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 α2VT

MOSFETの

記 号,構

造,動

(ｃ)

VG>VT, 

VD0゜

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.αem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

理 工学 講座

宮 入 庄 太/磯 部 直吉 監修 前 田明志 他 著 Ａ５判308頁 ２色刷

宇 野 辛 一/磯 部 直 吉 共 著 Ａ５判318頁

改 訂   交 流 回 路

電 気 ・電子技術 全般 を理解 で きるよ うに編集 した。 大学理 工学 部の基礎課程のテ キス トに最適。 ２色刷

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新 テキ ス ト

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電 気 回 路 Ｉ 直 流 回路 ・交 流 回 路

電 気 回 路II 四 端 子 回路 ・波形 応答 ・過渡 現 象

専 門 教育 研 究 会 編 Ａ５判  198頁

専 門 教育 研 究会 編 Ａ５判188頁

電気工学の基礎理論をや さしく,正確 に解説 した 「 新 テ キス ト」シ リー ズの １冊。 回路理論の基 礎につい て,身 につ き使 い こなせ るよ うに解説。

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電 磁 気 学

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