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

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

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