VVVFインバーターについて

VVVFインバーターには、GTO、IGBT、SiCがありますが、IGBTとSiCの違いは何ですか？
また、VVVFインバーターがあるのに対し、VVVFコンバーターが無いのは何故ですか？

No.3 ベストアンサー 回答者： koge-magu 回答日時： 2021/01/28 21:29

こんばんは、電車運転士をしております。

コンバーターだと変圧器になってしまいますよね。
VVVF制御は、可変電圧可変周波数の略ですから、コンバーターでは言葉が足りなくなってしまいます。

＞GTO、IGBT、SiCがありますが、IGBTとSiCの違いは何ですか？

制御素子の違い

GTO→今は製造していない。サイリスタのカソード電極を多数の島に分割し、その周りをゲート電極で囲む構造にすることにより、負のゲート電流を流したときにアノード・カソード間のキャリア電流が引き抜かれやすくなるように改良したもの。

IGBT→IGBTはサイリスタと同様にP-N-P-Nの4層からなる半導体素子でありながら、サイリスタ動作をさせずにMOSゲートで電流を制御できる素子。
大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子。

SiC→制御素子を従来のケイ素→炭化ケイ素に変えたもの。
SiC-MOSFETはSi-IGBTに比べゲート - ソース容量が低くなることからスイッチング損失が低く省電力である。損失が減って発熱が減ることで、回生ブレーキの使える範囲も広くなる。

実際に扱った印象ですが、
GTOは音が大きい。
IGBTは自然な運転フィーリング。
SiCは静かで滑らかながら、架線電圧の変動に弱い印象があります。

No.2 回答者： Bunbuk803 回答日時： 2021/01/28 14:15

＞VVVFインバーターには、GTO、IGBT、SiCがありますが・・・

この質問はふたつの要素を含んでいます。
『VVVFインバーター』と『GTO、IGBT、SiC』です。

まず『GTO、IGBT、SiC』についてです。
インバーターは、交番電流という種類の電流を出力する電源装置です。

交番電流とは、時間が進むにつれてプラスになったりマイナスになったりを交互に変化を繰り返す電流を言います。
代表的なのが正弦波（サイン波）の電流ですが、他にも矩形波など様々な波形のものがあり、どの場合も交番電流とよび、インバーターによってどのような波形の電流になるかは様々です。

今日のインバータは、その『交互に変化』は半導体素子を使って作ります。
古くは『サイリスタ（SCR）』や『トライアック（TRIAC）』という種類の素子が良く使われました。
出力の電流（パワー）が小さい場合は、このほかに『バイポーラ・トランジスタ』や『パワーMOSFET』と呼ばれる素子も使われています。

これらの素子では動作する時にある程度の損失を起こします。
制御する電流の一部が素子を通るときに熱になってしまうんです。
出力（制御）する電流（パワー）が大きければ大きいほど、その熱は大きくなりますが、それだけでなく、素子の種類や製品によっても変わります。

一般に半導体は熱に弱く、その内部のジャンクションとかチャンネルなどと呼ぶ大事な部分が例えば 150 ℃以上になると壊れてしまいます。
それを考慮しつつ大きな電流（パワー）を扱えるようにするため、同じ素子を並列にたくさん並べたりしますが、大型化、コスト増、信頼性低下などの原因になってしまいます。

そこを素子を改良して対応しようとして作られたのが、『ゲート・ターン・オフ・サイリスタ（GTO）』や『絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（IGBT）』、『炭化シリコン素子（SiC）』などです。
それぞれ長所あり短所ありで最適な用途が提案されています。

それを質問のあった IGBT と SiC に限って簡単に紹介しましょう。

相対的に、IGBT は SiC より早く実用化されて普及しました。
SiC に比べて、従来技術が多用でき、素材が安く、大きなものも作りやすく、歩留まりもいい、ので安価に普及しました。
言ってみれば、小さな電流（パワー）にしか使えなかったバイポーラ・トランジスタやパワー MOSFET の欠点を大型化したものです。
サイリスタ（SCR）やトライアック（TRIAC）に比べて、ノイズの少ない高速化をしたり、駆動しやすい、損失が小さい、などの利点も得られるようになりました。

それに対して SiC は、他の素子が単結晶シリコンという素材を使うのに対し、化合物半導体の炭化シリコンという素材を使うのが特徴です。
回路素子としてはパワー MOSFET などの従来のものと同じものとなります。
しかし、SiC を素材として使うといくつかの画期的な利点が得られます。
その体表的なのは、耐熱性が高まる、損失が小さくなる、高電圧に耐えられる、などです。
ただ、欠点がないわけではなく、素材価格が高く、大きな素材が得にくいので量産効果を出しにくく、素材内の欠陥が無視できないために素子の大型化がしにくい、などが知られています。
SiC はまだ発展途上の要素も多いですが、他の素子では得にくい特徴から今後のいい製品の開発に期待が集まっています。

耐熱特性や高電圧化は、電気動力の鉄道動力車や自動車、船舶、電力インフラ機器にとっては、大電流（パワー）への小型・安価な対応という観点では好ましいものです。
そんなところから、現在から今後への流れは、IGBT を使いつつ、SiC も進化すればそれに代わっていくという感じではないかと思います。

＞ VVVFインバーターがあるのに、VVVFコンバーターが無いのは何故？

電力変換の分野で使われるインバータとコンバータという言葉は、意外にいい加減に使われています。
そんななかで安心して理解していただくとしたら、こう考えるのが良いと思います。

インバータ 交番電流を出力するもの
コンバータ 直流を出力するもの

この点から、コンバータは直流出力ですから、出力に関して『周波数』という概念は使われません。
これを頭に置いて VVVF という言葉の意味、『出力』の『電圧を変化できる』ことと『周波数を変化できる』という機能、を考えると、コンバータの機能じゃないことがお分かりいただけるかと思います。

ただし、広義に考えて、VVVFインバータを内部に使い、その出力を直流にする装置を作れば、まず出力が直流なのでコンバータであり、内部に VVVF を使ってるんだから VVVF コンバータはあるということにはなります。
でも、そんなものを使う人が居ないので事実上その言葉はないということです。
この様な用途では、普通は VVVF ではなく、固定周波数の PWM（パルス幅変調）方式が簡単で実用的で技術も素子も完成されていますのでそちらを使いますから。

No.1 回答者： k-841 回答日時： 2021/01/28 10:19

＞IGBTとSiCの違いは何ですか？

簡単に言えば、素子の種類が違います。
どれぐらいのレベルの内容が知りたいのかわかりませんが、それぞれについて少しググればいくらでも情報が出てきます。ちなみにSiCだけだと素材の説明ばかりがヒットしそうなので、SiC-MOSFETで調べた方がより近い情報を得られるでしょう。

＞VVVFインバーターがあるのに対し、VVVFコンバーターが無いのは何故ですか？

コンバータって・・・直流のFは0じゃないですか？VF要素がなければただの整流器（ACアダプタみたいなもの）だと思いますが。もちろん、給電が交流の場合、インバータの前段にコンバータはありますよ。