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パワーエレクトロニクス講義資料
第7回　昇圧，昇降圧チョッパ回路
担当：古橋武
[email protected]
1
P.64
Tr
2SA950
L 1.5mH
vE
VE
R5
RB
6V
vo
+
D
510
C2
47µF
510
vo
LED4
Ton
TSW
通流率
vE
vo [V]
6
4
2
0
δ = Ton / Tsw
vo
Vo = δ VE
(4.26)
0 ≤ δ ≤1
t [ms]
電源電圧より高い
電圧を出せない
P.64
Tr
2SA950
L 1.5mH
vE
VE
R5
RB
6V
vo
+
D
510
C2
47µF
510
vo
LED4
Ton
TSW
通流率
vE
vo [V]
6
4
2
0
δ = Ton / Tsw
vo
Vo = δ VE
(4.26)
0 ≤ δ ≤1
t [ms]
電源電圧より高い
電圧を出せない
P.64
昇圧チョッパ回路
L
D
Tr
6V
RB
+
R
C
LED
4
P.64
昇圧チョッパ回路
L
Tr
vE
6V
D
RB
vo [V]
6
4
2
0
vE
C
+
R
vo
LED
vo
電源電圧より高い
電圧を出せる
t [ms]
5
P.64
昇圧チョッパ回路
L
Tr
vE
6V
D
RB
vo [V]
6
4
2
0
vE
C
+
R
vo
LED
vo
電源電圧より高い
電圧を出せる
t [ms]
6
昇圧チョッパ回路の動作原理
D
L
E
VE
P.65
C
Tr
R
Vo
LED
とする．
Trがオフのままで
は電源Eからコンデ
ンサCへは電流を流
せない．
トランジスタがオンのとき
D
L
E
Tr
C
R
LED
Vo
7
昇圧チョッパ回路の動作原理
+
E
L －
VE
－
D
+
C
Tr
ダイオードは逆バイ
アスによりオフ
+
R
－
Vo
LED
Vo > VE > 0とする．
Trがオフのままで
は電源Eからコンデ
ンサCへは電流を流
せない．
トランジスタがオンのとき
コイルに電磁エネルギ(Li2/2)が蓄積される．
+
L
D
－
iL:増加
E
Tr
C
+
R
－
LED
Vo
8
vL
P.65
D
L
iL
E
VE
C
Tr
R
Vo
LED
vL = L
diL
dt
トランジスタがオフのとき
D
L
E
Tr
C
R
LED
Vo
9
vL
L
－
+
+
ダイオードは順方向に
電圧がかかりオン
D
－
iL
E
VE
C
Tr
+
R
－
Vo
LED
vL = L
diL
dt
トランジスタがオフのとき
iL= (減少)であれば
vL < 0．このとき
コイルの電磁エネルギ(Li2/2)が放出される． VE - vL > Vo となる．
－
L
D
+
iL:減少
E
Tr
C
+
R
－
LED
Vo
10
P.66
PWM (Pulse Width Modulation, パルス幅変調) 制御法 vcom ≥ vtriのときトランジスタ　オン
vcom < vtriのときトランジスタ　オフ
vtri
vcom
vcom
Vtp
(5.3)
vtri
t
t
オン オフ　オン　オフ　オン
オフ オン　オフ　オン　オフ
t
図4.23 PWM制御法　t
11
vtri vcom
Vtp
L
E1
D
Tr
io
L
C
+
RB
PWM波形
生成器
t
E1
D
Tr
io
C
+
RB
vPWM = PWM波形
生成器
vPWM =　(a) vPWM = ，Tr オン　(b) vPWM = ，Tr オフ　12
昇圧チョッパ回路のトランジスタのベース電流経路　vtri vcom
Vtp
L
iL iB
E1
iB
D
Tr
io
L
C
+
RB
E1
iL
D
Tr
io
C
+
RB
iB
PWM波形
生成器
t
vPWM = Vd
PWM波形
生成器
vPWM =0 iB
(a) vPWM = Vd ，Tr オン　(b) vPWM = 0　，Tr オフ　13
昇圧チョッパ回路のトランジスタのベース電流経路　P.69
+
-
vL
+
VE
-
L
vL =
Tr
iL
(a) トランジスタ・オン vL =
iL
TON
t
TSW
図5.7 インダクタを流れる電流　14
P.69
+
-
vL
+
VE
-
L
diL
vL = L
dt
vL = VE
Tr
iL
(a) トランジスタ・オン iL
TON
t
TSW
図5.7 インダクタを流れる電流　15
P.69
- L +
+
VE
-
vL
iL
vL =
Vo
(b) トランジスタ・オフ vL =
iL
TON
t
TSW
図5.7 インダクタを流れる電流　16
- L +
+
VE
-
vL
iL
Vo
(b) トランジスタ・オフ iL
TON
diL
vL = L
dt
vL = VE − Vo
t
TSW
図5.7 インダクタを流れる電流　17
iL
I1
t1
I2
t2
P.69
I1
t
VE
ΔI L = I 2 − I1 = δTSW (5.6)
L
VE − Vo
ΔI L = I 2 − I1 = −
TSW (1 − δ ) (5.7)
L
1
Vo =
VE
1− δ
0 ≤ δ <1
(5.8)
18
Tr
2SA950
VE
P.71
L 1.5mH
D
C2
47µF
+
R5
510
Vo
LED4
電源電圧よ
り低い電圧
を出せる
図4.4 降圧チョッパ回路 L
VE
電源電圧よ
り高い電圧
を出せる
D
Tr
2SC2120
VE ≥ Vo
+
C
RL
Vo
両方の出力
電圧範囲をカ
バーできる
チョッパ回路
は？
VE ≤ Vo
19
図5.1 昇圧チョッパ回路 P.72
昇降圧チョッパ回路
D
Tr
VE
E
RB
PWM波形
生成器 vo [V]
6
4
2
0
vE
L
C
RL vo
図5.8 昇降圧チョッパ回路 vo
t [ms]
20
P.72
昇降圧チョッパ回路
D
Tr
VE
E
RB
PWM波形
生成器 vo [V]
6
4
2
0
vE
L
C
RL vo
図5.8 昇降圧チョッパ回路 vo
電源電圧より低い
電圧も，高い電圧
も出せる
t [ms]
21
P.75
Tr
Tr
VE
iL
Vo
iL
VE
(a) トランジスタ・オン Vo
(b) トランジスタ・オフ 図5.13 昇降圧チョッパ回路の簡略等価回路　iL
I2
I1
I1
t2
t1
TON
TSW
図5.14 インダクタを流れる電流　t
Vo =
δ
1− δ
0 ≤ δ <1
VE
22
Step 5 製作課題　昇圧チョッパ回路を設計・製作せよ．イヤフォンプラグを音響機
器に接続し，スピーカーから音が聞こえてくることを確認せよ． D
L 1.5mH
6V
R1
510
C1
47µF
VR1
2kΩ
PIC12F615
PIC16F615
PIC12HV615
470µ
Tr
2SC2120
LEDR1B
510
P1B
C1
+
R2
510
LED2
RS
50
CS
1µF
A2 A1 A0
+
23
絶対やってはいけないこと
6V
イヤフォンプラグ
の線を直接電池
につながない．
24
製作課題における指令電圧vcom ，P1B端子の出力電圧vP1B との関係，
および，Step4, 5で用いてきたP1A端子の出力電圧vP1A との関係 vtri
vcom
6 [V]
Vtp
t
0 [V]
スイッチング周期
Tsw = 80 [µsec]
vP1B
スイッチング周波数
t
fsw = 1/Tsw = 15 [kHz]
vP1A
t
Step5 レポート課題 (1)
(a)昇圧チョッパ回路においてトランジスタTrオン時とオフ時のエネルギー
の流れを図示せよ．
(b)昇降圧チョッパ回路においてトランジスタTrオン時とオフ時のエネル
ギーの流れを図示せよ．
（ヒント）　降圧チョッパ回路におけるエネルギの流れ． トランジスタ，ダイオードもわずかではあるが導通時に損失がある． L
Tr
VE
D
Tr オン時 L
Tr
C
+
RL
VE
D
+
C
RL
Tr オフ時 26
Step5 レポート課題 (2)
昇圧チョッパ回路において通流率δ=2/3のときの指令電圧vcom，トランジスタ駆
動電圧vPWM，ダイオード両端電圧vD ，コイル両端電圧vL ，コイル電流iL，ダイ
オード電流iD，出力電流ioの各波形を求めよ．ただし，電源電圧VE = 6 [V]，三
角波電圧のピーク値Vtp = 3 [v]，出力抵抗RL = 20 [Ω], コイルのインダクタンス
La = 400 [µH]，スイッチング周期Tsw = 50 [µs] （スイッチング周波数fsw = 20
[kHz]）とする．ただし，コンデンサC2の静電容量は出力電圧が直流であると
見なせるに十分な大きさであり，回路内の損失は無視できるものとする． L
D iD
Tr1
2SC1815
vE
io
+
C2
RL
vo
RB
PWM波形
生成器 27