インバーターの内部には、電力を効率的に制御するための多くの電子部品が搭載されています。これらの部品は、電流や電圧の変換を担うパワーデバイスと、電力の平滑化やノイズ除去を行う受動部品の二つのカテゴリーに分類できます。インバーターの性能や効率を向上させるためには、それぞれの部品の特性を理解し、適切に選定することが重要です。本記事では、インバーターで使用される代表的なパワーデバイスと受動部品について解説します。

インバーターで使用するパワーデバイス

パワーデバイスは、電力制御に特化した半導体素子であり、インバーターの中核を担う重要な部品です。電流や電圧を制御し、エネルギー損失を最小限に抑えながら、効率的な電力変換を実現します。

バイポーラトランジスタ

バイポーラトランジスタは、ベースに流れる小電流のオンオフを利用して大電流を制御できるデバイスです。構造がシンプルで、電力変換回路のスイッチング素子として広く利用されてきました。

このデバイスの最大の特徴は、オン抵抗が低く、大電流を流せることです。しかし、スイッチング速度が比較的遅く、動作時の損失が大きいという欠点があります。近年では、高効率化を求めて、スイッチング損失が少ないMOSFETやIGBTが主流になりつつあります。

MOSFET

MOSFETは、ゲートに印加する電圧を制御することで、高速なスイッチングを可能にするデバイスです。スイッチング電源や小型モーター駆動回路など、さまざまな電子機器で広く活用されています。

MOSFETの主な特長として、スイッチング損失が少なく、高周波での動作に適している点が挙げられます。ただし、高電圧や大電流を扱う用途では、オン抵抗が増加し、損失が大きくなるという欠点があります。そのため、高電圧の用途では、IGBTが使用されることが一般的です。

IGBT

IGBTは、バイポーラトランジスタとMOSFETの特性を組み合わせたデバイスです。バイポーラトランジスタの高耐圧、大電流を制御する能力と、MOSFETのゲート駆動の容易さを兼ね備えています。

IGBTは、産業用インバーターや電気自動車のモータードライブなど、高電力用途で広く採用されています。一方で、MOSFETと比較するとスイッチング速度が遅いため、高周波での動作が求められる用途ではMOSFETが選ばれることが多くなっています。

インバーターで使用する受動部品

インバーターの安定した動作には、パワーデバイスだけでなく、電流や電圧を安定化し、不要なノイズを抑制する受動部品も欠かせません。受動部品はエネルギーの蓄積や電源の平滑化、ノイズの除去を担当し、インバーターの信頼性を高める役割を果たします。

リアクトル

リアクトル（インダクタ）は、インバーター回路内で電流の変動を抑制するために使用するコイル状の部品です。交流電流に対する抵抗としての特性を利用し、電流の急激な変化を抑え、インバーターの出力電流を滑らかにします。

また、インバーターの入力側に設置することで、突入電流を抑制し、周辺機器への影響を低減します。特に、高周波スイッチングを伴うインバーターでは、リアクトルが電磁ノイズの抑制にも貢献します。

コンデンサ

コンデンサは、電圧の安定化やノイズ除去を目的とする受動部品です。インバーターでは、電源ラインのリップル電圧の抑制、直流電圧の平滑化やスイッチングノイズの低減などに利用されます。

インバーターに使用されるコンデンサには、アルミ電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどがあり、それぞれ容量や損失、寿命の違いがあります。用途に応じて適切な種類を選定することが重要です。

抵抗

抵抗は、過電流保護や電圧の分圧、ノイズ抑制、電流検出など、さまざまな目的で使用される受動部品です。例えば、回生抵抗はモーターで発生した回生電力を消費し、インバーターを過電圧から保護する役割を担います。

また、シャント抵抗と呼ばれる低い抵抗値の部品を使用し、モーターに流れる電流を検出してインバーターの制御にフィードバックすることもあります。これにより、インバーターの動作を最適化し、安定したモーター制御を実現します。

インバーターはさまざまな電子部品で構成される

インバーターは、パワーデバイスと受動部品を適切に組み合わせることで、高効率で安定した電力変換を実現します。近年では、シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）といった新しいパワーデバイスが登場し、さらなる小型化や高性能化が進んでいます。より効率的で信頼性の高いインバーターを実現するためには、各部品の特性を理解しつつ、適切な部品を選定しましょう。