パワーエレクトロニクス講義資料第6回　降圧チョッパ回路（平滑回路）担当：古橋武 [email protected] p.37 出力電圧の制御 vo SW io vSW E vE VE RL vo t Ton TSW (a) スイッチング回路 TSW (b) 出力電圧波形図4.2 スイッチング電源このままでは出力電圧変動が大きすぎる． p.38 Tr 2SA1015 vL [V] i1 i1 [mA] E RB 510 RL vo 400 200 0 トランジスタ駆動回路 (a) スイッチング回路 vo 7 6 5 4 3 2 1 0 i1 t [ms] 0 5 10 Tr：オンオフ (b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形図4.3 スイッチング電源（コンデンサを出力電圧の平滑化に利用） p.38 そこで Tr 2SA1015 vL [V] i1 i1 [mA] E RB 510 C 47µF + RL vo 400 200 0 トランジスタ駆動回路 (a) スイッチング回路 vo 7 6 5 4 3 2 1 0 i1 t [ms] 0 5 10 Tr：オンオフ (b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形図4.3 スイッチング電源（コンデンサを出力電圧の平滑化に利用） p.38 しかし，電圧は変動，突入電流もある Tr 2SA1015 vL [V] i1 i1 [mA] E RB 510 C 47µF + vC RL vo 400 200 0 トランジスタ駆動回路 (a) スイッチング回路 vo 7 6 5 4 3 2 1 0 i1 t [ms] 0 5 10 Tr：オンオフ (b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形図4.3 スイッチング電源（コンデンサを出力電圧の平滑化に利用）電解コンデンサだけでは平滑化できない． p.39 Tr 2SA1015 E 6 [V] RB 510 iL C 47µF トランジスタ駆動回路 (a) 回路図 vo [V] + RL vo 5 iL [mA] 4 3 100 2 50 1 0 0 0 0 vo iL 10 20 30 40 t [µs] Tr：オン　オフ (b) 出力電圧・インダクタ電流図4.4 降圧チョッパ回路 p.39 電圧変動を抑制突入電流も抑制インダクタ Tr 2SA1015 E 6 [V] RB 510 L 400µH D トランジスタ駆動回路 iL C 47µF vo [V] + RL vo 5 iL [mA] 4 3 100 2 50 1 0 0 0 0 環流ダイオード (a) 回路図 vo iL 10 20 30 40 t [µs] Tr：オン　オフ (b) 出力電圧・インダクタ電流図4.4 降圧チョッパ回路 4.3 降圧チョッパ回路の動作原理回路内の抵抗成分 E Tr Re1 p.46 L + vE D C RL vo RL vo (a) トランジスタ・オン Tr Re2 L + D C (b) トランジスタ・オフ図4.13 降圧チョッパ回路の等価回路　4.3 降圧チョッパ回路の動作原理 Re1 Tr ＋ E 電源Eが電流iLON ｰを流している．＋ｰ＋L ｰ iLON vE p.46 ＋＋ D + C ｰｰ RL vo E (a) トランジスタ・オン Tr Re2 インダクタL が電流iLOFFを流している． L ＋ｰｰ＋ｰ＋ iLOFF ＋ｰ D + C RL vo (b) トランジスタ・オフ図4.13 降圧チョッパ回路の等価回路　VE = 6 [V], Vo = 4.1 [V], L = 400 [µH], Re1= 7 [Ω], fSW = 10 [kHz]のとき p.48 i250 L [mA] 200 150 100 50 (a) トランジスタ・オン t [ms] 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 vo [V] 5 4 3 2 1 t [ms] 0 0 (b) トランジスタ・オフ 0.05 0.1 0.15 0.2 Re1 VE = 6 [V], Vo = 4.1 [V], L = 400 [µH], Re1= 7 [Ω], fSW = 10 [kHz]のとき L p.48 i250 L [mA] iLON E 200 Eo V o (a) トランジスタ・オン 150 100 50 t [ms] 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 vo [V] 5 4 Re2 3 L 2 1 iLOFF Eo t [ms] 0 V o (b) トランジスタ・オフ 0 0.05 0.1 0.15 0.2 p.48 i250 L [mA] iL [mA] 200 200 150 150 100 50 100 t [ms] 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 vo [V] 50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 vo [V] 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 t [ms] 0 0 0 t [ms] 0.05 0.1 0.15 0.2 (a) スイッチング周波数　t [ms] 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 (b) fSW = fSW = 図4.15 降圧チョッパ回路のインダクタに流れる電流と出力電圧 p.48 i250 L [mA] iL [mA] 200 200 150 150 100 50 100 t [ms] 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 vo [V] 50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 vo [V] 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 t [ms] 0 0 0 t [ms] 0.05 0.1 0.15 0.2 (a) スイッチング周波数　t [ms] 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 (b) fSW = 50 [kHz] fSW = 10 [kHz] 図4.15 降圧チョッパ回路のインダクタに流れる電流と出力電圧 p.52 iL [mA] 200 150 100 50 t [ms] 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 時間軸を拡大 iL iLON iLOFF t Tr：オン　オフ図4.14 インダクタの両端電圧と電流 p.52 iL [mA] 200 150 100 50 t [ms] 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 時間軸を拡大 iL iLON 直線で近似できる iLOFF Tr：オン　オフ図4.14 インダクタの両端電圧と電流 = t 回路の抵抗成分を無視． p.52 Tr E vL L Eo VE t V o (a) トランジスタ・オン抵抗成分を無視 iL L t Eo V o (b) トランジスタ・オフ図4.14 インダクタの両端電圧と電流 p.52 vL Tr E VE vL L VE - Vo iLON Eo t V Vo o (a) トランジスタ・オン iL iLON iLOFF vL L iLOFF t Eo V o (b) トランジスタ・オフ Tr：オン　オフ図4.14 インダクタの両端電圧と電流 Step4　製作課題　チョークコイルとショットキーバリヤダイオードと電解コンデンサからなる平滑回路を持つ降圧チョッパ回路を製作せよ．回路図も併せて提出してTAのチェックを受けること． L 1.5mH Tr 2SA950 iL RB 6V 510 D vo DCM1 ω + C1 47µF LED1 DCM2 R2 100 LED2 P1A R1 510 VR1 2kΩ vcom PIC12F615 PIC16F615 PIC12HV615 RS 50 vPWM CS 1µF A2 A1 A0 A1 A0 = 10: モータドライブモード A2 = 電圧指令値入力 P1A = 12.5kHzPWM出力, L 1.5mH Tr 2SA950 iL RB 6V D vo 510 + DCM1 ω C1 47µF LED1 DCM2 R2 100 LED2 RS 50 P1A R1 510 PIC12F615 PIC16F615 PIC12HV615 VR1 2kΩ vPWM CS 1µF A2 A1 A0 6 4 4 0 NI Signal Express Tektronix Edition ver1.1.0 25µsec (a) vcom = 0.5 [V] vPWM[V] 5 0 6 4 4 0 vo[V] vPWM[V] 5 0 vo[V] vo[V] vPWM[V] vcom 25µsec (b) vcom = 3 [V] 5 0 6 4 4 0 25µsec (c) vcom = 6 [V] Step4 レポート課題(1)　下図はチョッパ回路のトランジスタ･オン／オフ時の等価回路である．トランジスタTrのスイッチング周波数は回路の抵抗成分を無視できるほどに十分に高いとする．以下の問に答えよ． (a) Trオン／オフ時の回路方程式をそれぞれ求めよ． (b) Trオン開始時t1の電流を I1, Trオフ開始時t2の電流をI2としてそれぞれの微分方程式を解け． (c)  Trオンの終了時の電流が I2に一致するとして， I2 I1 を通流率δとスイッチング周期TSWの式で表せ． (d)  同様に，Trオフの終了時の電流がI1に一致するとして， I2 - I1 を通流率δとスイッチング周期TSWで表せ． (e)  (3), (4)の値が等しいとおいて，出力電圧Voと電源電圧VEと関係を通流率δ を用いて表せ． vL Tr E L iLON VE vL VE - Vo Eo Vo t Vo (a) トランジスタ・オン iL vL L iLOFF iLON I2 iLOFF I1 Eo Vo I1 t2 t1 Tr：オン　オフ (b) トランジスタ・オフ Ton TSW t Step4 レポート課題(2) 降圧チョッパ回路の効率を求めよ．ただし，VE = 6 [V], Re1= Re2= 7 [Ω], 通流率δ=0.8，トランジスタ・オン時のエミッタｰコレクタ間電圧VEB = 0.2 [V], ダイオードのオン電圧VD = 0.4 [V]とする．また，簡単のため，レポート課題(1) の初期電流I1=I2 = 100 [mA] （すなわち，iL = (一定) ）とする．（ヒント） Pin − Ploss × 100 [%] 効率　η = Pin Re1 iL Tr E vE L VEB + D RL vo C (a) トランジスタ・オン iL R e2 Tr VD D L + (b) トランジスタ・オフ C RL vo