本ドキュメントはCypress (サイプレス) 製品に関する情報が記載されております。 AN706-00033-1v0-J 32-BIT MICROCONTROLLER MB9B100A/MB9B300A/MB9B400A/MB9B500A series PFC（力率補正） ARM is the registered trademark of ARM Limited in the EU and other countries. Cortex is trademark of ARM Limited in the EU and other countries. AN706-00033-1v0-J 注意事項 本資料の記載内容は、予告なしに変更することがありますので、ご用命の際は営業部門 にご確認ください。 本資料に記載された動作概要や応用回路例は、半導体デバイスの標準的な動作や使い方 を示したもので、実際に使用する機器での動作を保証するものではありません。したが いまして、これらを使用するにあたってはお客様の責任において機器の設計を行ってく ださい。これらの使用に起因する損害などについては、当社はその責任を負いません。 本資料に記載された動作概要・回路図を含む技術情報は、当社もしくは第三者の特許権、 著作権等の知的財産権やその他の権利の使用権または実施権の許諾を意味するものでは ありません。また、これらの使用について、第三者の知的財産権やその他の権利の実施 ができることの保証を行うものではありません。したがって、これらの使用に起因する 第三者の知的財産権やその他の権利の侵害について、当社はその責任を負いません。 本資料に記載された製品は、通常の産業用、一般事務用、パーソナル用、家庭用などの 一般的用途に使用されることを意図して設計・製造されています。極めて高度な安全性 が要求され、仮に当該安全性が確保されない場合、社会的に重大な影響を与えかつ直接 生命・身体に対する重大な危険性を伴う用途（原子力施設における核反応制御、航空機 自動飛行制御、航空交通管制、大量輸送システムにおける運行制御、生命維持のための 医療機器、兵器システムにおけるミサイル発射制御をいう）、ならびに極めて高い信頼 性が要求される用途（海底中継器、宇宙衛星をいう）に使用されるよう設計・製造され たものではありません。したがって、これらの用途にご使用をお考えのお客様は、必ず 事前に営業部門までご相談ください。ご相談なく使用されたことにより発生した損害な どについては、責任を負いかねますのでご了承ください。 半導体デバイスはある確率で故障が発生します。当社半導体デバイスが故障しても、結 果的に人身事故、火災事故、社会的な損害を生じさせないよう、お客様は、装置の冗長 設計、延焼対策設計、過電流防止対策設計、誤動作防止設計などの安全設計をお願いし ます。 本資料に記載された製品を輸出または提供する場合は、外国為替及び外国貿易法および 米国輸出管理関連法規等の規制をご確認の上、必要な手続きをおとりください。 本書に記載されている社名および製品名などの固有名詞は、各社の商標または登録商標 です。 Copyright© 2011 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED all rights reserved 1 AN706-00033-1v0-J 改版履歴 版数 日付 内容 1.0 版 2011.08.24 新規作成 2 AN706-00033-1v0-J 目次 改版履歴 ....................................................................... 2 目次 ........................................................................... 3 1 はじめに ................................................................... 4 2 力率 ....................................................................... 5 2.1 3 PFCの原理 .................................................................. 7 3.1 4 高調波の混入............................................................ 6 PFCの回路構成例......................................................... 7 3.1.1 昇圧型PFC回路....................................................... 7 3.1.2 降圧型PFC回路....................................................... 8 3.1.3 降圧型/昇圧型PFC回路................................................ 8 PFCの実装 .................................................................. 9 4.1 PFCのスマート電力モジュール............................................. 9 4.2 PFCの実装 ............................................................. 11 4.2.1 PFC実装例（ブロック図）............................................ 11 4.2.2 PFCハードウェアインターフェース.................................... 12 4.2.3 PFCソフトウェア演算................................................ 12 4.2.4 PFCソフトウェア演算の実装.......................................... 13 3 AN706-00033-1v0-J 1 はじめに このアプリケーションノートでは、PFC(Power Factor Correction:力率補正)の原理および 使用法について説明します。 4 AN706-00033-1v0-J 2 力率 力率は任意のシステムにより使用される電気量を全皮相電力の形で与えるパラメータです。 力率はエネルギー変換効率を示すパラメータであるため、節電のために特に重要な値です。 PFC の有無による代表的な電流波形を図 2-1 に示します。 U、I 電源電流（AC）の 理想値 位相差θ 電源電圧（AC） PFCによる改善後の 電源電流波形 U、I t 位相差 θ≒0 電源電流（AC） t 電源電流（AC） 図 2-1:PFC あり／なしの場合の波形 主電源から取り入れる電流の改善と直流バス出力電圧のリップル低減が PFC 機能により 可能となります。 PFC の目的は電源に対する負荷を単純な抵抗成分と見なせるようにすることです。これに より、給電システムがより効率よく動作し、エネルギー損失を低減することができます。 力率が低い場合、入力の位相変位, 高調波ひずみまたはその両方が劣化の原因であると推 測されます。 次の理由により、残りの電力はシステム内で無効電力として失われます。 電圧に対する電流の位相シフトで, 結果として変位となる。 電流中に高調波成分が存在し, 結果として歪みとなる。 5 AN706-00033-1v0-J 2.1 高調波の混入 電流高調波は基本波の整数倍である正弦波です。主な電流高調波の発生源は次のとおりです。 パワーエレクトロニクス装置 補助装置 飽和誘電装置 電流高調波により引き起こされる問題は次のとおりです。 制御システムの誤動作 精密電子機器の損傷 回路遮断器および溶断ヒューズの厄介なトリッピング コンデンサ、変圧器、モーター、電球やその他の電気機器の過熱 付近の電子機器との相互干渉 これらの問題を低減するには、主電源から引かれる電流波形の形状を電圧波形の形状と同 様のものにする必要があります。 電力変換器が、主電源電圧に対して線形抵抗として見なせると、入力電流波形の形状が入 力電圧波形の形状に追従させる事が容易となります。 6 AN706-00033-1v0-J 3 PFCの原理 インダクタ、コンデンサ等のリアクタンス受動素子および MOSFET や IGBT 等の能動スイ ッチング素子を備えている電力変換器を線形抵抗成分として扱えるようにする変換器は高周 波リップルを除去可能なフィルタ機構を備えている必要があります。全周波数帯域において 抵抗成分を考慮する必要はありません。 変換器中に存在する基本素子はインダクタとコンデンサになります。これは, その基本特 性により、これらの素子が単一スイッチングサイクル内で電力を蓄えることは不可能である ことを示しています。 アクティブ PFC は入力電流と出力電圧の双方を制御する必要があります。抵抗成分のみが 見えるように、入力電流は整流されたライン電圧で整形されます。出力電圧は、スイッチン グにより電流波形の平均振幅を変化させることにより制御されます。 3.1 3.1.1 PFCの回路構成例 昇圧型 PFC 回路 昇圧型変換器は入力整流電圧よりも高い電圧を発生するので, スイッチ(実際は MOSFET) に Vo の定格電圧を与えます。図 3-1 に昇圧型 PFC の回路を示します。 L D Vi Co Vo 図 3-1: 昇圧型 PFC 回路 図 3-1 のスイッチは一定速度で開閉します。しかしそのデューティは入力電圧とコンデン サの電圧により決まります。入力電圧がコンデンサの電圧よりも高ければ, デューティは小 さくなります。入力電圧がコンデンサの電圧よりも低ければ, デューティはインダクタが放 電できる位充分大きくなります。 7 AN706-00033-1v0-J 3.1.2 降圧型 PFC 回路 降圧型 PFC 回路では, 出力 DC 回路は入力整流電圧よりも小さくなります。スイッチング リップルを抑制するために大きなフィルタが必要であり, その回路により力率が大幅に改善 されます。この場合, スイッチ(MOSFET)の定格は Vi となります。図 3-2 に降圧型 PFC の回 路を示します。 L Vi Co D Vo 図 3-2: 降圧型 PFC 回路 3.1.3 降圧型/昇圧型 PFC 回路 降圧型/昇圧型 PFC 回路では, 出力の直流電圧は入力整流電圧よりも低いか、あるいは高い かのどちらかになります。この回路では高い力率を実現することが可能です。スイッチ (MOSFET)の定格は (Vi + Vo)となります。図 3-3 に降圧型/昇圧型 PFC の回路を示します。 D Vi L Co Vo 図 3-3: 降圧型/昇圧型 PFC 回路 8 AN706-00033-1v0-J 4 4.1 PFCの実装 PFCのスマート電力モジュール FPAB30BH60 はフェアチャイルド社が主に中規模電力アプリケーション、特に空調機をタ ーゲットに開発した PFC 用高性能スマート電力モジュールです。これは最適化された保護回 路と高周波スイッチング IGBT に適合した駆動 IC を組み合わせたものです。システムの信頼 性は電圧低下ロックアウトと過電流保護機能を統合化することによりさらに強化されていま す。 図 4-1: ピン配置 9 AN706-00033-1v0-J ピン番号 1 2,3,4 5 6 7 8 9 10 11,12 13-16 17-20 21,22 23 24 25 26 27 ピン名 Vcc COM IN(R) VFO CFOD CSC R(TH) V(TH) Vg N NR P N.C L PR R S ピンの説明 ICとIGBT駆動のための共通バイアス電圧 共通電源グランド 下側R相IGBT用の信号入力 故障出力 故障出力持続時間選択用のコンデンサ 過電流検出用のコンデンサ（ローパスフィルタ） NTCサーミスタ端子 NTCサーミスタ端子 IGBTゲートのダミー IGBTエミッタ 整流器の負側直流リンク 直流リンクの正側レール 接続せず リアクタ接続ピン 整流器の正側直流リンク R相用のAC入力 S相用のAC入力 図 4-2: ピン機能 NTC サーミスタ 図 4-3: 内部等価回路と入出力ピン FPAB30BH60 データシート: http://www.fairchildsemi.com/pf/FP/FPAB30BH60.html 10 AN706-00033-1v0-J 4.2 PFCの実装 この章では主にハードウェアとソフトウェアの実装について説明します。 4.2.1 PFC 実装例（ブロック図） 図 4-4 に PFC ハードウェアインターフェースを示します。 図 4-4: PFC 実装例（ブロック図） 11 AN706-00033-1v0-J 4.2.2 PFC ハードウェアインターフェース 図 4-5 に PFC ハードウェアインターフェースを示します。 図 4-5: PFC ハードウェアインターフェース 図 4-5 の破線部は FPAB30BH60 に集積化されています。 4.2.3 PFC ソフトウェア演算 ソフトウェアブロックが図 4-6 に示されています。 図 4-6: PFC ソフトウェアブロック Vavr’ : Vavr ( Vac の平均値) × 1／(Vavr×Vavr) PPG の出力は FPAB30BH60 に集積された IGBT のデューティを制御するためのものです。 12 AN706-00033-1v0-J 4.2.4 PFC ソフトウェア演算の実装 このパートは主に関数について説明します。 関数名: Init_PFC 説明: PFC を初期化します。 入力: なし 出力: なし 関数名: PFC_start 説明: PFC 機能を有効にします。 入力: なし 出力: なし 関数名: PFC_stop 説明: PFC 機能を停止します。 入力: なし 出力: なし - 以上 – 13
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