Hブリッジ全波整流器設計の初心者ガイド

電力変換は現代生活において不可欠な部分であり、実用上で最も重要なのはACからDCへの変換です。整流器はACをDCに変換するために使用される基本的な回路で、以下のいずれかのカテゴリーに分類されることがあります：

• 半波整流器
• センタータップ付き全波整流器
• ブリッジ整流器

これらの整流器の機能は同じです。つまり、ACからDCへの変換ですが、それぞれが異なる入力構成を使用し、異なる出力を持っています。センタータップ付き整流器とブリッジ整流器は両方とも全波整流器であり（後者は時々「フルブリッジ整流器」と呼ばれます）、半波整流器よりも高い電力変換効率を提供します。センタータップ付き整流器とブリッジ整流器はほぼ同じ目的を果たしますが、前者に使用されるセンタータップ付きトランスは高価なため、特定の理由でトランスのセンタータップが必要でない限り、通常はブリッジ整流器が好まれます。

このガイドでは、単相および三相電力変換のための全波Hブリッジ整流器の設計とシミュレーションを見ていきます。どちらも産業設定で使用され、私の会社がクライアントプロジェクトのために開発した小型制御モジュールを含む他の電子デバイスで広く使用されています。これらをシミュレーションで構築することは、下流回路に高効率で電力を供給できるかを見るために重要です。

フルブリッジ整流器回路の種類

以下に示すのは、基本的なフルブリッジ整流器回路です。この回路は通常、4つのダイオード（D1-D4）を直列ペアで使用し、AC入力の各半周期中に2つのダイオードが順方向バイアスされます。この整流器の4つのダイオードは、閉ループのブリッジ構造に接続されており、この組み立てがその名前の由来です。これは時々、制御されていない整流器と呼ばれ、その理由は後ほどこの記事で示されます。

単相対三相整流器

上記の整流器は、以下に示すようにHブリッジ構成で描かれることがあります。この構成は上記の構成と同じです。また、比較のために三相整流器も以下に示されており、これは4つではなく6つのダイオードを使用し、三相AC接続の各位相で電流の流れを制御するために2つの直列ダイオードを使用します。2種類の整流器の違いは、その波形から明らかであるべきです。三相整流器は単相整流器の1.5倍の周波数で、はるかに低いリップルを提供します。

従来のダイオードは一方向にしか電流を流さず、制御できないため、整流器を「非制御」と呼びます。このため、意図した動作環境で整流器が完全に順方向バイアスされるように、これらの回路で使用するダイオードを適切に選択する必要があります。AC電源に接続する場合、この回路のダイオードが常に順方向バイアスされるように十分な余裕がありますが、低レベルに降圧してから整流を適用する場合は、より懸念されます。このため、通常、まず適度なレベル（12Vまたは24Vの公称ACレベル）に降圧するために変圧器が使用され、その後、信号が整流器を通過します。DC値に平滑化した後、最終的な調整段階が適用され、出力電圧を必要な値に設定します。

制御整流器

このタイプのフルブリッジ整流器は、従来のダイオードの代わりにMOSFET、IGBT、SCRなどの制御された固体部品を使用します。SCRは外部DC電圧の直接適用によって容易に電圧を変えることができるため、一般的に使用されます。このようにして、システムは必要に応じて異なる電圧の電力出力を調整できます。下の画像は、ダイオードをSCRに置き換えることで単相制御ブリッジ整流器を示しています。

通常の単相整流器と同様に、この制御整流器もHブリッジとして描くことができ、結果としての機能は全く同じです。6つのSCR（各相に2つ）を使用して、回路を三相入力に拡張することもできます。

ダイオードの選択

上述したように、両タイプの整流器において、負荷を通る電流は一方向に流れるため、任意の瞬間に順方向バイアスされるダイオードは2つだけです。各半周期において、順方向バイアスされたブリッジセクションの各ダイオードには電圧降下が生じます。シリコンダイオードの場合、順方向バイアスされた2つのダイオードの合計電圧降下は2*0.7 = 1.4Vでなければなりません。変圧器結合ACの低レベルで作業している場合は、順方向バイアス時の電圧降下が低いゲルマニウムまたはショットキーダイオードを使用することを検討するかもしれません。

出力波形

通常、整流器を設定すると、出力に平滑化コンデンサを追加することで直流電圧が設定されます。負荷と並列に接続された平滑化コンデンサは、出力直流波形に重畳されるリップルのレベルを決定します。サイクル中に入力電圧が低下し始める瞬間に、出力に接続されたコンデンサは、抵抗器と並列に放電し始めるため、両者はRC回路を形成します。コンデンサは半サイクルの間に特定のRC時間定数で繰り返し充電および放電します。コンデンサが完全に放電する前に、充電サイクルが始まるため、入力電力が切断されない限り、コンデンサが完全に放電することはありません。

ここでは、この負荷にわたる放電率を決定するためにRC時間定数を使用できます。例えば、10 kOhmの負荷抵抗と50 uFのコンデンサを使用する場合、RC時間定数は500 msです。これは、出力直流電圧のリップルを減らしたい場合は、平滑化コンデンサまたは負荷抵抗（またはその両方）の値を増やす必要があることを意味します。出力波形が純粋な直流ではないにしても、負荷抵抗を増やし、十分に高い平滑化コンデンサを使用すると、出力リップルが非常に小さくなり、簡単には気付かないかもしれません。最終的な調整段階は通常、低電圧用のLDOまたは高電圧用のスイッチングレギュレータになります。

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