パワーエレクトロニクス講義資料第7回　昇圧，昇降圧チョッパ回路担当：古橋武 [email protected] 1 P.64 Tr 2SA950 L 1.5mH vE VE R5 RB 6V vo + D 510 C2 47µF 510 vo LED4 Ton TSW 通流率 vE vo [V] 6 4 2 0 δ = Ton / Tsw vo Vo = δ VE (4.26) 0 ≤ δ ≤1 t [ms] 電源電圧より高い電圧を出せない P.64 Tr 2SA950 L 1.5mH vE VE R5 RB 6V vo + D 510 C2 47µF 510 vo LED4 Ton TSW 通流率 vE vo [V] 6 4 2 0 δ = Ton / Tsw vo Vo = δ VE (4.26) 0 ≤ δ ≤1 t [ms] 電源電圧より高い電圧を出せない P.64 昇圧チョッパ回路 L D Tr 6V RB + R C LED 4 P.64 昇圧チョッパ回路 L Tr vE 6V D RB vo [V] 6 4 2 0 vE C + R vo LED vo 電源電圧より高い電圧を出せる t [ms] 5 P.64 昇圧チョッパ回路 L Tr vE 6V D RB vo [V] 6 4 2 0 vE C + R vo LED vo 電源電圧より高い電圧を出せる t [ms] 6 昇圧チョッパ回路の動作原理 D L E VE P.65 C Tr R Vo LED とする． Trがオフのままでは電源EからコンデンサCへは電流を流せない．トランジスタがオンのとき D L E Tr C R LED Vo 7 昇圧チョッパ回路の動作原理 + E L － VE － D + C Tr ダイオードは逆バイアスによりオフ + R － Vo LED Vo > VE > 0とする． Trがオフのままでは電源EからコンデンサCへは電流を流せない．トランジスタがオンのときコイルに電磁エネルギ(Li2/2)が蓄積される． + L D － iL:増加 E Tr C + R － LED Vo 8 vL P.65 D L iL E VE C Tr R Vo LED vL = L diL dt トランジスタがオフのとき D L E Tr C R LED Vo 9 vL L － + + ダイオードは順方向に電圧がかかりオン D － iL E VE C Tr + R － Vo LED vL = L diL dt トランジスタがオフのとき iL= (減少)であれば vL < 0．このときコイルの電磁エネルギ(Li2/2)が放出される． VE - vL > Vo となる．－ L D + iL:減少 E Tr C + R － LED Vo 10 P.66 PWM (Pulse Width Modulation, パルス幅変調) 制御法 vcom ≥ vtriのときトランジスタ　オン vcom < vtriのときトランジスタ　オフ vtri vcom vcom Vtp (5.3) vtri t t オンオフ　オン　オフ　オンオフオン　オフ　オン　オフ t 図4.23 PWM制御法　t 11 vtri vcom Vtp L E1 D Tr io L C + RB PWM波形生成器 t E1 D Tr io C + RB vPWM = PWM波形生成器 vPWM =　(a) vPWM = ，Tr オン　(b) vPWM = ，Tr オフ　12 昇圧チョッパ回路のトランジスタのベース電流経路　vtri vcom Vtp L iL iB E1 iB D Tr io L C + RB E1 iL D Tr io C + RB iB PWM波形生成器 t vPWM = Vd PWM波形生成器 vPWM =0 iB (a) vPWM = Vd ，Tr オン　(b) vPWM = 0　，Tr オフ　13 昇圧チョッパ回路のトランジスタのベース電流経路　P.69 + - vL + VE - L vL = Tr iL (a) トランジスタ・オン vL = iL TON t TSW 図5.7 インダクタを流れる電流　14 P.69 + - vL + VE - L diL vL = L dt vL = VE Tr iL (a) トランジスタ・オン iL TON t TSW 図5.7 インダクタを流れる電流　15 P.69 - L + + VE - vL iL vL = Vo (b) トランジスタ・オフ vL = iL TON t TSW 図5.7 インダクタを流れる電流　16 - L + + VE - vL iL Vo (b) トランジスタ・オフ iL TON diL vL = L dt vL = VE − Vo t TSW 図5.7 インダクタを流れる電流　17 iL I1 t1 I2 t2 P.69 I1 t VE ΔI L = I 2 − I1 = δTSW (5.6) L VE − Vo ΔI L = I 2 − I1 = − TSW (1 − δ ) (5.7) L 1 Vo = VE 1− δ 0 ≤ δ <1 (5.8) 18 Tr 2SA950 VE P.71 L 1.5mH D C2 47µF + R5 510 Vo LED4 電源電圧より低い電圧を出せる図4.4 降圧チョッパ回路 L VE 電源電圧より高い電圧を出せる D Tr 2SC2120 VE ≥ Vo + C RL Vo 両方の出力電圧範囲をカバーできるチョッパ回路は？ VE ≤ Vo 19 図5.1 昇圧チョッパ回路 P.72 昇降圧チョッパ回路 D Tr VE E RB PWM波形生成器 vo [V] 6 4 2 0 vE L C RL vo 図5.8 昇降圧チョッパ回路 vo t [ms] 20 P.72 昇降圧チョッパ回路 D Tr VE E RB PWM波形生成器 vo [V] 6 4 2 0 vE L C RL vo 図5.8 昇降圧チョッパ回路 vo 電源電圧より低い電圧も，高い電圧も出せる t [ms] 21 P.75 Tr Tr VE iL Vo iL VE (a) トランジスタ・オン Vo (b) トランジスタ・オフ図5.13 昇降圧チョッパ回路の簡略等価回路　iL I2 I1 I1 t2 t1 TON TSW 図5.14 インダクタを流れる電流　t Vo = δ 1− δ 0 ≤ δ <1 VE 22 Step 5 製作課題　昇圧チョッパ回路を設計・製作せよ．イヤフォンプラグを音響機器に接続し，スピーカーから音が聞こえてくることを確認せよ． D L 1.5mH 6V R1 510 C1 47µF VR1 2kΩ PIC12F615 PIC16F615 PIC12HV615 470µ Tr 2SC2120 LEDR1B 510 P1B C1 + R2 510 LED2 RS 50 CS 1µF A2 A1 A0 + 23 絶対やってはいけないこと 6V イヤフォンプラグの線を直接電池につながない． 24 製作課題における指令電圧vcom ，P1B端子の出力電圧vP1B との関係，および，Step4, 5で用いてきたP1A端子の出力電圧vP1A との関係 vtri vcom 6 [V] Vtp t 0 [V] スイッチング周期 Tsw = 80 [µsec] vP1B スイッチング周波数 t fsw = 1/Tsw = 15 [kHz] vP1A t Step5 レポート課題 (1) (a)昇圧チョッパ回路においてトランジスタTrオン時とオフ時のエネルギーの流れを図示せよ． (b)昇降圧チョッパ回路においてトランジスタTrオン時とオフ時のエネルギーの流れを図示せよ．（ヒント）　降圧チョッパ回路におけるエネルギの流れ．トランジスタ，ダイオードもわずかではあるが導通時に損失がある． L Tr VE D Tr オン時 L Tr C + RL VE D + C RL Tr オフ時 26 Step5 レポート課題 (2) 昇圧チョッパ回路において通流率δ=2/3のときの指令電圧vcom，トランジスタ駆動電圧vPWM，ダイオード両端電圧vD ，コイル両端電圧vL ，コイル電流iL，ダイオード電流iD，出力電流ioの各波形を求めよ．ただし，電源電圧VE = 6 [V]，三角波電圧のピーク値Vtp = 3 [v]，出力抵抗RL = 20 [Ω], コイルのインダクタンス La = 400 [µH]，スイッチング周期Tsw = 50 [µs] （スイッチング周波数fsw = 20 [kHz]）とする．ただし，コンデンサC2の静電容量は出力電圧が直流であると見なせるに十分な大きさであり，回路内の損失は無視できるものとする． L D iD Tr1 2SC1815 vE io + C2 RL vo RB PWM波形生成器 27