PFC 回路とAC-DC 変換器

第２回電気学会東京支部
栃木・群馬支所合同研究発表会
2012/2/29
ETG-11-12
PFC 回路とAC-DC 変換器
○村上和貴小堀康功邢林高虹
小野澤昌徳小林春夫高井伸和新津葵一
（群馬大学）
Outline
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研究背景と目的
PFCについて
従来PFC付AC-DC変換器
新提案PFC付AC-DC変換器
シミュレーションによる検討
まとめ
Gunma University Kobayashi Lab.
Outline
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研究背景と目的
PFCについて
従来PFC付AC-DC変換器
新提案PFC付AC-DC変換器
シミュレーションによる検討
まとめ
Gunma University Kobayashi Lab.
研究背景と目的
環境配慮による電源の要求
・小型化・低コスト化
・電力損失の削減
AC-DC変換器の研究に注目
Gunma University Kobayashi Lab.
研究背景と目的
• AC-DC変換器の力率改善回路
{Power Factor Correction（PFC）回路}
⇛高調波抑制(送電網への影響)
PFC回路に使われる乗算器に注目
新PFC回路の提案
Gunma University Kobayashi Lab.
目標仕様
目標仕様
• 入力電圧：AC100V(50Hz),出力電圧：DC24V
• 力率0.95以上(従来PFC回路の力率)
• 出力電圧リプルを⊿±0.24V以下
※リプル：直流成分以外の脈動成分
Gunma University Kobayashi Lab.
Outline
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研究背景と目的
PFCについて
PFC付AC-DC変換器
新提案PFC付AC-DC変換器
シミュレーションによる検討
まとめ
Gunma University Kobayashi Lab.
電源回路の高調波発生原理
Iin
Iin
Vin
Vin
Vo
+
C
コンデンサ入力型整流回路
入力電圧
同一面積
(同一実行値)
-
実際の回路の動作波形(PFCなし)
出力電圧
|Vin|>Voの場合にしか電流が流れない
Vinのピーク値付近の短い期間に流れる
PFCなし
正弦波ではなく高調波が発生
入力電流（I）
Gunma University Kobayashi Lab.
PFC有り
※Vin：入力電圧,Vo：出力電圧
PFC回路動作の有効性
Iin
Iin
Vin
IL
Vin
Vo
+
L
C
コンデンサ入力型整流回路
Vin
Vo
C
Vo
PFC
コンデンサ入力型整流回路PFC付
Vin
Iin
Vo
Iin(平均値)
Iin
動作波形(PFCなし)
動作波形（PFC付）
PFCを付けることで電流が正弦波に近くなり力率が改善される
Gunma University Kobayashi Lab.
Outline
• 研究背景と目的
• PFCについて
• 従来PFC付AC-DC変換器
・動作モード
・乗算器動作
・制御部の動作
• 新提案PFC付AC-DC変換器
• シミュレーションによる検討
• まとめ
Gunma University Kobayashi Lab.
PFCに用いられる動作モードの比較
BCM：
CCM：
Boundary Conduction Mode(臨界モード) Continuous Conduction Mode(連続モード)
IL
IL
0
0
動作モード
BCM
CCM
回路構成
簡単
回路が大きい
ピーク電流
大きい
小さい
回路構成が簡単なBCMに着手
Gunma University Kobayashi Lab.
PFC回路の入力電流とインダクタ電流の関係
Iin
Vin
IL
Vo
L
C
※Vin：エラーアンプ
Iin：入力電流
IL:インダクタ電流
Vo:出力電圧
コンデンサ入力型整流回路PFC付
Vin
IL
Vo
Vin
Iin
Vo
Iin(平均値)
BCM-PFC回路動作波形(入力電流とインダクタ電流)
Gunma University Kobayashi Lab.
AC-DC変換器（従来BCM-PFC制御方法）
Vin
Vin’ IL
Vo
L
SW
VRS
CS
※EA：エラーアンプ
CMP:コンパレータ
CS：ゼロ電流検出
Gunma University Kobayashi Lab.
RS
R
+
CMP
-
乗算器
EA
+
R
R
-
Q
S
C
Vref
VM
R
AC-DC変換器（従来BCM-PFC制御方法）
Vin
Vin’ IL
Vo
L
SW
VRS
CS
RS
R
+
CMP
-
乗算器
EA
+
R
R
-
Q
S
C
Vref
VM
R
・制御に必要なポイント
●出力電圧、●入力電圧（全波整流波形）、●インダクタ電流検出、●スイッチ電流
Gunma University Kobayashi Lab.
BCM-PFC動作
Vin
Vin’ IL
I
Vo
VRS電圧
乗算器出力
L
SW
CS
I
VRS
C
RS
インダクタ電流
T
R
入力電流平均
T
+
P１
CMP
-
乗算器
※EA：エラーアンプ
CMP:コンパレータ
CS：ゼロ電流検出
Gunma University Kobayashi Lab.
EA
+
R
R
-
Q
S
P2
Vref
P１
T
VM
R
P2
全体動作
T
BCMPFC付AC-DC変換器
Vin
Vin’ IL
Vo
L
SW
VRS
CS
RS
R
CMP
-
P１
乗算器
EA
+
+
R
R
-
Q
S
C
Vref
P1信号を出力する制御
Gunma University Kobayashi Lab.
VM
R
制御回路部(コンパレータの出力)
Vo
Vin’ 整流波形
V
VRS電圧●
乗算器出力●
R
+
T
乗算器
Vref
VRS
V
P１
CMP
-
R
-EA
+
VM
電圧
PWM発生回路
EA：エラーアンプ
CMP：コンパレータ
Gunma University Kobayashi Lab.
コンパレータの出力
P１
SRFFへ
T
コンパレータの出力動作波形
AC-DC変換器（BCM-PFC制御方法）
Vin’ IL
Vin
Vo
L
SW
VRS
CS
C
R
RS
P2信号を出力する制御
+
CMP
-
乗算器
EA
+
R
R
-
Q
S
P2
Vref
Gunma University Kobayashi Lab.
VM
R
制御回路部(電流検出)
I
IL
インダクタ電流波形
IL
T
SRFFへ
P2
P2
T
ゼロ電流検出回路
動作波形
※実線：充電、点線：放電
Gunma University Kobayashi Lab.
従来BCM-PFC（動作概要）
Vin
VRS電圧
Vin’ IL
Vo
乗算器出力
L
SW
CS
I
VRS
C
RS
インダクタ電流
T
R
入力電流(平均)
T
P2
R
+
CMP
P１
-
乗算器
EA
+
R
-
Q
S
Vref
P１
T
VM
R
P2
全体動作
Gunma University Kobayashi Lab.
T
従来BCM-PFC（動作概要）
VRS電圧
乗算器出力
乗算器の出力とVRSを比較
I
インダクタ電流
T
電流のピーク値を決めるVRSが正弦波状になる
入力電流(平均)
T
インダクタ電流が正弦波状になる
P１
T
P2
入力電流が正弦波状になる
Gunma University Kobayashi Lab.
全体動作
T
Outline
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研究背景と目的
PFCについて
PFC付AC-DC変換器
新提案PFC付AC-DC変換器
シミュレーションによる検討
まとめ
Gunma University Kobayashi Lab.
新提案PFC付降圧型AC-DC変換器
Vin
SW
IL
Vo
L
R
C
R
CS
R
QN R
※EA：エラーアンプ
CMP:コンパレータ
CS：ゼロ電流検出
Gunma University Kobayashi Lab.
+
CMP
-
疑似乗算器
EA
+
S
-
Q
Vref
VM
R
疑似乗算回路構成
Vo
R
VM
R
-EA
+
+
CMP
-
VDD
ゼロ
電流検出
S QN
R Q
疑似乗算器回路構成
のこぎり波生成器
コンパレータ(CMP)
SRFF
S1
P2
P１
SWへ
疑似乗算回路
Gunma University Kobayashi Lab.
疑似乗算回路動作
V
R
VM
R
-EA
+
+
CMP
-
VDD
のこぎり波
EAの出力
P１
T
P１
S1
T
ゼロ
電流検出
P2
IL
S QN
R Q
T
SWへ
疑似乗算回路
Gunma University Kobayashi Lab.
P2
全体動作
T
疑似乗算回路動作全体動作
R
VM
R
-EA
+
+
エラーアンプの出力を一定として
のこぎり波生成器のパラメータを固定
(電流源とコンデンサ)
CMP
-
VDD
S1
のこぎり波の理論式 V=
ゼロ
電流検出
P2
S QN
R Q
SWへ
AC-DC変換器のオン時間(TON)が一定
疑似乗算回路
V
のこぎり波
𝑖
TOFF
𝐶
EAの出力
コンパレータの比較信号
Gunma University Kobayashi Lab.
※S1のTOFF＝AC-DC変換器のTON
T
疑似乗算回路による動作概要
Vin
ILの傾きが変化
IL
インダクタ電流(IL)波形(拡大)
※実線：充電、点線：放電
インダクタ電流(IL)波形(全体)
■SWのON時間(一定)
インダクタ電流式
V𝑖
ILP= 𝑇ON
𝐿
(Vi=AC100V(50Hz)
※入力電圧により比例
Gunma University Kobayashi Lab.
インダクタ電流が
正弦波状になる
入力電流が
正弦波状になる
Outline
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研究背景と目的
PFCについて
PFC付AC-DC変換器
新提案PFC付AC-DC変換器
シミュレーションによる検討
まとめ
Gunma University Kobayashi Lab.
シミュレーション確認(構成要素)
回路の構成要素
Vin
Vo
Ro
Io
L
C
Vref
AC100V(50Hz)
24V
24Ω
1A
50μH
47mF
6V
目標仕様
・力率0.95以上
・出力電圧リプル⊿±0.24V以下
Gunma University Kobayashi Lab.
(家庭用電源)
(電気機器の電源電圧)
新提案PFC付降圧型AC-DC変換器
Vin
SW
IL
Vo
L
R
C
R
CS
R
QN R
※EA：エラーアンプ
CMP:コンパレータ
CS：ゼロ電流検出
Gunma University Kobayashi Lab.
+
CMP
-
疑似乗算器
EA
+
S
-
Q
Vref
VM
R
入力電圧と出力電圧(波形)
出力電圧
V
入力電圧
Gunma University Kobayashi Lab.
出力電圧(拡大)
V
Vp-p：0.07V
出力電圧波形
出力電圧が設定通り動作できていることを確認
出力電圧のリプルはVp-p：0.07Vであった。
Gunma University Kobayashi Lab.
新提案PFC付降圧型AC-DC変換器
Vin
SW
IL
Vo
L
R
C
R
CS
R
QN R
※EA：エラーアンプ
CMP:コンパレータ
CS：ゼロ電流検出
Gunma University Kobayashi Lab.
+
CMP
-
疑似乗算器
EA
+
S
-
Q
Vref
VM
R
インダクタ電流動作確認(SIM波形)
入力電圧波形
V
I
インダクタ電流
インダクタ電流と入力電圧波形
インダクタ電流の波形を見るとBCMで動作していることが確認できる
Gunma University Kobayashi Lab.
インダクタ電流(SIM波形拡大)
I
インダクタ電流波形
インダクタ電流が0スイッチングしていることが確認できる
Gunma University Kobayashi Lab.
シミュレーション波形(VinとIin)
100
2
Vin(入力電圧)
I 0
V 0
-2
-100
Iin(入力電流)
Vin(入力電圧)とIin(入力電流)の波形
従来と同様の力率0.98を達成
Gunma University Kobayashi Lab.
Outline
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研究背景と目的
PFCについて
PFC付AC-DC変換器
新提案PFC付AC-DC変換器
シミュレーションによる検討
まとめ
Gunma University Kobayashi Lab.
まとめ
まとめ
• 疑似乗算回路を用いた新提案PFC付AC-DC変換器に
ついての提案を行い考案通り動いていることを確認
• 疑似乗算回路を用いることで小型化を達成
• 目標仕様を達成
(力率：0.98,電圧リプル±0.24V以下)
• 現在実装回路による動作確認中
Gunma University Kobayashi Lab.

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