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： … · 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：古橋武
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...
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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
このままでは出力電圧変動が大きすぎる．
p.37
RL
Tr 2SA1015
510 RB
i1
トランジスタ駆動回路
vo
i1
vL [V]
0
200
400
5 10 t [ms]
1 2 3 4 5 6 7
i1 [mA]
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）
(b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形 (a) スイッチング回路
E
Tr：オン オフ
0 0
vo
p.38
+ RL C
47µF
Tr 2SA1015
510 RB
i1
トランジスタ駆動回路
vo
i1
vL [V]
0
200
400
5 10 t [ms]
1 2 3 4 5 6 7
i1 [mA]
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）
(b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形 (a) スイッチング回路
E
Tr：オン オフ
0 0
vo
そこで
p.38
+ RL vC
C 47µF
Tr 2SA1015
510 RB
i1
トランジスタ駆動回路
vo
i1
vL [V]
0
200
400
5 10 t [ms]
1 2 3 4 5 6 7
i1 [mA]
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）
(b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形 (a) スイッチング回路
E
Tr：オン オフ
0 0
vo
電解コンデンサだけでは平滑化できない．
しかし，電圧は変動， 突入電流もある
p.38
図4.4 降圧チョッパ回路
E 6 [V]
+ RL C
47µF
Tr 2SA1015
vo
iL
(a) 回路図 (b) 出力電圧・インダクタ電流
50 100
10 20 30 0 0
1 2 3 4 5
0 0
vo [V]
iL [mA]
t [µs] 40
vo
iL
Tr：オン オフ
510 RB
トランジスタ駆動回路
p.39
図4.4 降圧チョッパ回路
L 400µH
E 6 [V]
インダクタ
+ RL C
47µF
Tr 2SA1015
D
環流ダイオード
vo
iL
(a) 回路図 (b) 出力電圧・インダクタ電流
50 100
10 20 30 0 0
1 2 3 4 5
0 0
vo [V]
iL [mA]
t [µs] 40
vo
iL
Tr：オン オフ
510 RB
トランジスタ駆動回路
電圧変動を抑制 突入電流も抑制
p.39
図4.13 降圧チョッパ回路の等価回路
+ RL D vE
E
(a) トランジスタ・オン
L
C
Tr
vo
Re1
+ RL vo D
(b) トランジスタ・オフ
C
Tr L
4.3 降圧チョッパ回路の動作原理
Re2
回路内の抵抗成分
p.46
図4.13 降圧チョッパ回路の等価回路
+ RL D vE
E
(a) トランジスタ・オン
L
C
Tr
vo
Re1
+ RL vo D
(b) トランジスタ・オフ
C
Tr L
4.3 降圧チョッパ回路の動作原理
E
Re2
ｰ
＋
＋
＋
＋
＋
ｰ
ｰ
ｰ
iLON
ｰ
＋
＋
ｰ
ｰ
＋
＋ ｰ
ｰ iLOFF
電源Eが電流iLONを流している．
インダクタLが電流iLOFFを流している．
p.46
0 50
100 150 200 250
0.1 0.15 0.2 0 0.05
iL [mA]
t [ms] (a) トランジスタ・オン
0 1
2 3
4 5
0 0.05 0.1 0.15 0.2
vo [V]
t [ms]
(b) トランジスタ・オフ
VE = 6 [V], Vo = 4.1 [V], L = 400 [µH], Re1= 7 [Ω], fSW = 10 [kHz]のとき
p.48
0 50
100 150 200 250
0.1 0.15 0.2 0 0.05
iL [mA]
t [ms] (a) トランジスタ・オン
0 1
2 3
4 5
0 0.05 0.1 0.15 0.2
vo [V]
t [ms]
(b) トランジスタ・オフ
iLOFF Eo Vo
L Re2
iLON E Vo
Re1 L
Eo
VE = 6 [V], Vo = 4.1 [V], L = 400 [µH], Re1= 7 [Ω], fSW = 10 [kHz]のとき
p.48
0 50
100 150 200
0 0.05 0.1 0.15 0.2
iL [mA]
t [ms]
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
(b) fSW = (a) スイッチング周波数 fSW =
vo [V]
0 1
2 3
4 5
0 0.05 0.1 0.15 0.2 t [ms]
0 50
100 150 200 250
0.1 0.15 0.2 0 0.05
iL [mA]
t [ms]
0 1
2 3
4 5
0 0.05 0.1 0.15 0.2
vo [V]
t [ms]
p.48
0 50
100 150 200
0 0.05 0.1 0.15 0.2
iL [mA]
t [ms]
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
(b) fSW = 50 [kHz] (a) スイッチング周波数 fSW = 10 [kHz]
vo [V]
0 1
2 3
4 5
0 0.05 0.1 0.15 0.2 t [ms]
0 50
100 150 200 250
0.1 0.15 0.2 0 0.05
iL [mA]
t [ms]
0 1
2 3
4 5
0 0.05 0.1 0.15 0.2
vo [V]
t [ms]
p.48
0
50
100
150
200
0 0.05 0.1 0.15 0.2
iL [mA]
t [ms]
Tr：オン オフ
図4.14 インダクタの両端電圧と電流
iL iLON iLOFF
t
時間軸を拡大
p.52
0
50
100
150
200
0 0.05 0.1 0.15 0.2
iL [mA]
t [ms]
Tr：オン オフ
図4.14 インダクタの両端電圧と電流
iL iLON iLOFF
t
直線で近似できる
時間軸を拡大
回路の抵抗成分を無視．
=
p.52
vL
iL
t
t
図4.14 インダクタの両端電圧と電流
(a) トランジスタ・オン
L Tr
E Eo VE Vo
(b) トランジスタ・オフ
L
Eo Vo
抵抗成分を無視
抵抗成分を無視
p.52
Tr：オン オフ
vL VE - Vo
iL iLON iLOFF
Vo
t
t
図4.14 インダクタの両端電圧と電流
(a) トランジスタ・オン
L Tr
iLON E Eo VE Vo
(b) トランジスタ・オフ
iLOFF
L
Eo Vo
vL
vL
p.52
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．
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,
+
C1 47µF
L 1.5mH
D
510 RB vo
Tr 2SA950
6V
iL
vPWM
VR1 2kΩ
vcom
PIC16F615 PIC12F615 PIC12HV615
P1A
A2 A1 A0 1µF CS
50 RS
LED1
510 R1
ω DCM1
DCM2 100 R2
LED2
25µsec
v o[V
]
25µsec
v PW
M[V
]
(b) vcom = 3 [V] (c) vcom = 6 [V] (a) vcom = 0.5 [V] 25µsec
6 4
5 0
4 0
v o[V
] v P
WM
[V]
6 4
5 0
4 0
v o[V
] v P
WM
[V]
6 4
5 0
4 0
+
C147µF
L 1.5mH
D510RB vo
Tr 2SA950
6V
iL
vPWM
VR12kΩ
vcom
PIC16F615PIC12F615PIC12HV615
P1A
A2 A1 A01µFCS
50RS
LED1
510R1
ωDCM1
DCM2
100R2
LED2
NI Signal Express Tektronix Edition ver1.1.0
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．
Tr：オン オフ
vL VE - Vo
iL iLON iLOFF
I1
t
t
(a) トランジスタ・オン
(b) トランジスタ・オフ
L Tr
iLON E Eo VE Vo
vL
iLOFF
L
Eo Vo
vL
Vo
I2
I1
t2 t1
Ton
TSW
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） 効率
+ RL D vE
E
(a) トランジスタ・オン
L
C
Tr
vo
Re1
+ RL vo D
(b) トランジスタ・オフ
C
Tr L Re2
VEB
VD
iL
iL
[%] 100×−
=in
lossin
PPP
η
