ダイオードで学ぶパワーエレクトロニクスの基本：イチから学ぶパワエレ入門（1）（3/4 ページ）

半導体素子の基本を学びながら、パワーエレクトロニクスの核心に迫っていく本連載。今回は手始めとして、電気と半導体の基本を簡単に説明しつつ、半導体素子の基本であるダイオードを使った電力変換について解説していきましょう。

[山路哲平（日本電子専門学校電気工学科），EDN Japan]

ダイオードによる電力変換

　では、ダイオードは電力制御において、どのように活用できるのでしょうか。基本のおさらいになりますが、電力には図9のように直流と交流があります。

図9：交流（AC）と直流（DC）の電圧波形

　直流は正負の方向が入れ替わらない形で、乾電池や建物の非常用蓄電池で使用されます。一方、時間によって正負の向きが入れ替わる形を交流といいます。交流は直流とは違い、大きさの他に周波数があります。家庭のコンセントに流れる電気など、電力会社から供給される電気の形はこちらです。

　ダイオードを用いることで、コンセントなどの交流を直流に変換できます。このとき用いられる電気回路を「整流回路」といいます。また、整流回路は図10にあるように、「半波整流回路」と「全波整流回路」があります。

図10：半波整流回路と全波整流回路

図11：電気回路における電気の流れ（半波）

　一般家庭のコンセントなどに供給されている「単相交流」を整流した場合の出力波形を確認しましょう。まず、半波整流回路では図11と図12のように、順方向（入力波形の赤い部分）の電圧がかかると、ダイオードが導通し（電気回路の赤い矢印）、出力波形が現れます。一方、逆方向（波形の青い部分）の場合はダイオードが導通しないため（回路の青い矢印）、出力波形が現れません。このように、入力波形の「半分だけ」が出力波形として現れます。

図12：半波整流回路の入力電圧と出力電圧の波形

図13：電気回路における電気の流れ（全波）

　次に、全波整流回路を見てみましょう。全波整流回路ではダイオードが計4つ、入力波形のプラス側とマイナス側でそれぞれ2つ使用されます。いずれも順方向のダイオードが導通するため、入力波形がプラスのときは赤い矢印、マイナスのときは青い矢印の回路が導通しています。図13の出力電圧V_oを通っている矢印の向きを見てください。赤の矢印も青の矢印も同じ方向を向いています。

　次に図14を見てください。全波整流回路では入力のプラス側はそのまま、マイナス側はプラス側に反転して出力として現れ、入力波形の「全て」が利用できているのです。

図14：全波整流回路の入力電圧と出力電圧の波形