5.4 実機検証
5.4.2 降圧チョッパ回路を用いた実機検証
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(a) Input side capacitor 𝐶1 (b) Output side capacitor 𝐶2
図 5-36 コンデンサ電流波形
回路入力電圧を変化させたときのコンデンサ通流電流に対する温度上昇を図
5-37，図 5-38に示す。50V 耐電圧の素子と 400V耐電圧の素子それぞれ入力側
と出力側で評価を行った。黒色の丸でプロットしているのが赤外線サーモを用 いて測定した実測値であり，灰色の四角でプロットしているのはインピーダン スアナライザで測定した室温25℃，基本波周波数である10 kHz，40 kHzにおけ るESRと通流電流を使用して次式より計算した温度上昇である。
∆Tcap= (Rth(e−c)+ Rth(c−a)) ∙ 𝐸𝑆𝑅 ∙ 𝐼𝑅𝑀𝑆2 ( 5-12 ) ESR の温度特性と損失の波形依存性を考慮していないため，いずれにおいても 温度が上昇すると実測値と大きく異なることが分かる。それに対して，黒の三角 でプロットしているのは通流電流波形から提案の計算手法である( 5-11 )式から 計算した温度上昇であるが，実測値と 20％以内の誤差で計算できていることを 確認した。本来では電流実効値に対して損失，温度上昇は 2 乗の割合で変化す るが，実測値，提案手法の計算値が共に電流実効値に対して比例的に変化してい るように見えるのはESRが温度の増加とともに低下していることに起因する。
続いて，47 F/400 Vのコンデンサを使用して，降圧チョッパの複数の回路負 荷電流条件における入力側と出力側それぞれのコンデンサの温度上昇を実測と 計算で比較を行った。この検証では，入力電圧 100 V，スイッチング周波数 10 kHz に固定して，回路の出力端子に接続された負荷抵抗のみを変更することで 回路出力電流を変化させる。更に，降圧チョッパのDuty比は0.35，0.5，0.65の 3つの条件でそれぞれコンデンサにかかるストレスを評価する。回路負荷電流に 対する温度上昇をプロットした結果を図 5-39に示す。図 5-37，図 5-38と同様 に実測値（黒色丸）と25℃，10 kHzにおけるESRを用いた計算値（灰色四角）
と提案手法による計算値（黒色三角）の3つを比較している。この結果において もESR を一定で計算すると実測と異なっており，提案手法の計算値が実測値と
10
Current [A]
Time -6 50 sec
0
-6 6
0
50 sec
Time
Current [A]
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同様の傾向であることが確認できる。図 5-40にこの評価における提案手法の計 算値と実測値の誤差をプロットしているが，殆どが 10％以内の誤差で計算でき ていることが分かる。この評価より，降圧チョッパ回路において各コンデンサの 電流ストレスは回路負荷電流とデューティ比によって異なり，入力側コンデン サと出力側コンデンサで傾向も異なっていることが分かる。これは，入力側コン デンサと出力側コンデンサで実効電流値やコンデンサ電流波形が異なるためで ある。ここで，入力側と出力側のコンデンサ電流実効値に対する温度上昇をプロ ットした結果を示す。入力側と出力側，さらには負荷電流やDuty比が異なって おり電流波形はそれぞれ異なるにも関わらず，負荷電流が同一であれば温度上 昇が近い傾向を示している。したがって，降圧チョッパでは損失の波形に対する 依存性が小さいことが考えられる。これについては，次の段落で詳細に考察を行 う。
(a) Input side capacitor 𝐶1 (b) Output side capacitor 𝐶2
図 5-37 降圧チョッパ回路 入力電圧変化条件での測定結果 (50V limit type)
(a) Input side capacitor 𝐶1 (b) Output side capacitor 𝐶2
図 5-38 降圧チョッパ回路 入力電圧変化条件での測定結果 (400V limit type)
Current [Arms]
Temperature rise [℃] 200 Measured Calculated ESR const
▲●
150 ■
100
50
00.2 0.9 1.6
Measured Calculated ESR const
▲●
■
Current [Arms]
Temperature rise [℃] 200
150
100
50
00.2 0.9 1.6
Measured Calculated ESR const
▲
●
■
Current [Arms]
Temperature rise [℃]
45
30
15
0
0.2 1.1 2.0
Measured Calculated ESR const
▲
●
■
Current [Arms]
Temperature rise [℃]
45
30
15
0
0.2 1.1 2.0
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(a) Input side capacitor 𝐶1 (b) Output side capacitor 𝐶2
図 5-39 回路負荷電流変化条件でのコンデンサ温度上昇(400V limit type)
図 5-40 コンデンサ電流実効値に対する誤差
図 5-41 コンデンサ電流実効値に対する温度上昇
Measured (Duty 0.35) Calculated (Duty 0.35) ESR const (Duty 0.35)
■
Measured (Duty 0.5) Calculated (Duty 0.5) ESR const (Duty 0.5)
Measured (Duty 0.65) Calculated (Duty 0.65) ESR const (Duty 0.65)
●
▲▲
■
●
▲▲
■
●
▲▲
Temperature rise [℃]
Circuit load current [A]
8 6
4 2
0 100
75
50
25 0
Temperature rise [℃]
100
75
50
25
00 2 4 6 8
Circuit load current [A]
0 20 40 60 80 100
0 1 2 3 4 5
Error rate [%]
Capacitor current [Arms]
0 10 20 30 40 50
1 2 3 4 5
Temperature rise [℃]
Capacitor current [Arms]
Inputside actual values Outputside actual values
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