナロジーはここで破綻します。前後に方向を変え続けていたら、どうやってアリは葉っぱを家に届けるのか、また実際の回路の場合、どうやって負荷に電力を供給するのでしょうか。つまり、別のアナロジーが必要なのです。そこで、チェーンソーと手のこぎりの比較を紹介します。DCをチェーンソーに例えると、鋭い刃が一方向に移動してエネルギーを供給し、材料を切断して元の出発点に戻り、また同じことを繰り返す閉ループです。それからACを手のこぎりに例えると、鋭い刃が前進と後退を繰り返してエネルギーを供給し、両方向で材料を切断しますが、それぞれの刃は実際にはあまり移動しません。その正味の変位は、実際はゼロなのです。
さて、そろそろインバータの話を始めましょう。その前に、なぜインバータが必要なのかを説明したほうが、インバータの内部構造を知る良いきっかけになると思いますので、お付き合いください。インバータは、DCをACに変換するものです。インバータがよく使われるのは、太陽光発電の出力がDCであるのに対し、主要な家電製品はすべてACを使うためです。インバータのさらに複雑な用途として、ACモータの速度/トルク制御があります。
従来、このようなモータでは、フレミングの右手の法則に従ってワイヤに電流を流すと、ワイヤに力が加わり、一方向（例えば時計回り）に回転するようになっています。しかし、回転の頂点に達したとき、その力は真上を向いており、回転を続けることはできません。そこで、力を下向きにする必要があります。これは、電流の向きを反転させることで実現します。従来のDCブラシ付きモータでは、スプリットリング整流子と呼ばれるものを使ってこれを実現します。なぜそれを覚えているかというと、高校時代のカッコいい言葉で知っていたのはベイブレード以外ではスプリットリングだったからです。スプリットリング整流子は、基本的に電流の方向を反転させる物理的なスイッチです。さあ、ここでインバータの出番です。インバータは、このスイッチを再現するのが仕事ですが、実際の可動部品はありません。
インバータのしくみ
説明のために、DC電源でAC負荷（ランプやモータ）を動かそうとする非常に単純な回路を例に挙げます。DC電源ではAC負荷は動作しないので、これは不可能です。それで、この例ではDCをACに変換するために、4つのスイッチを使用します。
これらはペアになっているので、スイッチaとdが閉じるとスイッチbとcが一緒に開くようになっています。そのため、スイッチbとcが開いていてスイッチaとdが閉じていると、負荷の左側に電流が流れます。同様に、スイッチaとdが開いていてスイッチbとcが閉じていると、負荷の右側にのみ電流が流れます。
そのため、電源はDCですが、負荷にはACの電源が供給されることになります。
上記の例は非常に単純なインバータですが、スイッチング速度と正弦波出力が得られないという2つの理由から、商用としては単純すぎるものです。
スイッチング速度を固定する
ほとんどの家電製品では50～60HzのAC電源が必要であり、人間がそのスピードですべてのスイッチをクリックすることは不可能です。ダイオード、IGBT、MOSFETなどの電子部品を使って、この非常識なスイッチング速度を実現しています。
滑らかな正弦波出力に修正する
このインバータの出力は正弦波ではなく、急激なスイッチングによる矩形波になります。 これは、電気部品にダメージを与える可能性があるため好ましくなく、そのため、この鋭い信号をより滑らかな正弦波に成形する必要があります。これを実現するための技術が「パルス幅変調（PWM）」です。
パルス幅変調（PWM）
SEGUE ALERT（セグエアラート）：
このインバータの出力はデジタルであり、オンとオフの2つのポジションしかありません。そのため、矩形波が出力されます。一方、ほとんどの電気部品はアナログ信号を使用しており、オン、オフ、またはその間の任意の値で動作しています。そのため、アナログデバイスにデジタル信号を加えると、デバイスが意図したとおりに動作しなくなり、時には電子機器に望ましくない影響を与えることがあります。
SEGUE OVER（セグエオーバー）：
PWMは、デジタル信号でアナログ変調信号の出力を模倣するために用いられる技術です。要するに、PWMは制御された電圧のパルスを出力することでアナログ出力を模倣することができます。
PWM制御のアナログデバイスは、入力パルスの平均値を体感することになります。この理論は、平均電圧を一定に保つDC、または時間の経過とともに電圧を変化させるACに利用することができます。どのように行うのでしょうか？入力波形のデューティサイクルと周波数を変化させることによって行います。入力信号がハイのときをオンタイム、逆にローのときをオフタイムといいます。デューティサイクルのパーセンテージは、信号が周期の何パーセントをオンにしているかを示すものです。例えば、ある信号が周期の半分をオン、残りの半分をオフにしている場合、その信号のデューティサイクルは50%であり、非常にきれいに見えます。
入力波形のデューティサイクルを変化させることで、出力を正弦波のように変調することができます。
この場合、赤い線はアナログデバイスが体験する波であり、任意の時間における青いパルスの平均値です。この「瞬時平均」という考え方は、ダイナミックな変化が起きているということを意味しています。この場合、つぎの2つのうちの1つを行うことにより、アナログデバイスが見る信号を変えることができます。1つはデューティサイクルを増やすことと、もう1つは周波数を高くすることです。これらはアナログデバイスが見る平均電圧を大きくするという点で同じことをすることになります。変化しないパラメータは、入力の最大電圧です。
では、インバータとの関連はどうなっているのでしょうか。インバータは方形波を出力しているので、その周波数とデューティサイクルを変えれば、どんなアナログ信号でも模倣することができます。
インバータの種類
現実世界の常として、デバイスの理想モデルに合わせようとすると高くつくので、2種類のインバータが存在するようになりました。純正弦波インバータ（PSW）と擬似正弦波インバータ（MSW）です。1つ目のタイプは完全なインバータに近く、トロイダル（ドーナツ型）トランスを使ってDC信号を非常に滑らかな交流に変換します。MSWは、サイリスタやダイオードなどの安価な部品を使って、「階段状の」方形波を作るため、製造コストが安くなります。この種のインバータは、大型の電子機器では安全に使用できる場合もありますが、繊細な電子機器、特にノートパソコンやスマートフォンのようなマイクロコントローラを搭載した機器には非常に容易にダメージを与えたり、破壊する可能性さえあります。
インバータはどのようなものですか？
インバータはかなり大型になることが多く、特に系統に依存せずに動作させるためにバッテリを内蔵している場合はなおさらです。さらに、発熱量が多く、ヒートシンクのような受動的な放熱部品が巨大化し、時には冷却ファンなどの能動的な冷却方法を採用しなければならないこともあります。
他の部品と同様に、インバータもさまざまな電力要件を満たすものを購入でき、サイズや全体的な設置面積も変化します。しかし、安全のために、インバータは通常、負荷が必要とすると予想される最大電力よりも約25%高い定格電力を持つように購入します。これは、家電製品の中には、短時間の起動電力が非常に大きいものがあるためです。しかし、これらの家庭用インバータは、ピーク電力で連続的に動作するように設計されているものはほとんどありません。
本稿はインバータやPWMを網羅的に説明しているわけではありませんが、インバータとは何か、実世界で機能するための基礎理論について、ハイレベルな入門書として役立てていただければと思います。