インバータとPWM制御

質問

電気電子はまったくの素人なのですが、ワケあって勉強中です。
しかも、突然インバータだの、スイッチング電源だの・・・困りました。

インバータに関して現在理解できていること
「スイッチング素子を用いて、直流を交流にする」ということです。

このスイッチのタイミングをPWMによって変化させる場合、しかも、2つのスイッチを相補PWMを用いて（S1のデューティを変えて交流に変換する。スイッチS1がONのときスイッチS2がOFF。）直流から（単相）交流に変換するインバータの仕組みが良く分かりません。

私のイメージ・・・・
デューティ50%の時、
S1とS2がONの時間は互いに等しく、OFFの時間も互いに等しい。
⇒正負が交互に・・・これで交流完成！？

2つのスイッチのデューティと交流の関係がイメージできません。
ご教授願います。

回答No.1

foobar · ベストアンサー

スイッチがふたつということは、
+E/2
|
S1
|
+---Out
|
S2
|
-E/2

のような構成でしょうか？

スイッチングを比較的ゆっくり（例えば商用周波数の毎秒50回くらい）行う場合と、
スイッチングを非常に速くする場合（毎秒10万回のスイッチングでPWMを行う場合）とで、
分けて考える方がいいかもしれません。

ゆっくり行う場合
ご質問分でかかれているように、比率50%でスイッチングすると、
出力(out)端子には、+E/2と-E/2が交互に表れて、出力は方形波の交流になります。
（三相交流出力の６パルスインバータと呼ばれる類のものがこのタイプ）

非常に速くスイッチングし、PWM制御する場合
このときには、ON/OFF一周期の平均電圧に着目します。
S1がONしている割合をDとすると、出力の平均電圧は(D-0.5)Eになります。（D>0.5で出力電圧は＋、D<0.5で-）
でもって、Dを正弦波状（例えば、D=(sin(wt)+1)/2)にする）に変えると、出力電圧の平均値は正弦波交流になります。
正弦波PWMインバータと呼ばれる類のが、このタイプです。

お礼

ご回答いただき、誠にありがとうございます。
心のもやもやが晴れ、とても気持ちが良いです♪♪

投稿日時：2007.12.12　21:30頃

補足

構成は電源が一つのフルブリッジ型です。直流電源から正弦波を作ることを考えていたので、「正弦波PWMインバータ」というほうだと思います。なんとなく理解が深まりました。この理解が正しいか添削お願いしてもよろしいでしょうか。

【今までの間違ったイメージ】
入力の直流電圧が1(V)だったら出力の交流電圧は-1～+1(V)
デューティは0.0～1.0までだと思うので、出力電圧は+0.5E～-0.5Eということですよね？

【理解できたこと】
◆出力平均電圧が（D-0.5）Eになること。
平均電圧に注目すると、デューティ50%の時に正の電圧と負の電圧が同じ割合で出力されるから、平均は0［V］。そしてこれ(デューティ50%)を基準にするということでね！
◆デューティによって、平均電圧が変化する。
￣：ON，＿：OFF，ON-OFFの合計数4で一周期としたとき、
D=75%：＿|￣￣￣|＿|￣￣￣|⇒+0.25E[V]
D=50%：＿＿|￣￣|＿＿|￣￣|⇒±0[V]
D=25%：＿＿＿|￣|＿＿＿|￣|⇒-0.25E[V]
なるほど！！これを、うまい事変えてあげると、出力電圧が正弦波になりそうですね！！

【これから勉強すること】
◆デューティを正弦波状に与える方法。
PWMでそれを再現するということですよね？
こういうやつ（↓↓）ですか！？どっかで見た気がします。
＿＿＿|￣|＿＿|￣￣|＿|￣￣￣|＿|￣￣￣|＿＿|￣￣|＿＿＿|￣|
理解できたことと、このパルス波形がつながった気がします！！
そして、出力電圧はこういうことですか？
＿＿＿＿ ―――― ￣￣￣￣ ￣￣￣￣ ―――― ＿＿＿＿
(－1/4E　)(　　0 　)(＋1/4E　)(＋1/4E　)(　　0 　)(－1/4E　)
上段：出力電圧の波形（中心"―"を0とする）
下段：出力電圧

デューティのうまい変え方を勉強して、きれいな正弦波の作り方を勉強します。

【ちょっと疑問なこと】
◆結果的に相補PWM？？
S1がON⇒S2がOFF、S1がOFF⇒S2がON。というのは分かるのですが、
これを使う意味が分かりません。というか、2つのスイッチを使った時点で、勝手に相補PWMになるという解釈でよいのですか？片方のスイッチ、たとえば、S1のデューティを考えてPWM制御をすればよいのですよね？
◆別のパルス波形
＿＿＿|￣|＿|￣￣|＿|￣|＿＿＿＿＿＿　　＿　　　＿　　＿＿＿
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|＿|　|＿＿|　|＿|
という波形を目にしたことがあります。
これは、先のものとどう違うかご存知でしょうか？
また、この波形でも同じように交流をつくれるのでしょうか？

なにとぞ、よろしくおねがいいたします。

投稿日時：2007.12.12　21:20 頃

回答No.3

foobar

＃２補足
PWMのキャリア周波数(PWMを行う周波数)が1kHzの場合、正弦波を1/1000[s]でサンプリングしたデータを扱えます。

フルブリッジで０Vを含む出力の出しかた
＃２では簡単に説明するために、ふたつのハーフブリッジで位相差をつけて出力する方法を書きましたが、
実際のインバータでは、いろいろ工夫した（スイッチングの回数と出力のリプルを抑えることができるように、など）スイッチングパターンを使っているようです。

お礼

親切に教えていただき、本当にありがとうございました。
もともと、インバータとは何ぞや？？だった私も、ほんの少しですが、インバータが分かるようになり、楽しささえ覚え始めています。また、このインバータという分野が燃料電池や、電気自動車の分野で非常に重要になってくることも知り、知らなかった世界が見えてきたように感じます。

本当にありがとうございました。

投稿日時：2007.12.15　1:20頃

回答No.2

foobar

＃１に追加補足
＃１で書いたのはハーフブリッジ（フルブリッジの半分の部分）です。
フルブリッジの場合には、残り半分（スイッチなどに’をつけて区別しておきます）が逆（＃１の回路でS1がONしているときには、残りの部分でS1'がOFF,S2'がON）の動作をします。

結果、出力電圧は、+Eから-Eまで変わります。
（ちょうど、＃１で説明したハーフブリッジの2倍の出力電圧になります。
例えば、直流電圧が１Vのとき
D=1だと、左側のハーフブリッジ出力が＋0.5、右側のハーフブリッジでは（D'=0なので、）出力が-0.5、負荷には両方の電圧の差が加わりますので、0.5-(-0.5)=1[V]の電圧が加わります。

D=0.5を基準にして動作
はい、そのとおり。

出力電圧の波形に関して
上で説明した動作
(S1,S2'がON,S2とS1'がOFF)と(S1,S2'がOFF,S2とS1'がON)の繰り返し
のばあい、フルブリッジ回路出力電圧は、＋Eと-Eのどちらかしかとりません。

＿＿＿|￣|＿|￣￣|＿|￣|＿＿＿＿＿＿　　＿　　　＿　　＿＿＿
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|＿|　|＿＿|　|＿|
のように途中に0Vを挟むためには、
(S1,S1'がON,S2とS2'がOFF)か(S1,S1'がOFF,S2とS2'がON)のどちらか（左右のハーフブリッジが同じ電圧E/2もしくは-E/2を出して、結果出力電圧が0）を組み入れる必要があります。
（スイッチ信号生成の考え方にはいくつかあるかと思いますが、
例えば、D=(sin(wt+φ)+1)/2)、D'=(-sin(wt-φ)+1)/2)として、左右のハーフブリッジの(平均)電圧の位相を変えてやる、というのも一案かと思います。）
途中に0Vをはさんでやると、出力に含まれる脈動成分を小さく抑えることができる、というメリットが出てきます。

お礼

ご丁寧にご回答いただき誠にありがとうございます。
さらに理解が深まりました。

後一歩で、知りたいことが分かりそうです！

投稿日時:2007.12.13　20:40頃

補足

正弦波の作り方はおおよそ理解できました。

> D=sin(wt+φ)+1)/2

として、出力電圧が正弦波になることも確認しました。（EXCELで）

ここで、
たとえばPWMの周波数が1kHzだとすると、1/1k[s]で、正弦波交流をサンプリング（サンプリングの逆？復元？）できるということですよね？

投稿日時：2007.12.13　20:40頃