令和6年度第三種電気主任技術者上期試験 機械科目 問161 解説 問16(a) 令和6年度第三種電気主任技術者上期試験 機械科目 大問16(a)
問16(a) 図1は，IGBTを用いた単相ブリッジ接続の電圧形インバータを示す。直流電圧 $E_{\mathrm{d}}$ [V]は，一定値と見なせる。出力端子には，インダクタンス $L$ [H]で抵抗値 $R$ [$\Omega$]の誘導性負荷が接続されている。この電圧形インバータの出力電圧 $v_0$，出力電流 $i_0$ が図2のようになった。インバータの動作モードを図2に示す①〜④として本モードは周期 $T$ [s]で繰り返されるものとする。なお，上下スイッチの短絡を防ぐデッドタイムは考慮しない。 (a) 図2に示した区間①〜④において電流が流れているデバイスの組合せとして正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
- ①: $\text{D}_2-\text{D}_3$, ②: $\text{Q}_2-\text{Q}_3$, ③: $\text{D}_1-\text{D}_4$, ④: $\text{Q}_1-\text{Q}_4$
- ①: $\text{Q}_2-\text{Q}_3$, ②: $\text{Q}_2-\text{Q}_3$, ③: $\text{Q}_1-\text{Q}_4$, ④: $\text{Q}_1-\text{Q}_4$
- ①: $\text{Q}_1-\text{Q}_4$, ②: $\text{Q}_1-\text{Q}_4$, ③: $\text{Q}_2-\text{Q}_3$, ④: $\text{Q}_2-\text{Q}_3$
- ①: $\text{Q}_1-\text{D}_3$, ②: $\text{Q}_1-\text{Q}_4$, ③: $\text{Q}_2-\text{D}_4$, ④: $\text{Q}_2-\text{Q}_3$
- ①: $\text{D}_1-\text{D}_4$, ②: $\text{Q}_1-\text{Q}_4$, ③: $\text{D}_2-\text{D}_3$, ④: $\text{Q}_2-\text{Q}_3$ ✓ 正答
解説
区間①では、出力電圧が正である一方で出力電流が負から正へ向かって流れるため、還流ダイオードD1およびD4が導通し、その後、電流の極性が正になった時点でスイッチQ1およびQ4へ転流します。
インバータの動作とデバイスの役割
電圧形インバータにおいて、スイッチング素子（IGBT：Q1～Q4）と還流ダイオード（D1～D4）は、負荷の性質と出力電圧の極性に応じて役割を分担します。負荷がインダクタンスを含む誘導性負荷である場合、出力電流 は出力電圧 に対して位相が遅れます。
このとき、出力電圧と出力電流の向きが一致する区間では、電源から負荷へ電力が供給されるため、スイッチ（Q）が導通します。一方で、負荷に蓄えられたエネルギーが電源側に回生される区間や、電流の向きが反転する過程では、還流ダイオード（D）が導通して電流の通路を確保します。これは、インダクタンスに蓄えられた電磁エネルギーが、電流を維持しようとする性質（レンツの法則）によるものです。
デバイスの導通条件の判断
図2の波形に基づき、各区間での導通デバイスを特定します。
区間①：出力電圧 は正ですが、出力電流 は負からスタートし、途中でゼロを通過して正になります。電流が負のときは電源へ回生する向きであるためダイオードD1とD4が働き、電流が正に転じるとスイッチQ1とQ4が導通します。したがって、この期間に流れているデバイスはD1-D4からQ1-Q4へと移り変わります。
区間②：出力電圧 は正であり、出力電流 も正です。この区間は電源から負荷へ電流が流れるため、スイッチQ1およびQ4が導通し続けます。
区間③：出力電圧 は負に反転しますが、出力電流 は正の値を維持しています。電流の向きが電圧の極性と逆転しているため、誘導性負荷のエネルギー回生が起こり、ダイオードD2およびD3が導通します。
区間④：出力電圧 が負の状態で、出力電流 も負の領域になります。電圧と電流の極性が一致するため、スイッチQ2およびQ3が導通して負荷へ電流を供給します。
図2の電圧波形がプラスからマイナスへと切り替わる瞬間と、電流波形がゼロを横切るタイミングを重ねてみると、ダイオードからスイッチへ、あるいはスイッチからダイオードへと電流の経路が移り変わる様子が見えてきます。
参考リンク
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