電気学会 電子回路研究会 ＇岡山県立大（ 2011年7月1日 新構成AC-DC変換回路の検討 ◎邢 林, 高 虹, 小堀康功＇群馬大学（ 岡本直久, 大島正樹 ＇ニチコン（, 若林和行, 岡田考志, 小野澤昌徳, 小林春夫, 高井伸和, 新津葵一 ＇群馬大学（ Gunma University Kobayashi Lab 1 OUTLINE •研究背景 •新提案１ 昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器 •新提案２ Hブリッジ AC-DC変換器 •まとめ Gunma University Kobayashi Lab 2 OUTLINE •研究背景 •新提案１ 昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器 •新提案２ Hブリッジ AC-DC変換器 •まとめ Gunma University Kobayashi Lab 3 研究背景 AC/DCパワーサプライ 交流 DC入力機器 AC整流 非安定な DCDC 平滑回路 直流 コンバータ Gunma University Kobayashi Lab 安定な直流 4 研究目的 ● 従来AC-DC変換器での問題点： 多段縦続接続回路構成のため - 低変換効率 - 高コスト ● 本研究の目的： ＡＣからＤＣへ直接１段で電圧変換 - 高変換効率 - 低コスト 新AC-DC 変換回路を提案・検討する。 Gunma University Kobayashi Lab 5 研究のアプローチ 整流回路 AC DC DC-DCコンバータ DC DC 多段回路： 低変換効率 回路面積大： 高コスト 従来回路 提案回路 DC-DCコンバータの原理を AC-DCコンバータに応用 AC D 提案回路 C DC １段回路： 高変換効率 回路面積小: 低コスト Gunma University Kobayashi Lab 6 基本的なスイッチング電源 名称 回路構成 L S 降圧型 D S C 入力電圧より高い電圧 を発生 入力電圧の昇圧と降 圧が両方が可能。入力 電圧と出力電圧の方向 が逆です。 D S 昇降圧型 C 入力電圧より低い電圧 を発生 D L 昇圧型 特徴 L C 7 OUTLINE •研究背景 •新提案１ 昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器 •新提案２ Hブリッジ AC-DC変換器 •まとめ Gunma University Kobayashi Lab 8 提案１の構成の原理（１） AC入力電圧からDC出力電圧を生成 V 反転型昇降圧 DC-DC変換回路を 使用 t 非反転型昇降圧 DC-DC変換回路 を使用 Gunma University Kobayashi Lab 9 提案１の構成の原理(2) V t 反転型昇降圧回路で 負の電圧を正の電圧へ Gunma University Kobayashi Lab 10 提案１の構成の原理(３) V 降圧 昇圧 昇圧 降圧 昇圧 昇圧 t 非反転型昇降回路 を使用 反転型昇降圧回路 を使用 Gunma University Kobayashi Lab 11 提案１の構成の原理(４) V0 直流電圧出力 t 低リップルの直流電圧出力が得られる Gunma University Kobayashi Lab 12 提案１ 回路の動作 昇降圧―昇降圧型AC-DCコンバータ （Vin＞０時の電流状態） Vin＜０時の動作電流 Vin＞０ Vin＜０ タイミング・チャート Gunma University Kobayashi Lab 13 パワー部と制御部の回路 ● AC-DC変換回路が 一段で実現 ● AC 100Vrms 入力 で DC 電圧出力 50V, 24V,12V, 5V の いづれも実現可。 ＇シミュレーションで 確認済) ● ドライバー回路の 簡単な変更で 負の直流電圧出力 も可。 Gunma University Kobayashi Lab 14 シミュレーションによる動作確認 ● シミュレーション条件＆結果 ・入力：100Vrms、50Hz 50 V ・PWM信号：100kHz 150 ・出力電圧：Vo=50.00V＇＋40mV（ -50 -150 C 220 uF R 100 Ω R1 9 kΩ R2 1 kΩ Ｌ 220 uH VREF 5.0 V 20 25 30 35 40 45 50 55 time/mSecs 5mSecs/div AC入力電圧 DC入力電圧 Gunma University Kobayashi Lab 15 出力電圧リプル ・出力リプル：5mVpp ＇リプル周波数:200kHz（ Vout / V ● シミュレーション結果 50.063 50.062 50.061 50.06 50.059 23.96 23.97 23.98 23.99 24 24.01 C 220 uF R 100 Ω R1 9 kΩ R2 1 kΩ Ｌ 220 uH VREF 5.0 V time/mSecs 10uSecs/div リプル電圧は十分小さい Gunma University Kobayashi Lab 16 新提案１回路のまとめ ● 一段の回路で AC入力100Vrmsから DC出力電圧 (50V, 24V,12V, 5V等（の変換が 実現できる。 ● リプル電圧は十分小さい。 ● 問題点： 動作状態で、 インダクタL に逆方向に電流が流れる 効率が劣化 上記問題を解決するため ＨブリッジAC-DC変換器を提案する。 Gunma University Kobayashi Lab 17 OUTLINE •研究背景 •新提案１ 昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器 •新提案２ Hブリッジ AC-DC変換器 •まとめ Gunma University Kobayashi Lab 18 提案２の構成の原理（１） AC入力電圧からDC出力電圧を生成 V 反転型昇降圧 DC-DC変換回路 コイル電流が を使用 一方向となるように スイッチを制御 t 非反転型昇降圧 DC-DC変換回路を 使用 Gunma University Kobayashi Lab 19 提案２の構成の原理(2) V t 反転型昇降圧回路で 負の電圧を正の電圧へ コイル電流が 一方向となるように スイッチを制御 Gunma University Kobayashi Lab 20 提案２の構成の原理(３) V 降圧 昇圧 昇圧 降圧 昇圧 昇圧 t 非反転型昇降回路 を使用 反転型昇降圧回路 を使用 コイル電流が 一方向となるように スイッチを制御 Gunma University Kobayashi Lab 21 提案２の構成の原理(4) V0 直流電圧出力 t 低リップルの直流電圧出力が得られる Gunma University Kobayashi Lab 22 提案２の回路の構成と動作 Vin＞０ Vin＜０ 非反転型HブリッジAC-DCコンバータ （Vin＞０時の電流方向） ● 動作モード ・入力信号の正負極性により、制御モードを切換える Vin＜０時の電流方向 ・コイル電流が一方向となるようにスイッチを制御 Gunma University Kobayashi Lab 23 提案２の回路の構成と動作 Vin＞０ Vin＜０ 非反転型HブリッジAC-DCコンバータ 同じ向きのコイル電流 （Vin＞０時の電流方向） ● 動作モード ・入力信号の正負極性により、制御モードを切換える Vin＜０時の電流方向 ・コイル電流が一方向となるようにスイッチを制御 Gunma University Kobayashi Lab 24 参考 提案１ 回路の動作 反対向きのコイル電流 昇降圧―昇降圧型AC-DCコンバータ （Vin＞０時の電流状態） 反対向きのコイル電流 Vin＞０ Vin＜０ タイミング・チャート Vin＜０時の動作電流 Gunma University Kobayashi Lab 25 制御クロック生成 各スイッチデバイス制御クロック生成には AC入力電圧を基準入力とする ＰＬＬ回路等を用いる。 Gunma University Kobayashi Lab 26 電圧変換率の検討 非反転型HブリッジAC-DCコンバータ （Vin＞０時の電流方向） インダクタ電流 Vi＞0：S1,S3=ON時の等価回路 Vi＞0：S2,S5=ON 時の等価回路 Gunma University Kobayashi Lab 27 電圧変換率の理論解析 PWM周波数＞＞入力周波数 、 瞬時出力電圧Vo一定 非反転昇降圧型DC-DCコンバータと同様に次式で表される。出力電圧は一定。 D V0 Vi 1 D D V0 2 Vrms sin( ) 1 D 必要なデューティD： D( ) 1 1 2 M sin( ) ただし M V0 Vrms 半周期の平均デューティD* ： π * D 1 D( )d 0 Gunma University Kobayashi Lab 28 平均デューティと出力電圧（Vrms=100V） Vo(本方式) 通常の 昇降圧型DC-DCコンバータ Vo(従来) 400 350 300 提案AC-DC 構成2 250 200 150 100 50 0 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 同じデューティで本方式の出力電圧Voはやや低い。 本方式は低いＤＣ出力電圧が得やすい ＇大きなメリット（ Gunma University Kobayashi Lab 29 提案２のパワー部と制御部の回路 ● AC-DC変換回路が 一段で実現 ● AC 100Vrms 入力 で DC 電圧出力 50V, 24V,12V, 5V の いづれも実現可。 ＇シミュレーションで 確認済) ● ドライバー回路の 簡単な変更で 負の直流電圧出力 も可。 Gunma University Kobayashi Lab 30 出力電圧波形 5 ms/div ・入力：100Vrms、50Hz V ・PWM信号：100kHz ・出力電圧：Vo=50.00V ＇＋40mV（ C 220 uF R 100 Ω R1 9 kΩ R2 1 kΩ Ｌ 220 uH VREF 5.0 V Output Voltage [V] ● シミュレーション条件＆結果 100 0 -100 20 25 30 35 40 45 50 55 Time [ms] time/mSecs 5mSecs/div AC入力電圧 DC入力電圧 Gunma University Kobayashi Lab 31 出力電圧のリプル ● シミュレーション結果 ・電圧リプル：⊿Vo=3mVpp リプル率：0.02％ リプル電圧は十分小さい ＇提案1より小さい（ Gunma University Kobayashi Lab 32 過渡応答：負荷１0０Ωから50 Ωのシミュレーション ● 過度応答特性 条件＆結果 ＇ダイナミック・ロード・レギュレーション（ ・負荷電流変化 ⊿IL＝0.5A ＇1.0/0.5A（ ＇RL=50/100Ω（ ・出力電圧概要 Gunma University Kobayashi Lab 33 出力電圧5Vと電圧リプル ● シミュレーション条件＆結果 ・従来と同一条件 100 50 V ・出力電圧＝5V 電圧リプル：⊿Vo=2mVpp 0 -50 リプルが小さい -100 50 60 70 80 C R R1 R2 Ｌ VREF 220 uF 100 Ω 9 kΩ 1 kΩ 220 uH 5.0 V VOUT / V time/mSecs 90 100 10mSecs/div 5.03 5.02 5.01 5 4.99 4.98 4.97 4.96 45.4 45.5 45.6 time/mSecs Gunma University Kobayashi Lab 45.7 45.8 100uSecs/div 34 負のDC出力電圧の回路 ドライバーを少し変えれば 負のＤＣ出力電圧も可。 C R R1 R2 Ｌ VREF 220 uF 100 Ω 9 kΩ 1 kΩ 220 uH 5.0 V Gunma University Kobayashi Lab 35 負出力電圧波形と電圧リプル シミュレーション条件＆結果 ・同一条件 ・出力電圧＝負50.00V ・電圧リプル：⊿Vo=3mVpp リプル率：0.02％ C R R1 R2 Ｌ VREF 220 uF 100 Ω 9 kΩ 1 kΩ 220 uH 5.0 V Gunma University Kobayashi Lab 36 OUTLINE •研究背景 •新提案１ 昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器 •新提案２ Hブリッジ AC-DC変換器 •まとめ Gunma University Kobayashi Lab 37 まとめ 直接AC-DC変換を行う新原理の回路を２つ提案した。 ● 回路が一段構成 ● 直流出力電圧50V,24V,12V,5V等が得られる。 ● 電圧変換率が同じデューティで より低い出力電圧Voが得やすい。 ● 負の出力電圧も実現可。 ● リプルが十分小さい ● 負荷変動に対する過渡応答がよい。 高変換効率、低コストのＡC-DC変換器が実現可 Gunma University Kobayashi Lab 38 今後の課題 ● 実デバイスを用いた回路設計 ● 力率の評価と改善 ● 効率の評価と改善 Gunma University Kobayashi Lab 39 ご静聴ありがとうございます Gunma University Kobayashi Lab 40
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