整流・変換回路 — 整流・平滑・コンバータ・インバータ・PWM

整流・変換回路は AC を DC に変換する整流（Rectification）、DC を別の DC に変換するコンバータ（DC-DC Converter）、DC を AC に変換するインバータ（Inverter）の 3 カテゴリで構成される電力変換技術の中核である。スイッチング素子（ダイオード・MOSFET・IGBT）と受動素子（コンデンサ・インダクタ・トランス）を組み合わせ、高効率な電力変換を実現する。情報カットオフ 〜2025-08、confidence: medium 固定。

ダイオード整流：半波整流と全波整流

**半波整流（Half-Wave Rectification）**は最もシンプルな整流回路であり、ダイオード（tech-344）1 個で構成される。交流の正の半周期のみを通過させ、負の半周期を遮断する。出力はパルス状の脈流（リップルが大きい）であり、電力効率も低い（理論最大 40.5%）。

**全波整流（Full-Wave Rectification）**は交流の正負両方の半周期を利用するため、効率が高く（理論最大 81.1%）リップルも小さい。代表的な構成として次の 2 種がある。

• センタータップ型：トランスの中点（センタータップ）を GND として使用し、ダイオード 2 個で全波整流する。トランスの二次巻線を 2 分割する必要がある。
• ブリッジ整流（ダイオードブリッジ）：ダイオード 4 個をブリッジ状に接続する最も一般的な構成。トランスのセンタータップが不要で、設計の自由度が高い。

交流波形（tech-338）の知識はリップル周波数（50/60 Hz の倍）の理解に直結する。

平滑回路：コンデンサ方式とチョーク方式

整流後の脈流（リップル）を安定した DC に近づけるのが平滑回路である。

**コンデンサ平滑（Capacitor Filter）**は整流出力に大容量コンデンサを並列接続する最もシンプルな方式。コンデンサが電荷を蓄積・放電することでリップルを低減する。軽負荷では効果的だが、重負荷時は充電パルスが大きくなりトランス・ダイオードに大電流ストレスが加わる。

**チョーク入力平滑（LC フィルタ）**はインダクタ（チョークコイル）とコンデンサを組み合わせた LC フィルタ方式。インダクタが電流変化を抑制し、コンデンサが電圧変動を吸収する。コンデンサ単体方式に比べ電流波形が連続的になり、トランス・ダイオードへのストレスが小さい。大電力電源に適している。

スイッチングレギュレータ内蔵平滑：現代の電源では整流後にスイッチング制御を組み合わせることが多く、単純な LC フィルタよりも高い制御精度と効率が実現できる。

DC-DC コンバータ：降圧・昇圧・双方向

DC-DC コンバータは直流電圧を別の直流電圧に変換する回路で、スイッチング素子（MOSFET・IGBT）を高速でオン/オフすることでエネルギーを蓄積・放出する。

降圧型（Buck Converter / Step-Down）：入力電圧より低い出力電圧を得る。MOSFET、インダクタ、ダイオード（または同期整流 MOSFET）、コンデンサで構成される。MOSFET のデューティ比 D（オン時間 / 周期）により出力電圧 Vout = D * Vin が決定される（理想）。スマートフォン充電器・CPU 電源（VRM）に多用される。

昇圧型（Boost Converter / Step-Up）：入力電圧より高い出力電圧を得る。スイッチオン時にインダクタにエネルギーを蓄積し、スイッチオフ時にインダクタのエネルギーとソースを合算して出力する。出力電圧 Vout = Vin / (1 - D) で決定される（理想）。PFC（力率改善回路）・LED ドライバ・バッテリー昇圧に用いられる。

双方向型（Bidirectional Converter）：降圧・昇圧の両方向に電力を変換できる。蓄電池の充放電管理（EV ・家庭用蓄電システム）に不可欠で、回生エネルギーを系統や蓄電池に戻す用途にも使われる。MOSFET を 2 個用いて両方向スイッチングを実現する。

インバータと PWM 制御

**インバータ（Inverter）**は直流（DC）を交流（AC）に変換する回路であり、モータ駆動・太陽光発電パワーコンディショナ・UPS（無停電電源装置）に広く使われる。

インバータの主要な構成要素はスイッチング素子（MOSFET・IGBT）のブリッジ回路であり、素子を適切なタイミングでオン/オフすることで擬似的な AC 波形を合成する。フルブリッジ構成（H ブリッジ）が最も一般的で、上下 2 対のスイッチを組み合わせて正弦波出力を生成する。

**PWM 制御（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）**はインバータ・DC-DC コンバータの出力波形品質を決定する制御手法である。搬送波（三角波・ノコギリ波）と指令波（正弦波など）を比較してスイッチングパルスを生成することで、デューティ比を連続的に変化させて滑らかな出力波形を実現する。

スイッチング周波数を高くするほど出力フィルタを小型化できるが、スイッチング損失（tech-351）が増加するためトレードオフが生じる。

情報カットオフ 〜2025-08、confidence: medium 固定。