はじめに
インバータとは、任意の周波数を出力できる装置である。一般的に、インバータは「交流－直流－交流（AC-DC-AC）」方式で周波数変換を実現する。この中で、電圧・電流センサはインバータにとって重要な「感覚器官」となり、主要なパラメータをリアルタイムで監視・フィードバックし、CPUがそれらを取得・演算したうえで、事前に設定された条件に基づき高精度な制御を行う。また、電圧・電流センサは故障保護や機器保護においても極めて重要な役割を果たしている。本稿では、単相および三相の小容量インバータにおける電圧・電流センサの応用シーンと、デバイス選定戦略について体系的に解説する。
一般に「インバータ」と呼ばれる装置は、整流・平滑化およびパワーエレクトロニクスによる高速スイッチング動作を通じて、商用電源（50Hz交流）を特定の周波数の交流電力に変換するものである。この周波数はユーザーが現場で自由に設定可能であり、主にモーターなどの負荷に供給され、回転速度の制御や省エネルギーを目的としている。
典型的なトポロジーには、サージ保護（雷保護）、整流・平滑化、DC/DC昇圧、DC/ACインバート（逆変換）、波形整形および交流出力といった主要な構成要素が含まれる。
電圧・電流センサはこれらの各段階において重要な機能を果たす可能性があり、その具体的な配置は設計者の目指す目標に依存する。全体的なブロック図は以下のようになる。
電圧・電流センサが果たす主な役割は以下の通りである：
まず、50Hzの交流電源をフルブリッジ整流素子により脈動直流に変換し、その後平滑化コンデンサにより直流電圧をより安定させる。これにより、後段のDC/DC回路が安定した出力を得やすくなる。
整流前にはEMC/EMI対策として、通常サージ保護回路を追加する。
AC-DC段階では絶縁耐圧の観点から、シャント抵抗ではなくホール効果式電流センサの使用が推奨される。具体的には、AN1V／AN3Vシリーズなどのデバイスをサージ保護回路と整流ブリッジの間に配置することが考えられる。
AC-DC整流・平滑化により得られる約220Vの直流電圧を、後段のインバータ回路で必要な約300Vまで昇圧するために、DC/DC昇圧回路が必要となる。この昇圧回路は自身の負帰還ループにより出力を300Vに安定させるため、通常は昇圧後の電圧を別途検出する必要はない。
AC-DC全体の回路構成は以下の通りであり、サージ保護部は2000Vのサージ／EFT試験にも耐えることができる。
MOSFETと比べてIGBTは高価であるため、可能な限りパワー素子を損傷から保護する必要がある。さらに、パワー素子が破損した場合、上下アーム間がショートして火災等の重大事故を引き起こす可能性があるため、+300Vのバスライン上に作動電流を監視するセンサを設置することが望ましい。
初期の設計では、シャント抵抗＋絶縁型オペアンプを用いて電流検出を行うことが一般的であった。これは低圧回路では容易に適用できるが、+300Vのような高電圧回路では絶縁耐圧の問題が生じ、追加の保護回路が必要となる。また、電流容量が大きくなるほどシャント抵抗の体積も大きくなり、実装上の制約が生じる。
このような課題に対し、高精度かつ高速応答（応答時間<1μs、典型値<0.5μs、精度約0.2%）を備えたクローズドループ型ホール電流センサ（例：CMxxシリーズ）の採用が有効である。このセンサを+300Vバスに配置することで、以下の2つの主な機能を果たす：
ただし、クローズドループ型センサの応答時間が0.5μs未満であっても、インバータ出力波形はCPU内部のプログラムによって生成されるため、CPUの処理負荷が大きく、必ずしもセンサの高速応答に追従できない可能性がある。
CPUの動作周波数を上げる、あるいは高性能なCPUにグレードアップすることは一つの解決策だが、さらにピーク値検出回路を追加することを推奨する。このアナログ信号をウィンドウコンパレータでデジタル高低信号に変換し、CPUの割り込み端子に入力することで、高速にIGBT出力を遮断し、保護を実現できる。
ハードウェア回路の応答速度はソフトウェア処理よりも遥かに速いため、この保護信号をMOSFET／IGBTドライバICのイネーブル端子に直接入力することも可能であり、プログラムよりもさらに迅速にスイッチング素子をオフできる。
コスト面を重視する場合は、オープンループ型ホールセンサ（例：ANxx／HSxxシリーズ）も選択肢となるが、その応答時間（<5μs）は保護用途としてはやや遅いことに注意が必要である。
インバータの出力負荷は多くの場合モーターである。モーターの運転安定性を向上させるため、出力側にクローズドループ型ホール電流センサを設置し、出力電流を検出して閉ループ制御を構成することが有効である。
出力側にはCM1Aシリーズなどの高精度・高速応答センサの使用が適している。単相製品では1個、三相製品では通常2個のセンサで十分である。
温度によるドリフト誤差を抑制し、誤動作保護を防ぐため、高精度かつ低温漂（温度係数<50ppm/℃）のクローズドループ型ホールセンサの採用が望ましい。
パッケージング面では、IP67相当の構造設計を採用することで、絶縁耐圧要件の厳しい大電流アプリケーションにも対応できる。
PCB設計面では、一般的に銅箔厚さは0.5ozや1ozが用いられるが、大電流（例：100A）を流すにはより大きな導体断面積が必要となる。これには配線幅を広げる、銅箔厚を増やす（例：2oz、5oz）、あるいは両方を併用する方法がある。しかし、これらは大幅なコスト増につながるだけでなく、100Aクラスの大電流をPCBパターンのみで流すのは信頼性の面で困難である。特に、レジスト（はんだマスク）で覆われた銅箔で発生する熱は放熱が難しくなる。
このような場合、貫通型（スルーホール型）ホール電流センサの採用が低コストかつ効果的な解決策となる。最大10mm²程度の銅線または銅バーをセンサ貫通孔に通すだけで100Aを容易に扱え、PCB上には対応するパッド穴を設けるだけで済む。
電圧・電流センサはインバータにおいて重要な測定素子である。もう一つの重要な測定素子として温度センサがあり、その重要性はエンジニアの間でますます認識されつつある。
近年、インバータのトポロジーは進化を続けており、「交流－交流（AC-AC）」直接変換方式の研究も進行中である。また、炭化ケイ素（SiC）パワー素子の導入やスイッチング周波数のさらなる高速化が進む中で、センサ技術も新たな段階へと進展していくことが期待されている。