パワーエレクトロニクス 第七回...
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パワーエレクトロニクス第七回 DC-DCコンバータ
2020年6月3日
授業の予定
• パワーエレクトロニクス緒論• パワーエレクトロニクスにおける基礎理論• パワー半導体デバイス• 整流回路• 整流回路の交流側特性と他励式インバータ• 交流電力制御とサイクロコンバータ• 直流チョッパ• DC-DCコンバータと共振形コンバータ• 自励式インバータ• 演習
2020/6/3 パワエレ-7 2
リニアレギュレータ
Vs Vo
iL
RL
2020/6/3 パワエレ-7 3
出力電圧 LLo RIV
負荷電力
トランジスタでの消費電力
LoIV
LCE IV
入力電圧
出力電圧
損失
損失大ノイズ低い
トランジスタは抵抗動作
負荷電力
余剰電力
Vs Vo
iLVDS
RL
等価回路
スイッチングコンバータ
2020/6/3 パワエレ-7 4
出力電圧
デューティ比
全電力が負荷で消費。効率高い
DVdtVT
dttvT
V s
DT
s
T
oo 00
11
ftTt
tttD on
on
offon
on
等価回路
Vs Vo
iLVDS
RL Vs Vo
iL
RL
損失少ないノイズ多い
トランジスタはON/OFF（スイッチ）動作
t
vo
0
Vs
DTon
T(1‐D)T
off
スイッチモードDC-DCコンバータ(スイッチング電源)
• 非絶縁型• 直接型
• バックコンバータ 降圧
• ブーストコンバータ 昇圧
• 間接型• バック・ブーストコンバータ 昇降圧
• チュックコンバータ 昇降圧
• 絶縁型• フライバックコンバータ
• フォワードコンバータ
52020/6/3 パワエレ-7
バック(Buck)コンバータ
• 電源電圧を降圧• ダウンコンバータとも呼ぶ
• 回路構成要素• L:一時的にエネルギーを貯める
• C:ローパスフィルタ• 用途によっては不要
• （環流）ダイオード• スイッチオフ時の電流経路を形成
• スイッチオン時は逆バイアスされオフ
※BackではなくBuckBuck:振り落とす（他動）
62020/6/3 パワエレ-7
Vs
vL
Vovx
iL iC iR
バックコンバータスイッチオン時
• Lに印加される電圧
• Lに流れる電流
• 電流は直線的に増加（C大よりVO一定）
dtdiLVVv L
OSL
LVV
dtdi OSL
DTLVVi OS
onL
,LVV
DTi
ti
dtdi OSLLL
72020/6/3 パワエレ-7
Vs
vL=Vs‐VoVovx=Vs
iL
iC iR
t
vLVs‐Vo
‐Vo
t
iL
DT
ImaxImin
IR ΔiL
T
t
iCΔiL
バックコンバータスイッチオフ時
• Lに印加されている電圧
• 電源は縁切りされる
• Lに流れる電流の微分方程式
• 電流は直線的に減少（C大よりVO一定）
dtdiLVv L
OL
LV
dtdi OL
TDLVi O
offL
1, LV
TDi
ti
dtdi OLLL
1
82020/6/3 パワエレ-7
Vs
vL=‐Vo
Vovx=0
iL iC iR
t
vLVs‐Vo
‐Vo
t
iL
DT
ImaxImin
IR ΔiL
T
t
iCΔiL
バックコンバータLに流れる電流
• 周期定常状態 ⇒ 一周期後に同じ電流値
• 電源電圧と出力電圧の関係
• 別解• Lに印加される電圧の平均が零となる事から
0,, offLonL ii
01
TD
LVDT
LVV OOS DVV SO
01 TDVDTVVV OOSL DVV SO
92020/6/3 パワエレ-7
交流回路と同じ
バックコンバータ降圧比(連続導通)
2020/6/3 パワエレ-7 10
𝑉𝑉
𝐷
0 1
1
バックコンバータ電流脈動
• Lの平均電流と負荷の平均電流は等しい
• Cの平均電流は零
• 電流の最大・最小値RVII O
RL
LfD
RVTD
LV
RViII O
OOLL 2
11121
2max
LfD
RVTD
LV
RViII O
OOLL 2
11121
2min
112020/6/3 パワエレ-7
バックコンバータ連続導通条件
•
•
•
•
2020/6/3 パワエレ-7 12
バックコンバータ不連続導通
• ダイオードの導通期間
• 連続導通
• 不連続導通
• 電流変化量
•
•
•
2020/6/3 パワエレ-7 13
t
vLVs‐Vo
‐Vo
t
iL
DT
ImaxImin
IR ΔiLT
t
iCΔiL
0 D’T
バックコンバータ不連続導通
••
•
• Lの平均電流は負荷の平均電流に等しい
• ∆ ∆
2020/6/3 パワエレ-7 14
バックコンバータ不連続導通
•
•
•
•
•
•
2020/6/3 パワエレ-7 15
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Vo/Vs
D
理想
不連続考慮
バックコンバータ電圧脈動
• Cの電流: -• Cの電荷と電圧の関係
• 𝑄 𝐶𝑉• 充電電荷について
• Δ𝑄 𝐶Δ𝑉
• Δ𝑉 1 𝐷 𝑇𝑉 1 𝐷8𝐿𝐶𝑓
• リップル率:
162020/6/3 パワエレ-7
ΔQ
Δvo
T/2t
iC ΔiL/2
Vovo
ブースト(Boost)コンバータ
• 電源電圧を昇圧• 昇圧コンバータ
• 回路構成要素• L:エネルギー蓄積• C:ローパスフィルタ• 動作解析での仮定
• 周期定常状態• スイッチング周期T,デューティ比D• Lの電流は連続• Cは十分大きく，電圧がVOに一定に保たれる• 理想素子
出力電圧が入力より大
172020/6/3 パワエレ-7
Vs
vL
Vo
iDiL iC iR
ブーストコンバータスイッチON時
• Lを含む経路に対するKVLより
• 電源電圧は一定より
• 電流は一定の割合で増加
• スイッチオン時に増加する電流
dtdiLVv L
SL
LV
DTi
ti
dtdi SLLL
LDTVi S
onL ,
182020/6/3 パワエレ-7
Vs
vL=Vs
Vo
iL iC iR
t
vL
Vs‐Vo
Vs
t
iL
DT
ImaxImin
IR ΔiL
T
t
iDΔiL
ImaxImin
tIc
‐Vo/RΔQ
ブーストコンバータスイッチOFF時1
• スイッチOFFの瞬間
• スイッチを流れる電流がダイオードに移動
• Lにより電流が連続する
• 転流(commutation)という
• この時のKVLより
dtdiLVVv L
OSL
LVV
dtdi OSL
192020/6/3 パワエレ-7
Vs
vL=Vs‐Vo
Vo
iL iC iR
t
vL
Vs‐Vo
Vs
t
iL
DT
ImaxImin
IR ΔiL
T
t
iDΔiL
ImaxImin
tIc
‐Vo/RΔQ
ブーストコンバータスイッチOFF時2
• Cが大きくVOが一定の仮定より
• 電流は一定の割合で減少
• スイッチオフ時に増加する電流は
LVV
TDi
ti
dtdi OSLLL
1
L
TDVVi OSoffL
1,
202020/6/3 パワエレ-7
Vs
vL=Vs‐Vo
Vo
iL iC iR
t
vL
Vs‐Vo
Vs
t
iL
DT
ImaxImin
IR ΔiL
T
t
iDΔiL
ImaxImin
tIc
‐Vo/RΔQ
ブーストコンバータの出力
• 周期定常状態
• Lに流れる電流は一周期後に同じ値となる
• 増加量
• 減少量
• 和が0 0,, offLonL ii
01
LTDVV
LDTV OSS
011 DVDDV OS
LDTVi S
onL ,
L
TDVVi OSoffL
1,
212020/6/3 パワエレ-7
ブーストコンバータの出力
• 入出力電圧比•
• ブーストコンバータの出力は入力より大となる• 1 𝐷 1
• 別解• Lに印加される電圧の平均は零となる
• オン時平均電圧 𝑉𝐷• オフ時平均電圧 𝑉 𝑉 1 𝐷
𝑉 𝑉𝐷 𝑉 𝑉 1 𝐷 0
222020/6/3 パワエレ-7
ブーストコンバータ昇圧比(連続導通)
2020/6/3 パワエレ-7 23
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Vo/Vs
D
ブーストコンバータ・Lに流れる電流
• 出力電力
• Cの電圧一定の仮定
• 入力の平均電力はLに流れる平均電流で表される
• Lに流れる平均電流
RVP O
O
2
RDV
RD
V
RVIV S
S
OLS 2
2
2
2
11
RDVI S
L 21
242020/6/3 パワエレ-7
ブーストコンバータ・Lに流れる電流
• 最大・最小電流値
• 電流が連続となる限界
• Lの最小値
LDTV
RDViII SSL
L 212 2max
LDTV
RDViII SSL
L 212 2min
LDTV
RDVI SS
210 2min
LfDV
LDTV
RDV SSS
221 2
fRDDL
21 2
min
252020/6/3 パワエレ-7
ブーストコンバータ不連続導通
• ダイオードの導通期間
• 連続導通
• 不連続導通
• 電流変化量
•
•
•
2020/6/3 パワエレ-7 26
t
vL
Vs‐Vo
Vs
t
iL
DT
ImaxImin
IR ΔiL
T
t
iDΔiL
ImaxImin
tIc
‐Vo/RΔQ
D’T
ブーストコンバータ不連続導通
••
•
• ダイオードの平均電流は負荷の平均電流に等しい
• ∆ ∆
2020/6/3 パワエレ-7 27
ブーストコンバータ不連続導通
•
•
•
•
•
• 不連続
•
2020/6/3 パワエレ-7 28
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Vo/Vs
D
理想
不連続考慮
ブーストコンバータ・出力電圧脈動
• 電流の計算はC=∞と仮定
• 電流値とCを用いて電圧脈動を評価• オン時の放電電荷
• 出力電圧一定の時，負荷電流=Cの電流
• 電圧変化をΔVOとすると
• 電圧脈動
RVI O
C
OO VCDTRVQ
RCfDV
RCDTVV OO
O
RCfD
VV
O
O
292020/6/3 パワエレ-7