次世代パワーエレクトロニクスSIP記者勉強会／SIPパワーエレクトロニクス 内閣府106会見室, 2018.5.11 1 1.パワーエレクトロニクスとは 2.研究開発の全体像と出口戦略
パワーエレクトロニクス講義資料 第5回 降圧チョッパ回路 担当： … ·...
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io SW
vSW
高効率化の方策
(4.5) 0
0
=
=
=
oSWSW
o
ivPi
SW オフ
io SW
vSW (4.4) 0
0
=
=
=
oSWSW
SW
ivPvSW オン
損失ゼロ 2
p.37
図4.2 スイッチング電源
RL
io vo
VE
Ton
TSW TSW
t E
(b) 出力電圧波形 (a) スイッチング回路
vE
SW
vSW
vo
出力電圧の制御
== ∫ dtVT
v onTE
SWo 0
1
TSW: スイッチング周期 3
p.37
図4.2 スイッチング電源
RL
io vo
VE
Ton
TSW TSW
t E
(b) 出力電圧波形 (a) スイッチング回路
vE
SW
vSW
vo
出力電圧の制御
(4.6) 10 E
SW
onTE
SWo V
TTdtV
Tv on == ∫
TSW: スイッチング周期 4
p.37
図4.9 トランジスタの電圧・電流 の向きの定義
vCE
vBE
iC
iB
vCE
vBE
iC
iB
(b) PNP型トランジスタ (a) NPN型トランジスタ
BE
C
BE
C
トランジスタ → スイッチとして利用
5
p.42
トランジスタ (左：2SC2120(NPN型) 右：2SA950(PNP型))
E C B E C B
VCE
VBE
IC
IB
図4.10 PNP型トランジスタの電源接続方向
6
p.43
A級増幅回路などでの使用領域
IC [mA]
VCE [V]
IC [mA]
VCE [V]
コレクタ- エミッタ電圧
コレクタ電流
VCE
VBE
IC
IB
A級増幅回路などでの使用領域
7
p.43
図4.10 PNP型トランジスタの電源接続方向
8
トランジスタをスイッチとして使用する領域 p.43
VCE
VBE
IC
IB
図4.10 PNP型トランジスタの電源接続方向
IC [mA]
VCE [V]
コレクタ- エミッタ電圧
コレクタ電流
9
トランジスタをスイッチとして使用する領域 p.43
VCE
VBE
IC
IB
図4.10 PNP型トランジスタの電源接続方向
スイッチオン
スイッチオフ
(a) スイッチング回路
RL
Tr 2SA950
510 RB
トランジスタ駆動回路
E vo
vo
VE
Ton
TSW TSW
t
(b) 出力電圧波形
10
どのようにTrをオン，オフすればよいか
p.37
図4.23 PWM制御法
t
t
vtri
vcom
オン オフ オン オフ オン
トランジスタ オフのとき
トランジスタ オンのとき
tricom
tricom
vvvv
<
≥
PWM (Pulse Width Modulation, パルス幅変調) 制御法
11
p.55
図4.23 PWM制御法
t
t
vtri
vcom
オン オフ オン オフ オン
トランジスタ オフのとき
トランジスタ オンのとき
tricom
tricom
vvvv
<
≥
PWM (Pulse Width Modulation, パルス幅変調) 制御法
12
p.55
図4.23 PWM制御法
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
トランジスタ オフのとき
トランジスタ オンのとき
tricom
tricom
vvvv
<
≥
PWM (Pulse Width Modulation, パルス幅変調) 制御法
13
p.55
t
t
vtri vcom
オフ オン オフ オン オフ
図4.22 PWM制御法
トランジスタ オフのとき
トランジスタ オンのとき
tricom
tricom
vvvv
<
≥
PWM (Pulse Width Modulation, パルス幅変調) 制御法
t
t
vtri vcom
オフ オン オフ オン オフ
14
p.55
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
vo
vPWM
vPWM = [V]
15
トランジスタの駆動法
-iB RB
Tr 2SA950
6V RL
トランジスタ駆動回路
t
vEB E
B
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
vo
vPWM
16
RB
Tr 2SA950
6V RL
トランジスタ駆動回路
t
vEB
-iB
E
B
トランジスタの駆動法(Tr：オン）
vPWM = 0 [V]
トランジスタの駆動法(Tr：オン）
17
RB 6V
vEB= [V]
-iB
vPWM = 0 [V]のとき 2SA950のようなPNPトランジスタはエミッタ･ベース間を図のようなダイオードでモデル化できる．
E
B
VE
ベース･エミッタ等価回路
トランジスタの駆動法(Tr：オン）
18
RB 6V
vEB= 0.7 [V]
-iB
vPWM = 0 [V]のとき
ベース･エミッタ等価回路
E
B
[mA] 6
7.06
−<
−=
−=−
B
B
B
EBEB
iR
RvVi
VE
2SA950のようなPNPトランジスタはエミッタ･ベース間を図のようなダイオードでモデル化できる．
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
vo
vPWM
19
RB
Tr 2SA950
6V RL
トランジスタ駆動回路
t
vEB
-iB
E
B
トランジスタの駆動法(Tr：オン）
vPWM = 0 [V]
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
vo
vPWM
]V[ 6≈ov
20
io
RB
Tr 2SA950
6V RL
トランジスタ駆動回路
t
vEB
-iB
vPWM = 0 [V]
トランジスタの駆動法(Tr：オン）
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
vo
vPWM
vPWM = [V]
21
トランジスタの駆動法
-iB
Tr 2SA950
6V RL
トランジスタ駆動回路
t
RB
vEB
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
vo
vPWM
vPWM = 6 [V]
22
-iB
Tr 2SA950
6V RL
トランジスタ駆動回路
t
RB
vEB
トランジスタの駆動法(Tr：オフ）
23
RB 6V
vEB= [V]
-iB
vPWM = 6 [V]のとき
E
B
ベース･エミッタ等価回路
vPWM 6 [V]
VE
トランジスタの駆動法(Tr：オフ）
24
RB 6V
vEB= 0 [V]
-iB
vPWM = 6 [V]のとき
E
B
ベース･エミッタ等価回路
vPWM 6 [V]
VE
トランジスタの駆動法(Tr：オフ）
[mA] 0
[mA] 0606
=
=−−
=
−−=−
B
B
B
PWMBEEB
iR
RvvVi
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
vo
vPWM
vPWM = 6 [V]
25
-iB
Tr 2SA950
6V RL
トランジスタ駆動回路
t
RB
vEB
トランジスタの駆動法(Tr：オフ）
t
t
vtri vcom
オン オフ オン オフ オン
Vtp
vo
vPWM
vPWM = 6 [V]
]V[ 0 =ov
26
-iB
io = 0 [A]
Tr 2SA950
6V RL
トランジスタ駆動回路
t
RB
vEB
トランジスタの駆動法(Tr：オフ）
Step3 製作課題 降圧チョッパ回路を製作せよ．ベース抵抗RBの値を，ベース電流 IB < -6 [mA]となるように，設計せよ．
27
A1 A0 = 01: PWM制御可視化モード A2 = 電圧指令値入力 P1A = 0.5HzPWM出力
Tr 2SA950
RB
vPWM
vo
LED1
VR1 2kΩ
6V
vcom
R2
LED2
（A1 A0 = 01）
PIC16F615 PIC12F615 PIC12HV615
A2 A1 A0 1µF CS
510 R1
510 IB < -6 [mA] LED (LED1) のオ
ン電圧は約1.7[V] である．
50 RS
P1A
Step3 レポート課題(1) トランジスタのオン期間Tonとスイッチング周期Tswの比を通流率δという．三角波の電圧vtriと指令電圧vcomおよびチョッパ回路の出力電圧voが図に示す関係にあるとき，以下を求めよ．ただし，三角波のピーク値をVtp, トランジスタオン時のチョッパ回路の出力電圧をVEとする． (a) 通流率δとvcomの関係 (b) 出力電圧の平均値Vo とvcomの関係 いずれの解答も導出の過程を記せ．
VE
Ton
TSW
SW
on
TT
=δδ：通流率 Ton: トランジスタのオン期間 TSW: スイッチング周期
t
t
vtri vcom
Vtp
vo
iLOFF
(a) スイッチ・オン
(b) スイッチ・オフ
L
L Tr
iLON
Eo
E
Re2
Eo
Vo
Re1
VE Vo
Step3 レポート課題(2) 図4.16は降圧チョッパ回路においてトランジスタをスイッチとみなし，スイッチ・オン時とスイッチ・オフ時の等価回路を示す．電源Eの電圧VE，出力側の等価電源Eoの電圧をVo，インダクタンスをL，スイッチ・オン時の等価抵抗をRe1，オフ時の等価抵抗をRe2とする．また，スイッチ・オン時のスイッチの抵抗はゼロ，ダイオードDのオン電圧も0 [V]とする．以下の問いに答えよ． (a) スイッチ・オン時の回路方程式を示し，時刻t = 0 にて電流iLON = 0 としてこの微分方程式を解け． (b) スイッチ・オフ時の回路方程式を示し，時刻t = 0 にて電流iLOFF = i(0) としてこの微分方程式を解け． (c) スイッチング周期Tsw = 100[µs]，通流率δ = 0.5，VE = 6 [V], Vo = 3 [V], Re1 = Re2 = 10 [Ω], L = 400 [µH]のときのiLON, iLOFFの波形の概形は右下の図となる．この設定において通流率δ = 0.8としたときのiLON, iLOFFの波形の概形を最初の1周期について描け． (d) (c)の設定においてδ = 0.8 , Tsw = 4 [µs]としたときのiLON, iLOFFの波形の概形を最初の1周期について描け．
29
iLOFF iLON
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0 0.05 0.1
図4.16 降圧チョッパ回路の簡略等価回路
t [ms]
![furuhashi@cse.nagoya-u.ac図8.1 降圧チョッパによるDCモータ の回転数制御回路 図8.2 モータの回転数制御と電機子電流 1 2 3 2 4 6 0 0 v ω t [s] v ωcom](https://static.fdocuments.net/doc/165x107/61274acdcd707f40c43ddbc8/furuhashicsenagoya-uac-81-eoefffffdcff-ee.jpg)
