長 崎 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科

商 用 電 源 を 入 力 と す る ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス の 影 響 と 高 効 率 化 に 関 す る 研 究

Study on High Efficiency and Effect of Stray Capacitance for Soft-Switching Power Supply

Connected Commercial Power Source

２ ０ ２ ０ 年 １ 月

長 崎 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科

渡 邉 俊 之

i

は じ め に

地 球 環 境 問 題 を 解 決 す る た め の 重 要 な 要 素 と し て 、省 エ ネ ル ギ ー 化 が 挙 げ ら れ る 。 今 日 特 に 注 目 さ れ て い る 自 動 車 や 情 報 通 信 分 野 に お い て は 、 電 気 自 動 車 や IoT （ Internet of Things 、 モ ノ の イ ン タ ー ネ ッ ト ） 機 器 の 増 加 が 予 想 さ れ て お り 、 走 行 に 必 要 な 電 力 や 情 報 （ デ ー タ ） を 処 理 す る 機 器 の 電 力 使 用 量 も 増 加 す る こ と に な る 。電 気 自 動 車 で は 商 用 電 源 か ら 駆 動 用 バ ッ テ リ に 電 力 を 供 給 す る 充 電 器 が 必 要 で あ り 、 情 報 （ デ ー タ ） を 扱 う デ ー タ セ ン タ や 通 信 ビ ル で は 商 用 電 源 か ら 非 常 用 バ ッ テ リ と 、 ICT （ Information and Communication Technology 、 情 報 通 信 技 術 ） 関 連 装 置 に 電 力 を 供 給 す る 整 流 装 置 が 必 要 で あ る た め 、 充 電 器 や 整 流 装 置 の 低 損 失 化 が 不 可 欠 で あ る 。 こ れ ら に 用 い ら れ る 商 用 電 源 を 入 力 と す る ス イ ッ チ ン グ 電 源 で は 、高 効 率 化 が 重 要 で 、 そ の た め に は ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 化 、 低 損 失 の ス イ ッ チ ン グ 素 子 の 利 用 が 設 計 上 重 要 で あ る 。

そ の よ う な 観 点 か ら 商 用 電 源 を 入 力 と す る ス イ ッ チ ン グ 電 源 を 見 る と 、構 成 要 素 と し て 不 可 欠 で あ る 力 率 改 善 を 行 う PFC （ 力 率 改 善 、 Power factor correction ） 部 と 、 そ の 後 段 で 絶 縁 と 電 圧 変 換 を 行 う DC-DC 部 に は 、 ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 化 に 適 し た 昇 圧 型 電 流 臨 界 PFC と LLC 回 路 が 広 く 利 用 さ れ 、 高 効 率 化 が 進 ん で い る 。 し か し な が ら 、 今 後 更 に 高 効 率 化 を 進 め る 上 で 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス の 影 響 が 顕 在 化 し て き て い る が 、こ の 問 題 は ま だ 十 分 に は 解 決 が さ れ て お ら ず 課 題 と な っ て い る 。

こ の よ う な 背 景 か ら 、本 研 究 で は 電 気 自 動 車 や 情 報 通 信 な ど の 分 野 で 広 く 活 用 さ れ る 商 用 電 源 を 入 力 と し た ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス の 影 響 と 高 効 率 化 に 関 す る 研 究 を テ ー マ と し 、昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC に お け る ス イ ッ チ 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス に よ る 力 率 低 下 の 改 善 と 、 LLC 回 路 の ト ラ ン ス の 巻 線 の 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス に 起 因 す る 損 失 解 析 、ノ イ ズ フ ィ ル タ 接 続 時 の 損 失 影 響 調 査 、 お よ び そ の 改 善 方 法 の 提 案 を 目 的 と し た 。

具 体 的 な 実 施 内 容 と し て は 、昇 圧 型 電 流 臨 界 P F C に お け る ス イ ッ チ ン グ 素

子 の 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス に よ る 力 率 低 下 の 改 善 で あ る 。こ の 改 善 策 と し て ゼ

ロ ク ロ ス 付 近 で オ ン 時 間 を 拡 張 す る 方 法 が あ る が 限 界 が あ る 。 ま た 、 現 在 開

発 が 進 ん で い る 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス が 小 さ い 素 子 に 変 更 す る こ と で 力 率 低

ii

下 を 抑 制 す る 報 告 も あ る が 、そ れ ら の 素 子 の 量 産 レ ベ ル の オ ン 抵 抗 特 性 は 従 来 の Si-MOSFET （ Silicon -Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ） に 及 ん で お ら ず 、 Si-MOSFET を 前 提 と し た 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス に よ る 力 率 低 下 の 改 善 が 必 要 に な っ て い る 。本 研 究 で は Si-MOSFET を 前 提 と し 、 整 流 ス イ ッ チ 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス の 電 圧 依 存 性 改 善 、 昇 圧 回 路 の マ ル チ フ ェ ー ズ 化 、 低 電 流 振 幅 時 の 昇 圧 回 路 切 り 替 え 、 の 3 つ の 方 法 に よ る 効 果 を 検 証 し 、 そ れ ぞ れ の 効 果 を 示 し た 。

ま た 、 LLC 回 路 に お い て は 、ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 化 に よ り ス イ ッ チ 素 子 の 損 失 が 低 減 さ れ る 一 方 で 、回 路 を 構 成 す る そ の 他 の デ バ イ ス（ 特 に ト ラ ン ス ） な ど の 損 失 を 含 め て も 、他 の 回 路 方 式 と 比 較 し て 低 損 失 で あ る の か が 十 分 明 ら か に な っ て い な い 。 こ の 問 題 に 対 し 、 ま ず LLC 回 路 と と も に ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ に 適 し て い る 位 相 シ フ ト 回 路 と の 損 失 比 較 を 行 い 、ト ラ ン ス の 損 失 が 占 め る 割 合 が 高 く 損 失 改 善 が 不 可 欠 で あ る 特 徴 を 明 ら か に し た 。 次 に 、 ト ラ ン ス の 低 損 失 化 方 法 と し て 研 究 が 行 わ れ て い る 巻 線 間 結 合 が 高 く 交 流 抵 抗 が 小 さ い 積 層 （ プ レ ー ナ ） ト ラ ン ス に お い て 、 巻 線 間 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス の 増 加 に よ る 損 失 影 響 が 十 分 解 明 さ れ て い な い と い う 課 題 に 対 し 、損 失 の 調 査 を 行 い 、 損 失 を 計 算 で 求 め る 方 法 を 新 た に 提 案 し 、 実 験 値 と の 比 較 に よ り 妥 当 性 の 検 証 を 行 っ た 。 さ ら に 、 巻 線 間 の 動 作 電 圧 を 考 慮 し 巻 線 間 の 結 合 度 を 変 化 さ せ る こ と に よ り 巻 線 間 キ ャ パ シ タ ン ス に 起 因 す る 損 失 を 低 減 す る 新 た な 手 法 を 示 し 、 試 作 機 に お い て 効 果 の 確 認 を 実 施 し た 。 さ ら に 、 ノ イ ズ フ ィ ル タ を 接 続 し た 場 合 に 発 生 す る ト ラ ン ス 巻 線 間 キ ャ パ シ タ ン ス に 起 因 す る 損 失 影 響 を 示 し 、新 た な 損 失 低 減 方 法 と し て ト ラ ン ス 巻 線 間 に 橋 絡 キ ャ パ シ タ を 追 加 す る 方 法 を 提 案 し 、 効 果 の 検 証 を 行 っ た 。

本 論 文 は 、第 1 章 か ら 第 6 章 で 構 成 さ れ て い る 。以 下 に 各 章 の 概 要 を 示 す 。 第 1 章 で は 、 本 研 究 の 社 会 的 背 景 と 、 本 研 究 分 野 で あ る 商 用 電 源 を 入 力 と す る ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 技 術 動 向 と 課 題 を 示 し 、本 研 究 の 意 義 に つ い て 述 べ た 。

第 2 章 で は 、 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC に お け る 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス

に よ る 力 率 低 下 に 対 す る 、 3 つ の 改 善 方 法 に よ る 効 果 を 検 証 し 、 そ れ ぞ れ の

効 果 を 述 べ た 。

iii

第 3 章 で は 、 LLC 回 路 の す べ て の 素 子 の 損 失 を 位 相 シ フ ト 回 路 と 比 較 し 、 LLC 回 路 の 損 失 発 生 の 特 徴 と ト ラ ン ス 損 失 の 割 合 の 高 さ を 示 し 、両 方 式 の 損 失 差 が 2 次 側 整 流 素 子 の オ ン 抵 抗 、お よ び ト ラ ン ス の 1 次 巻 数 の 違 い に よ っ て 決 定 づ け ら れ る こ と を 述 べ た 。

第 4 章 で は 、 LLC 回 路 ト ラ ン ス 巻 線 間 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス に 起 因 す る 損 失 が 発 生 す る こ と を 示 し 、 そ の 損 失 が 増 減 す る 特 徴 を 実 験 結 果 か ら 示 し た 。 さ ら に 、 ト ラ ン ス 巻 線 の 動 作 電 圧 を 考 慮 し 層 構 成 を 変 え る こ と で 、 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス に 起 因 す る 損 失 を 減 少 さ せ る こ と が 出 来 る 新 た な 手 法 を 述 べ た 。

第 5 章 で は 、 LLC 回 路 の ト ラ ン ス 巻 線 間 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス と ノ イ ズ フ ィ ル タ の 対 接 地 コ ン デ ン サ と の 間 に 循 環 電 流 が 生 じ 、ノ イ ズ フ ィ ル タ の 損 失 が 増 加 す る 影 響 を 示 し 、ト ラ ン ス 巻 線 間 に 橋 絡 コ ン デ ン サ を 追 加 し こ の 損 失 を 低 減 す る 新 た な 方 法 を 述 べ た 。

第 6 章 で は 、 本 研 究 報 告 に お け る 成 果 と 、 本 研 究 の 課 題 と 将 来 展 望 に つ い

て 述 べ た 。

iv

目 次

は じ め に ... i

目 次 ... iv

数 式 記 号 ・ 略 称 ... vi

第 1 章 緒 論 ... 1

1.1. 研 究 の 社 会 的 背 景 ... 1

1.2. 研 究 の 技 術 的 背 景 ... 8

1.2.1. 力 率 改 善 の 必 要 性 ... 9

1.2.2. 商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 回 路 構 成 例 ... 13

1.2.3. ス イ ッ チ ン グ 電 源 の ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 化 ... 32

1.2.4. ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 化 に 伴 う 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス に よ る 影 響 と 高 効 率 化 の 課 題 ... 43

1.3. 研 究 の 意 義 ... 46

第 2 章 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC に お け る ス イ ッ チ 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス 影 響 と 力 率 改 善 ... 50

2.1. 整 流 ス イ ッ チ ン グ 素 子 の 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス に よ る 力 率 低 下 .. 51

2.2. 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス の 電 圧 依 存 特 性 と 力 率 ... 56

2.3. 多 相 化 に よ る 力 率 改 善 ... 58

2.4. 低 電 流 時 昇 圧 回 路 切 り 替 え に よ る 力 率 改 善 ... 60

2.5. ま と め ... 62

第 3 章 LLC 回 路 の 損 失 評 価 及 び 高 効 率 化 ... 64

3.1. 損 失 評 価 の 条 件 ... 64

3.2. 損 失 評 価 の 結 果 ... 66

3.3. ト ラ ン ス 損 失 の 改 善 ... 74

3.4. ま と め ... 77

第 4 章 積 層 ト ラ ン ス に お け る 巻 線 間 キ ャ パ シ タ ン ス に 起 因 す る 損 失 解 析 と 、 巻 線 間 電 圧 を 考 慮 し た 層 レ イ ア ウ ト に よ る 損 失 改 善 .. 79

4.1. LLC の ト ラ ン ス に つ い て ... 79

4.2. プ レ ー ナ ト ラ ン ス の １ 次 ２ 次 間 キ ャ パ シ タ ン ス と 損 失 の 関 係 .. 82

4.3. 実 験 機 に よ る 検 証 ... 86

4.4. CPS ロ ス の 計 算 ... 87

v

4.5. ま と め ... 92

第 5 章 LLC 回 路 に お け る 橋 絡 キ ャ パ シ タ を 利 用 し た 損 失 改 善 ... 93

5.1. ト ラ ン ス の 結 合 と 銅 損 低 減 ... 93

5.2. ト ラ ン ス の 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス と 損 失 影 響 ... 95

5.3. Y キ ャ パ シ タ 接 続 位 置 に よ る 損 失 低 減 ... 97

5.4. 橋 絡 キ ャ パ シ タ に よ る 損 失 改 善 ... 98

5.5. シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 確 認 ... 103

5.6. ノ イ ズ 影 響 ... 106

5.7. ま と め ... 107

第 6 章 結 論 ... 109

謝 辞 ... 112

参 考 文 献 ... 113

付 録 ... 125

vi

数 式 記 号 ・ 略 称

CPS · · · ト ラ ン ス １ 次 、 2 次 間 キ ャ パ シ タ ン ス

（ Primary-Secondary Capacitance ）

EMI · · · 電 磁 障 害 （ Electro Magnetic Interference ） ESR · · · 等 価 直 列 抵 抗 （ Equivalent Series Resistance ） FG · · · フ レ ー ム グ ラ ン ド （ Frame Ground ）

FFT · · · 高 速 フ ー リ エ 変 換 （ Fast Fourier transform ）

GaN-HEMT · · · 窒 化 ガ リ ウ ム 高 電 子 移 動 度 ト ラ ン ジ ス タ （ Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor ）

ICT · · · 情 報 通 信 技 術 ( Information and Communication Technology )

IoT · · · モ ノ の イ ン タ ー ネ ッ ト （ Internet of Things ） IT · · · 情 報 技 術 （ Information technology ）

LISN · · · 疑 似 電 源 回 路 網（ Line Impedance Stabilization Network ） LTspice · · · 高 性 能 SPICE （ Simulation Program with Integrated

Circuit Emphasis ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ソ フ ト ウ エ ア PCB · · · プ リ ン ト 基 板 （ Printed Circuit Board ）

PFC · · · 力 率 改 善 （ Power Factor Correction ）

PFM · · · 周 波 数 変 調 （ Pulse Frequency Modulation ）

PSIM · · · パ ワ ー エ レ ク ト ロ ニ ク ス シ ミ ュ レ ー シ ョ ン （ Power electronics Simulator ）

PWM · · · パ ル ス 幅 変 調 （ Pulse Width Modulation ）

RCC · · · リ ン ギ ン グ チ ョ ー ク コ ン バ ー タ （ Ringing Choke Converter ）

Si-MOSFET · · · シ リ コ ン 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ （ Silicon -Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）

SiC ダ イ オ ー ド · · シ リ コ ン カ ー バ イ ド ダ イ オ ー ド （ Silicon Carbide Diode ）

vii

SiC-MOSFET · · シ リ コ ン カ ー バ イ ド 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ （ Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）

SJ-MOSFET · · · 超 接 合 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ （ Super Junction - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）

UPS · · · 無 停 電 電 源 （ Uninterruptible Power Supply ） ZCS · · · ゼ ロ 電 流 ス イ ッ チ ン グ （ Zero Current Switching ） ZVS · · · ゼ ロ 電 圧 ス イ ッ チ ン グ （ Zero Voltage Switching ）

𝐶 · · · 出 力 キ ャ パ シ タ / キ ャ パ シ タ ン ス F 𝐶 · · · ス イ ッ チ ま た は ダ イ オ ー ド の 出 力 キ ャ パ シ タ / キ ャ

パ シ タ ン ス F

𝐶 · · · 共 振 キ ャ パ シ タ ま た は 変 励 磁 防 止 キ ャ パ シ タ / キ ャ

パ シ タ ン ス F

𝐶 · · · ト ラ ン ス １ 次 、 2 次 間 キ ャ パ シ タ / キ ャ パ シ タ ン ス F 𝐶 · · · Y キ ャ パ シ タ / キ ャ パ シ タ ン ス F 𝐷 · · · 整 流 ダ イ オ ー ド

𝐷 · · · 最 大 デ ュ ー テ ィ 比

𝑓 · · · ス イ ッ チ ン グ 周 波 数 Hz 𝐼 · · · 時 間 t1 に お け る ト ラ ン ス １ 次 、2 次 間 キ ャ パ シ タ ン

ス 電 流 A

𝐼 · · · ス イ ッ チ ド レ イ ン 電 流 A 𝐼 · · · ダ イ オ ー ド 電 流 A

𝐼 · · · 入 力 電 流 実 効 値 A

𝐼 · · · 入 力 電 流 瞬 時 値 A 𝐼 · · · イ ン ダ ク タ 電 流 A

∆𝐼 · · · ト ラ ン ス 励 磁 電 流 の 振 幅 A

∆𝐼 · · · 出 力 イ ン ダ ク タ の リ ッ プ ル 電 流 の 振 幅 A

𝐼 · · · イ ン ダ ク タ 電 流 の 最 大 値 A

𝐼 · · · 出 力 電 流 A

𝑘 · · · LLC 回 路 の 励 磁 イ ン ダ ク タ と 共 振 イ ン ダ ク タ の 比

viii

𝐿 · · · イ ン ダ ク タ / イ ン ダ ク タ ン ス H 𝐿 · · · ト ラ ン ス 励 磁 イ ン ダ ク タ / イ ン ダ ク タ ン ス H 𝐿 · · · 出 力 イ ン ダ ク タ / イ ン ダ ク タ ン ス H 𝐿 · · · 共 振 イ ン ダ ク タ / イ ン ダ ク タ ン ス H 𝑛 · · · ト ラ ン ス 巻 数 比

𝑁 · · · ト ラ ン ス １ 次 巻 数 𝑁 · · · ト ラ ン ス ２ 次 巻 数 𝑃𝐹 · · · 力 率 （ Power Factor ）

𝑃 · · · 出 力 電 力 W

𝑃 · · · 有 効 電 力 W

𝑄 · · · 品 質 係 数

𝑄 · · · ス イ ッ チ 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス C 𝑄 · · · ス イ ッ チ

𝑄 · · · 電 源 冗 長 用 ス イ ッ チ

𝑅 · · · LLC 回 路 の ト ラ ン ス １ 次 側 に お け る 実 効 負 荷 抵 抗 Ω

𝑅 · · · 負 荷 抵 抗 Ω

𝑅 · · · ス イ ッ チ オ ン 抵 抗 Ω 𝑅 · · · 電 流 検 出 用 抵 抗 Ω 𝑅 · · · ト ラ ン ス の ２ 次 巻 線 か ら ２ 次 側 同 期 整 流 ス イ ッ チ

ま で の 配 線 の 交 流 抵 抗 Ω

𝑆 · · · 皮 相 電 力 VA

𝑇 · · · ス イ ッ チ ン グ 周 期 s 𝑡 · · · ス イ ッ チ 駆 動 信 号 の デ ッ ド タ イ ム s 𝑇 · · · ス イ ッ チ 駆 動 信 号 の オ フ 時 間 s 𝑇 · · · ス イ ッ チ 駆 動 信 号 の オ ン 時 間 s 𝑉 · · · ト ラ ン ス １ 次 、 ２ 次 間 キ ャ パ シ タ 電 圧 V 𝑉 · · · ス イ ッ チ ド レ イ ン 電 圧 V

𝑉 · · · 入 力 電 圧 V

𝑉 · · · 最 小 入 力 電 圧 V

𝑉 · · · 入 力 電 圧 実 効 値 V

𝑉 · · · 入 力 電 圧 瞬 時 値 V

ix

𝑉 · · · ト ラ ン ス ２ 次 電 圧 V

𝑉 · · · 出 力 電 圧 V

𝑉 · · · 目 標 （ 基 準 ） 電 圧 V

 · · · 電 力 変 換 効 率

𝜀𝑟 · · · 比 誘 電 率

1

第 1 章 緒 論

本 章 で は 、研 究 の 社 会 的 背 景 と 本 研 究 分 野 の 商 用 電 源 を 入 力 と す る ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 技 術 動 向 と 課 題 を 示 し 、 本 研 究 の 意 義 に つ い て 述 べ る 。

1.1. 研 究 の 社 会 的 背 景

18 世 紀 の 産 業 革 命 以 降 現 在 に 至 る ま で 、経 済 の 発 展 と 豊 か な 生 活 を 追 い 求 め て き た 結 果 、 図 1-1 に 示 す よ う な 様 々 な 地 球 環 境 の 問 題 が 起 き て い る

。 こ の 中 で も 1980 年 代 に な っ て 、 石 油 、 石 炭 な ど の 化 石 燃 料 の 大 量 消 費 に よ る 二 酸 化 炭 素 の 増 加 に よ り 、 大 気 中 の 温 室 効 果 ガ ス の 濃 度 が 上 昇 し 、 地 球 温 暖 化 の 問 題 が 特 に 深 刻 に な っ て い る 。

図 1-1 地 球 環 境 問 題 の 相 互 関 係

2

地 球 温 暖 化 に 対 す る 国 際 的 な 取 り 組 み と し て は 、 1992 年 に 大 気 中 の 温 室 効 果 ガ ス の 濃 度 を 安 定 化 さ せ る こ と を 目 標 と す る 「 国 連 気 候 変 動 枠 組 条 約 」 が 採 択 さ れ 、 1995 年 か ら 同 条 約 に 基 づ き 国 連 気 候 変 動 枠 組 条 約 締 約 国 会 議

（ COP ）が 毎 年 開 催 さ れ 、定 め ら れ た 温 室 効 果 ガ ス 排 出 削 減 の 数 値 目 標 に 対 し 、 各 国 が 取 り 組 み を 行 っ て い る 。

図 1-2 に 示 さ れ て い る 温 暖 化 の 緩 和 策 ・ 対 応 策

の 中 で も 、 積 極 的 な 対 策 と し て 重 要 と な る の が 温 室 効 果 ガ ス の 排 出 削 減 で 、 例 に 挙 げ ら れ て い る 「 省 エ ネ ル ギ ー 対 策 」、「 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 普 及 拡 大 」 の 具 体 的 な 取 り 組 み が 求 め ら れ る と 言 え る 。

2020 年 以 降 の 温 室 効 果 ガ ス 削 減 に 向 け た 日 本 の 約 束 素 案 は 、 裏 付 け あ る 対 策 ・ 施 策 や 技 術 の 積 み 上 げ に よ る 実 現 可 能 な 削 減 目 標 と し て 、 2030 年 度 に 2013 年 度 比 26.0% 減 の 水 準 と な っ て い る 。 こ れ に 対 す る 実 際 の 各 温 室 効 果 ガ ス の 排 出 量 の 推 移 は 図 1-3 の 通 り で 減 少 傾 向 に は あ る も の の 継 続 し た 削 減 の 取 り 組 み が 必 要 で あ る こ と が 分 か る 。 ま た 、 ほ と ん ど が エ ネ ル ギ ー 起 源

図 1-2 温 暖 化 の 緩 和 策 ・ 適 応 策

3

の （ 燃 料 の 燃 焼 で 発 生 ・ 排 出 さ れ る ） CO

と な っ て い る

。

図 1-3 温 室 効 果 ガ ス の 排 出 量 の 推 移

図 1-4 の CO

の 部 門 別 排 出 量 （ 電 気 ・ 熱 配 分 後 ） の 推 移 を 見 る と 製 造 業 、 運 輸 部 門 （ 自 動 車 等 ） な ど の 割 合 が 高 い が 、 図 1-5 の 2017 年 度 の 産 業 部 門 エ ネ ル ギ ー 源 別 CO

排 出 量 を 見 る と 、電 気 の 占 め る 割 合 が 多 く 今 後 更 に 化 石 燃 料 か ら 電 気 へ の 転 換 が 図 ら れ た 場 合 、電 力 使 用 量 の 削 減 は も と よ り 電 力 変 換 部 の 変 換 効 率 の 向 上 も 必 要 と さ れ て く る こ と が 予 想 さ れ る

。

0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

（単位百万トンCO2換算）

（年度）

代替フロン等４ガス 一酸化二窒素 メタン

CO2（非エネルギー起源）

CO2（エネルギー起源）

0 100 200 300 400 500

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

（年度）

CO2排出量（百万トンCO2）

産業部門

（工場等）

運輸部門

（自動車等）

業務その他部門

（商業・サービス・事業所等）

家庭部門

エネルギー転換部門

（電気熱配分統計誤差除く）

廃棄物（焼却等）

工業プロセスおよび製品の使用

その他（農業・間接CO2等）

図 1-4 CO

の 部 門 別 排 出 量 （ 電 気 ・ 熱 配 分 後 ） の 推 移

4

こ こ で 今 日 特 に 注 目 さ れ て い る 電 気 自 動 車 や IoT 分 野 で の 電 力 変 換 に 着 目 す る と 、電 気 自 動 車 で は 図 1-6 に 示 す 通 り 車 載 充 電 器 で 商 用 電 源 か ら 駆 動 用 バ ッ テ リ に 電 力 変 換 が 行 わ れ

、 デ ー タ セ ン タ や 通 信 ビ ル で は 図 1-7 お よ び 図 1-8 に 示 す 通 り 商 用 電 源 か ら 非 常 用 バ ッ テ リ と 、 ICT 装 置 や 通 信 装 置 に 電 力 変 換 が 行 わ れ て お り

、 こ の 部 分 の 変 換 効 率 の 向 上 が 求 め ら れ る こ と に な る 。 電 気 自 動 車 は コ ス ト 、 航 続 距 離 、 充 電 時 間 、 充 電 場 所 の 数 な ど の 課 題 解 決 が 進 め ら れ て お り 、 今 後 急 速 に 普 及 し て い く こ と が 予 想 さ れ て い る

。 IoT の 市 場 で は 高 度 IT 社 会 の 本 格 的 な 到 来 に 伴 い 今 後 社 会 で 扱 う 情 報 量 が 爆 発 的 に 増 加 す る 傾 向 で

、 図 1-9 に 示 す 通 り IT 機 器 の 消 費 電 力 量 の 増 加 が 予 想 さ れ て い る

。

こ の よ う な 背 景 か ら 、 こ れ ら に 用 い ら れ る “ 商 用 電 源 を 入 力 と す る ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 高 効 率 化 に 関 す る 研 究 ” を 研 究 テ ー マ と し た 。 ス イ ッ チ ン グ 電 源 （ レ ギ ュ レ ー タ ） と は 半 導 体 ス イ ッ チ 素 子 の オ ン ・ オ フ 時 間 比 率 を コ ン ト ロ ー ル す る こ と に よ り 負 荷 に 安 定 し た 電 力 を 供 給 で き る 電 源 で 、従 来 の シ リ ー ズ レ ギ ュ レ ー タ （ 負 荷 に 直 列 に 電 圧 制 御 素 子 が 接 続 さ れ た 電 源 ） と 比 べ 、 ス イ ッ チ 素 子 に 発 生 す る 電 力 （ ＝ 電 流 × 電 圧 ） を 大 幅 に 抑 制 し 電 力 変 換 効 率 を 向 上 さ せ る こ と が 出 来

、 多 く の 分 野 で 幅 広 く 利 用 さ れ て い る

。 電 気 自 動 車 、 デ ー タ セ ン タ や 通 信 ビ ル で は 、 そ の 機 能 、 負 荷 の 違 い に よ っ

石炭, 39

石炭製品, 89

石油製品 , 53 天然ガス・都

市ガス , 17 電力, 160

熱 , 55

2017年度

（百万トン）

図 1-5 産 業 部 門 エ ネ ル ギ ー 源 別 CO

排 出 量 （ 2017 年 度 ）

5

て い く つ も の 電 力 変 換 が 行 わ れ て い る が

、商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 で は 商 用 電 源 の 高 調 波 規 制 に 対 応 し 力 率 改 善 を 行 う AC-DC 部

と 、 負 荷 が 必 要 と す る 電 圧 変 換 と 絶 縁 を 行 う DC-DC 部

の 組 み 合 わ せ が 必 要 と な る 。 特 に 高 い 力 率 が 得 ら れ る AC-DC 部 の 回 路 は PFC （ 力 率 改 善 、 Power Factor Correction ） と 呼 ば れ て い る 。 こ の PFC 部 と DC-DC 部 で 構 成 さ れ た ス イ ッ チ ン グ 電 源 は 商 用 電 源 を 入 力 と す る 幅 広 い 分 野 の 機 器 で 使 用 さ れ て い る 。 例 え ば 、 近 年 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 有 効 利 用 の 重 要 性 が さ ら に 増 し て お り 、 実 用 化 が 広 く 進 め ら れ て い る が 、 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー が AC バ ス を 介 し て 複 数 の 負 荷 に 供 給 さ れ る グ リ ッ ド の 場 合 は 、 負 荷 側 に PFC 部 と DC-DC 部 で 構 成 さ れ た 電 源 が 必 要 と な る

。 こ の 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー を 効 率 よ く 利 用 す る に は 電 力 変 換 の 高 効 率 化 も 合 わ せ て 必 要 で あ る 。こ の よ う な 背 景 か ら 、研 究 テ ー マ と し て は PFC 部 と DC-DC 部 で 構 成 さ れ た 商 用 電 源 を 入 力 と す る ス イ ッ チ ン グ 電 源 を 対 象 と し た 。

ま た 、 ス イ ッ チ ン グ 電 源 に お い て 半 導 体 ス イ ッ チ 素 子 の 電 力 （ ＝ 電 流 × 電 圧 ） が 発 生 す る 時 間 を 短 縮 し 、 さ ら に 電 力 変 換 効 率 を 向 上 さ せ る こ と が 出 来 る ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ

と い う 技 術 が 、現 在 多 く の 分 野 で 幅 広 く 採 用 さ れ 始 め て い る た め 、研 究 テ ー マ は ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 中 で ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ を 行 う 電 源 を 対 象 と し た 。

な お 、 PFC 部 と DC-DC 部 構 成 さ れ る 商 用 電 源 を 入 力 と す る ス イ ッ チ ン グ

電 源 お よ び ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ に 関 し て は 、 1.2 章 の 研 究 の 技 術 的 背 景 で 詳

し く 説 明 す る 。

6

図 1-6 電 気 自 動 車 の シ ス テ ム 構 成 図 と 車 載 充 電 器 の 構 成

図 1-7 デ ー タ セ ン タ 給 電 シ ス テ ム と UPS の 構 成

7

図 1-8 通 信 ビ ル の 給 電 シ ス テ ム と 整 流 装 置 の 構 成

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000

2014年度 (実績)

2015年度 (見込)

2016年度 (予想)

2017年度 (予想)

2018年度 (予想)

2019年度 (予想)

2020年度 (予想) 億円/百万kWh

DC市場（億円） 消費電力量（百万kWh）

図 1-9 デ ー タ セ ン タ （ DC ） 市 場 、 消 費 電 力 量 の 推 移 予 想

8

1.2. 研 究 の 技 術 的 背 景

電 気 自 動 車 や 情 報 通 信 装 置 用 に 利 用 さ れ て い る 商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 基 本 構 成 は 、図 1-10 に 示 す 通 り 主 に PFC （ 力 率 改 善 、 Power Factor Correction ） 部 と 、 絶 縁 と 電 圧 の 変 換 を 兼 ね た DC-DC 部 で 構 成 さ れ て い る

。ス イ ッ チ ン グ 電 源 に 求 め ら れ る 技 術 は 、商 用 電 源 か ら 負 荷 に 電 力 を 供 給 す る 回 路 技 術 や そ こ に 用 い ら せ る デ バ イ ス の ほ か 、出 力 を 安 定 化 す る 制 御 、 温 度 上 昇 を 抑 制 す る 放 熱 、 ノ イ ズ を 抑 制 す る 回 路 （ フ ィ ル タ ）、 小 型 ・ 軽 量 化 す る 実 装 や 構 造 と い っ た 技 術 が 必 要 で 、 こ れ ら は そ れ ぞ れ 密 接 に か か わ っ て お り 最 適 化 さ れ る こ と に な る が 、本 研 究 で は 効 率 に 直 接 関 係 す る 電 力 変 換 部 に 焦 点 を あ て 、 ま ず 1.2.2 項 で 電 力 変 換 部 の 主 な 回 路 構 成 例 と そ の 特 徴 お よ び 課 題 を 示 す 。

次 に 、 1.2.3 項 に て ス イ ッ チ ン グ 電 源 を 高 効 率 化 す る た め に ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 化 が 進 め ら れ て い る 現 状 を 示 し 、そ の 実 現 方 法 と し て 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC 回 路 ＋ LLC 回 路 の 構 成 が 優 位 で あ る こ と を 示 す 。

さ ら に 、 1.2.4 項 に て ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ に 伴 い 寄 生 成 分 の 影 響 が 顕 在 化 し て き て い る 課 題 を 提 示 し 、そ の 改 善 が ソ フ ト ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 高 効 率 化 に 不 可 欠 で あ る と い う 本 研 究 の 技 術 的 背 景 を 示 す 。 寄 生 成 分 の 影 響 と は 、 具 体 的 に は PFC 部 に お け る ス イ ッ チ ン グ 素 子 の 寄 生 容 量 に よ る 力 率 低 下 と 、 DC-DC 部 の ト ラ ン ス 巻 線 の 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス に よ る 影 響 で あ る 。

図 1-10 商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 基 本 構 成

9

1.2.1. 力 率 改 善 の 必 要 性

ま ず 、商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 に お け る 力 率 改 善 の 必 要 性 に つ い て 説 明 す る 。

図 1-12 に 示 す よ う に 、 入 力 電 圧 と 入 力 電 流 が 歪 み の な い 正 弦 波 で 位 相 が 等 し い 理 想 的 な 場 合 に 力 率 は も っ と も 高 く な り 1 と な る 。力 率 は 有 効 電 力 と 皮 相 電 力 の 比 で 表 さ れ る 。 負 荷 側 で 消 費 さ れ る 電 力 （ 有 効 電 力 ） が 一 定 と す る と 、 入 力 電 流 波 形 の 歪 み が 少 な く 実 効 値 が 低 い と 力 率 が 高 く な る な り 、 商 用 電 源 の 給 電 設 備 へ の 負 担 が 少 な く な る 。 し か し 、 電 気 自 動 車 や 情 報 通 信 装 置 が 動 作 す る に は 直 流 電 圧 が 必 要 な た め 、商 用 電 源 の 交 流 電 圧 を 直 流 電 圧 に 変 換 す る 必 要 が あ る 。

有 効 電 力 1

周 期 入 力 電 圧 の 瞬 時 値 ∙ 入 力 電 流 の 瞬 時 値 dt

周 期

（ 1-1 ）

皮 相 電 力 入 力 電 圧 の 実 効 値 ∙ 入 力 電 流 の 実 効 値 （ 1-2 ） 力 率 有 効 電 力

皮 相 電 力 （ 1-3 ）

図 1-11 純 抵 抗 負 荷 の 回 路

図 1-12 純 抵 抗 負 荷 の 入 力 電 圧 、 電 流 波 形 （ 力 率 ＝ １ ）

10

商 用 電 源 の 交 流 電 圧 を 直 流 電 圧 に 変 換 す る 方 法 と し て キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 半 波 整 流 回 路 が あ る 。

図 1-12 で 示 し た 理 想 的 な 電 流 波 形 と の 比 較 と し て 、図 1-13 、図 1-14 に キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 半 波 整 流 回 路 と 、入 力 電 圧 に 対 す る 入 力 電 流 波 形 の 概 略 図 を 示 す 。 商 用 電 源 を 平 滑 す る 整 流 回 路 と し て は 非 常 に シ ン プ ル で あ る が 、 入 力 電 流 の 流 れ る 時 間 が 狭 ま る た め 、入 力 電 流 の 実 効 値 が 増 加 し 力 率 低 下 に つ な が り 、 商 用 電 源 の 給 電 設 備 へ の 負 担 が 大 き く な る 。

し た が っ て 、電 気 自 動 車 や 情 報 通 信 装 置 に 利 用 さ れ る 商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 に は 、力 率 を 改 善 し 商 用 電 源 の 交 流 電 圧 を 直 流 電 圧 に 変 換 す る 回 路 が 必 要 で あ り 、力 率 を １ に 近 づ け ら れ る 回 路 と し て 利 用 さ れ て い る の が PFC （ 力 率 改 善 、 Power Factor Correction ） 回 路 で あ る 。

力 率 が 低 く 歪 ん だ 入 力 電 流 波 形 は 、 商 用 電 源 の 50Hz も し く は 60Hz 以 外 の 周 波 数 の 高 調 波 電 流 を 含 む た め 、 こ れ が 入 力 側 の 商 用 電 源 に 帰 還 す る と 、 送 配 電 設 備 の 損 傷 や 同 じ 商 用 電 源 を 入 力 と し て い る 機 器 の 動 作 に 影 響 を 及

図 1-13 キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 半 波 整 流 回 路

図 1-14 キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 半 波 整 流 回 路 の 入 力 電 圧 ・ 電 流 波 形

11 ぼ す 恐 れ が あ る 。

高 調 波 に 対 す る 規 制 は 、 1980 年 代 の 主 に 蛍 光 灯 や 空 調 、 パ ソ コ ン な ど の 消 費 電 力 量 の 増 加 に と も な う 高 調 波 の 問 題 に 対 し 、 IEC （ 国 際 電 気 標 準 会 議 ） が 1982 年 に 家 庭 用 機 器 に よ る 高 調 波 の 発 生 を 寄 生 す る IEC555-2 を 策 定 し 、 多 く の 国 で 採 用 さ れ た 。そ の 後 1995 年 に 1 相 当 た り 16 ア ン ペ ア 以 下 の す べ て の 電 気 機 器 を 対 象 と し た IEC1000-3-2 が 発 表 さ れ 、 そ の 後 の IEC61000-3-2 を も と に 各 国 で 国 内 法 に 反 映 さ れ て い る

。

IEC61000-3-2 に よ る 機 器 の ク ラ ス 分 け を 表 1-1 に 示 す 。 電 気 自 動 車 や 情 報 通 信 装 置 に 利 用 さ れ る 商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 多 く は 、 規 制 値 の 最 も 厳 し い ク ラ ス A に 分 類 さ れ る 。 ク ラ ス A の 最 大 許 容 高 調 波 電 流 の 限 度 値 を 図 1-15 に 示 す 。

表 1-1 IEC61000-3-2 に よ る 機 器 の ク ラ ス 分 け

ク ラ ス A 平 衡 三 相 機 器 、 家 庭 用 器 具 （ ク ラ ス D の 機 器 を 除 く ）、

工 具 （ ポ ー タ ブ ル 工 具 を 除 く ）、 白 熱 ラ ン プ 用 調 光 器 、 オ ー デ ィ オ 機 器 、他 の 3 つ の ク ラ ス に 規 定 さ れ な い 機 器 ク ラ ス B ポ ー タ ブ ル 型 工 具 、 汎 用 ア ー ク 溶 接 機 器

ク ラ ス C 照 明 装 置

ク ラ ス D 消 費 電 力 600W 以 下 の 次 の 機 器

• パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ 及 び そ の モ ニ タ ー

• テ レ ビ 受 信 機

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

最大許容 高調波 電流［A ］

高調波次数

図 1-15 ク ラ ス A 限 度 値 （ 13 次 以 下 ）

12

近 年 で は ス イ ッ チ ン グ 電 源 が 商 用 電 源 を 入 力 と す る 機 器 に 幅 広 く 利 用 さ れ て お り 、 力 率 改 善 と と も に 高 調 波 の 抑 制 も 不 可 欠 と な っ て い る た め 、 ス イ ッ チ ン グ 電 源 メ ー カ ー を 含 む 業 界 団 体 で も IEC の 高 調 波 規 制 に 準 拠 し て い

る

。

13

1.2.2. 商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 回 路 構 成 例

商 用 電 源 を 入 力 と し た ス イ ッ チ ン グ 電 源 の 主 な 回 路 構 成 例 と そ の 特 徴 に つ い て 説 明 す る

。

図 1-16 は キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路

と RCC （ リ ン ギ ン グ チ ョ ー ク コ ン バ ー タ 、 Ringing Choke Converter ）回 路

を 組 み 合 わ せ た AC-DC 電 源 で あ る 。 回 路 構 成 は 非 常 に シ ン プ ル の た め 、 低 コ ス ト で 出 力 電 力 が 比 較 的 小 さ い 用 途 に 使 用 さ れ る 。

キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路 の 構 成 要 素 お よ び 入 力 電 圧 に 対 す る 入 力 電 流 波 形 の 概 略 図 を 図 1-17 に 示 す 。 整 流 ブ リ ッ ジ ダ イ オ ー ド で 全 波 整 流 さ れ る た め 、 図 1-13 で 示 し た 半 波 整 流 回 路 よ り も 高 調 波 電 流 は 減 少 す る が 、そ れ で も 入 力 電 流 波 形 は 入 力 電 圧 の 周 波 数 以 外 の 高 調 波 成 分 を 多 く 含 ん だ 波 形 と な る 。ま た 、半 波 の 入 力 電 流 に 対 ダ イ オ ー ド が 2 個 直 列 に 挿 入 さ れ る こ と に な る た め 、半 波 整 流 時 と 比 較 し ダ イ オ ー ド の 導 通 損 失 が 2 倍 と な る 。 整 流 ブ リ ッ ジ ダ イ オ ー ド は 全 波 整 流 用 に 一 つ の パ ッ ケ ー ジ に 4 個 の 整 流 ダ イ オ ー ド が 入 っ た 素 子 で あ る 。

ダ イ オ ー ド に は 古 く は 真 空 管 、 セ レ ン 、 ゲ ル マ ニ ウ ム な ど が 使 わ れ て き た が 、安 価 で 小 型 に で き る シ リ コ ン ダ イ オ ー ド が 広 く 使 用 さ れ る よ う に な っ て い る 。

図 1-16 キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路 ＋ RCC 回 路

14

RCC 回 路 の 構 成 要 素 お よ び 入 力 電 圧 に 対 す る 入 力 電 流 波 形 の 概 略 図 を 図 1-18 に 示 す 。平 滑 キ ャ パ シ タ は 整 流 ダ イ オ ー ド か ら 電 流 が 供 給 さ れ な い 期 間 は 、す べ て の 負 荷 電 流 を 供 給 し な け れ ば な ら な い た め リ ッ プ ル 電 流 が 大 き く な り 、 損 失 増 加 や キ ャ パ シ タ の 大 型 化 に つ な が る 。 整 流 ダ イ オ ー ド の 電 流 も 導 通 期 間 （ 主 ス イ ッ チ が オ フ の 期 間 ） に 負 荷 電 流 に 相 当 す る 電 流 が 流 れ 導 通 損 失 が 大 き い た め 、 高 効 率 化 に は 不 向 き で あ る 。

次 に 、 図 1-19 は チ ョ ー ク イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路

と フ ラ イ バ ッ ク 回 路

( 2 4 )

を 組 み 合 わ せ た AC-DC 電 源 で あ る 。 キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路

と RCC 回 路 を 組 み 合 わ せ た 構 成 と 同 様 に 、 回 路 は 非 常 に シ ン プ ル の た め 、 低 コ ス ト で 出 力 電 力 が 比 較 的 小 さ い 用 途 に 使 用 さ れ る 。

図 1-17 キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路 と 入 力 電 圧 ・ 入 力 電 流 波 形

図 1-18 RCC 回 路 と 動 作 波 形

15

チ ョ ー ク イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路 の 構 成 要 素 お よ び 入 力 電 圧 に 対 す る 入 力 電 流 波 形 の 概 略 図 を 図 1-20 に 示 す 。 挿 入 さ れ た イ ン ダ ク タ で キ ャ パ シ タ に 流 入 す る 電 流 の 導 通 期 間 が 広 が る た め 、キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 回 路 よ り も 高 調 波 電 流 は 減 少 す る が 、そ れ で も 入 力 電 流 波 形 は 入 力 電 圧 の 周 波 数 以 外 の 高 調 波 成 分 を 多 く 含 ん だ 波 形 と な る 。 ま た 、 イ ン ダ ク タ は 大 型 の も の が 必 要 に な る 。

フ ラ イ バ ッ ク 回 路 の 構 成 要 素 お よ び 入 力 電 圧 に 対 す る 入 力 電 流 波 形 の 概 略 図 を 図 1-21 に 示 す 。 RCC 回 路 と 同 様 に 、 平 滑 キ ャ パ シ タ は 整 流 ダ イ オ ー ド か ら 電 流 が 供 給 さ れ な い 期 間 は 、す べ て の 負 荷 電 流 を 供 給 し な け れ ば な ら な い た め リ ッ プ ル 電 流 が 大 き く な り 、損 失 増 加 や キ ャ パ シ タ の 大 型 化 に つ な が る 。 整 流 ダ イ オ ー ド の 電 流 も 導 通 期 間 （ 主 ス イ ッ チ が オ フ の 期 間 ） に 負 荷

図 1-20 チ ョ ー ク イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路 と 入 力 電 圧 に 対 す る 入 力 電 流 波 形

図 1-19 チ ョ ー ク イ ン プ ッ ト 全 波 整 流 回 路 ＋ フ ラ イ バ ッ ク 回 路

16

電 流 に 相 当 す る 電 流 が 流 れ る が 、波 形 は RCC 回 路 が 三 角 波 で あ る の に 対 し 、 フ ラ イ バ ッ ク 回 路 で は 矩 形 波 に な る た め 、ダ イ オ ー ド と 主 ス イ ッ チ の 導 通 損 失 は 改 善 さ れ る 。

次 に 図 1-22 は 、昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC 回 路

と フ ォ ワ ー ド 回 路

を 組 み 合 わ せ た AC-DC 電 源 で あ る 。 力 率 が 高 く 高 効 率 化 も 可 能 な た め 、 こ れ ま で 広 く 利 用 さ れ て い る 回 路 構 成 で あ る 。

昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC 回 路 の 構 成 要 素 を 図 1-23 に 示 す 。 ま た 、 入 力 電 圧 に 対 す る 入 力 電 流 波 形 と 半 導 体 の 動 作 波 形（ ス イ ッ チ ン グ 周 期 で 拡 大 ） の 概 略 図 を 図 1-24 に 示 す 。

主 ス イ ッ チ を 商 用 周 波 数 よ り も 高 い 周 波 数 で オ ン と オ フ を 繰 り 返 さ せ る こ と で 、 イ ン ダ ク タ に 流 れ る 電 流 の 平 均 値 を 正 弦 波 状 に 調 整 し 、 こ の 電 流 を 入 力 キ ャ パ シ タ で 平 滑 す る と 入 力 電 流 が 正 弦 波 に 近 づ け る こ と が 出 来 る 。ま

図 1-21 フ ラ イ バ ッ ク 回 路 と 動 作 波 形

図 1-22 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC 回 路 ＋ フ ォ ワ ー ド 回 路

17

た 、入 力 キ ャ パ シ タ は 入 力 電 流 の 高 周 波 成 分 の み 平 滑 す る た め 静 電 容 量 は 小 さ い 。こ の た め キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 回 路 や チ ョ ー ク イ ン プ ッ ト 回 路 と 比 較 し 、 大 幅 に 力 率 を 改 善 す る こ と が 可 能 と な る 。 図 1-24 で 示 し た イ ン ダ ク タ の 電 流 波 形 は 、正 弦 波 状 の 電 流 に 高 周 波 の リ ッ プ ル 電 流 が 重 畳 さ れ た 連 続 波 形 で 、 電 流 連 続 モ ー ド の PFC と 呼 ば れ る 。 ス イ ッ チ ン グ 周 波 数 は 常 に 固 定 と な る 。

半 導 体 ス イ ッ チ に は バ イ ポ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ が 使 わ れ て き た が 、よ り ス イ ッ チ ン グ 時 間 が 短 く オ ン 電 圧 が 低 い Si-MOSFET （ シ リ コ ン 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ 、 Silicon -Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ） が 広 く 使 用 さ れ る よ う に な っ て い る 。

図 1-23 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC 回 路

図 1-24 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC 回 路 の 入 力 電 圧 ・ 電 流 波 形 と

半 導 体 の 動 作 波 形 （ ス イ ッ チ ン グ 周 期 で 拡 大 ） の 概 略 図

18

出 力 キ ャ パ シ タ に 接 続 さ れ て い る ダ イ オ ー ド は 、 半 導 体 ス イ ッ チ と 同 期

（ 半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン の 時 、 ダ イ オ ー ド は オ フ ） し て 高 周 波 で オ ン と オ フ を 繰 り 返 す た め 、 ス イ ッ チ ン グ ス ピ ー ド の 速 い 特 性 が 必 要 と な る 。 具 体 的 に は オ フ 時 に 逆 電 圧 が 印 加 さ れ た と き の リ カ バ リ 電 流 が 少 な い（ 逆 回 復 特 性 が 優 れ て い る ） も の が 求 め ら れ 、 フ ァ ー ス ト リ カ バ リ な ど と 呼 ば れ る ダ イ オ ー ド が こ れ に 当 た る

。

昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC 回 路 の 高 効 率 化 を 大 き く 阻 害 す る 課 題 と し て は 、半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン ま た は オ フ す る と き に 電 流 と 電 圧 が 重 な る 領 域 で 大 き な ス イ ッ チ ン グ 損 失 が 発 生 す る 点 で あ る 。一 般 的 な 半 導 体 ス イ ッ チ の ス イ ッ チ ン グ 波 形 と 損 失 の 模 式 図 を 図 1-25 に 示 す

。 こ の よ う に ス イ ッ チ ン グ 損 失 が 発 生 す る 単 純 な オ ン ・ オ フ 動 作 を ハ ー ド ス イ ッ チ ン グ と い う 。

特 に 半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン し た と き 、ダ イ オ ー ド に 逆 電 圧 が 印 加 さ れ 大 き な リ カ バ リ 電 流 が 流 れ （ 図 1-26 ）、 半 導 体 ス イ ッ チ の ス イ ッ チ ン グ 損 失 と な る 点 で あ る 。

図 1-25 一 般 的 な 半 導 体 ス イ ッ チ の ス イ ッ チ ン グ 波 形 と 損 失 の 模 式 図

図 1-26 ス イ ッ チ タ ー ン オ ン 時 に 発 生 す る 整 流 ダ イ オ ー ド リ カ バ リ

に よ る 短 絡 電 流

19

ま た 、 Si-MOSFET は バ イ ポ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ と 比 較 し 、 ド レ イ ン － ソ ー ス 間 の 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス が 大 き い た め

、オ フ 時 に 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス に 蓄 え ら れ た 電 荷 が オ ン 時 に Si-MOSFET 自 身 で 放 電 さ れ る た め （ 図 1-27 ）、

こ れ に よ る ス イ ッ チ ン グ 損 失 増 加 の 課 題 が あ る 。

こ れ に 対 し 、 シ リ コ ン ダ イ オ ー ド と 比 較 し リ カ バ リ 電 流 が 非 常 に 小 さ い SiC ダ イ オ ー ド （ シ リ コ ン カ ー バ イ ド ダ イ オ ー ド 、 Silicon Carbide Diode ） が 実 用 化 さ れ た た め

、電 流 連 続 モ ー ド で も ス イ ッ チ ン グ 損 失 を 小 さ く 抑 え る こ と が 可 能 と な っ た 。 ま た 、 イ ン ダ ク タ の 電 流 の 振 幅 は 後 述 す る 電 流 臨 界 モ ー ド 比 較 し 約 1/2 と な る た め 、 半 導 体 ス イ ッ チ の 実 効 電 流 が 小 さ く 、 導 通 損 失 も 抑 制 で き る 利 点 が あ る 。

半 導 体 ス イ ッ チ に つ い て は 、 Si-MOSFET と 比 較 し 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス の 小 さ い SiC-MOSFET （ シ リ コ ン カ ー バ イ ド 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ 、 Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ） が 実 用 化 さ れ た た め

、オ ン 時 の ド レ イ ン － ソ ー ス 間 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス を 放 電 す る 損 失 の 発 生 を 抑 制 す る 効 果 が 得 ら れ る よ う に な っ た 。 さ ら に 、 そ の 後 さ ら に ス イ ッ チ ン グ ス ピ ー ド が 速 い GaN-HEMT （ 窒 化 ガ リ ウ ム 高 電 子 移 動 度 ト ラ ン ジ ス タ 、 Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor ） が 実 用 化 さ れ た た め

、 ス イ ッ チ ン グ 損 失 を 大 幅 に 抑 制 す る こ と が 可 能 と な っ て い る 。 し か し な が ら 、 SiC-MOSFET や GaN-HEMT は Si-MOSFET よ り も 理 論 上 オ ン 抵 抗 を 低 く 出 来 る が 、 現 状 量 産 レ ベ ル の オ ン 抵 抗 特 性 は 従 来 の Si-MOSFET に 及 ん で お ら ず コ ス ト も 高 い た め 、 汎 用 的 に 使 用 し に く い と い っ た 課 題 が あ る 。

図 1-27 ス イ ッ チ タ ー ン オ ン 時 に 発 生 す る ス イ ッ チ 出 力 キ ャ パ シ

タ ン ス の 電 荷 放 電 に よ る 短 絡 電 流

20

こ こ で 、昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC 回 路 の 制 御 動 作 を 簡 単 に 説 明 す る 。 図 1-28 に 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC 回 路 の 制 御 ブ ロ ッ ク 図 を 示 す 。

ス イ ッ チ ン グ 周 波 数 を 決 定 し て い る 発 振 器 か ら の ト リ ガ 信 号 に て ス イ ッ チ Q が オ ン 状 態 と な る 。 電 流 コ ン パ レ ー タ に て 、 ス イ ッ チ Q の ド レ イ ン 電 流 レ ベ ル が 、出 力 電 圧 𝑉 と 目 標 電 圧 𝑉 と を 比 較 す る 電 圧 誤 差 ア ン プ の 出 力 と 入 力 電 圧 の 全 波 整 流 波 形 と を 掛 け 合 わ せ た レ ベ ル に 到 達 す る ま で 出 力 さ れ る 。 ス イ ッ チ の オ フ 状 態 は 、 発 振 器 か ら の 次 の ト リ ガ 信 号 ま で 継 続 す る 。

次 に フ ォ ワ ー ド 回 路 の 構 成 要 素 お よ び 動 作 波 形 の 概 略 図 を 図 1-29 に 示 す 。

図 1-29 フ ォ ワ ー ド 回 路 と 動 作 波 形

図 1-28 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 連 続 PFC の 制 御 ブ ロ ッ ク 図

21

平 滑 キ ャ パ シ タ は イ ン ダ ク タ の リ ッ プ ル 電 流 の み が 流 れ る た め 、キ ャ パ シ タ の 小 型 化 が 可 能 で あ る 。整 流 ダ イ オ ー ド の 電 流 は 出 力 電 流 に イ ン ダ ク タ の リ ッ プ ル 電 流 が 重 畳 さ れ た 波 形 と な る た め 、 RCC 回 路 や フ ラ イ バ ッ ク 回 路 よ り 電 流 ピ ー ク 値 を 抑 え ら れ る 。

フ ォ ワ ー ド 回 路 の 高 効 率 化 を 大 き く 阻 害 す る 課 題 と し て は 、 図 1-25 で 示 し た よ う に 半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン ま た は オ フ す る と き の ス イ ッ チ ン グ 損 失 が 発 生 す る 点 で あ る 。 図 1-30 に 示 す 通 り 特 に 半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン し た と き 、 ダ イ オ ー ド に 逆 電 圧 が 印 加 さ れ 大 き な リ カ バ リ 電 流 が 流 れ 、 半 導 体 ス イ ッ チ の ス イ ッ チ ン グ 損 失 と な る 点 で あ る 。

ま た 半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン し た と き 、 Si-MOSFET は バ イ ポ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ と 比 較 し 、 ド レ イ ン － ソ ー ス 間 の 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス が 大 き い た め 、 オ フ 時 に 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス に 蓄 え ら れ た 電 荷 が オ ン 時 に Si-MOSFET 自 身 で 放 電 さ れ る た め（ 図 1-31 ）、こ れ に よ る ス イ ッ チ ン グ 損 失 増 加 の 課 題 が あ る 。

図 1-30 ス イ ッ チ タ ー ン オ ン 時 に 発 生 す る 転 流 ダ イ オ ー ド リ カ バ リ に よ る 短 絡 電 流

図 1-31 ス イ ッ チ タ ー ン オ ン 時 に 発 生 す る ス イ ッ チ 出 力 キ ャ パ

シ タ ン ス の 電 荷 放 電 に よ る 短 絡 電 流

22

次 に 、図 1-32 は 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC 回 路

と ハ ー フ ブ リ ッ ジ 回

路

を 組 み 合 わ せ た AC-DC 電 源 で あ る 。力 率 が 高 く 高 効 率 化 も 可 能 な た め 、

こ れ ま で 広 く 利 用 さ れ て い る 回 路 構 成 で あ る 。

昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC 回 路 の 構 成 要 素 を 図 1-33 に 示 す 。 ま た 、 入 力 電 圧 に 対 す る 入 力 電 流 波 形 と 、 半 導 体 の 動 作 波 形 （ ス イ ッ チ ン グ 周 期 で 拡 大 ） の 概 略 図 を 図 1-34 に 示 す 。 な お 、 回 路 構 成 は 電 流 連 続 タ イ プ と 同 一 で あ る が 、 制 御 の 方 法 が 異 な る 。

半 導 体 ス イ ッ チ を 商 用 周 波 数 よ り も 高 い 周 波 数 で オ ン と オ フ を 繰 り 返 さ せ る こ と で 、 イ ン ダ ク タ に 流 れ る 電 流 の 平 均 値 を 正 弦 波 状 に 調 整 し 、 こ の 電 流 を 入 力 キ ャ パ シ タ で 平 滑 す る と 、入 力 電 流 を 正 弦 波 に 近 づ け る こ と が 出 来 る た め 、 キ ャ パ シ タ イ ン プ ッ ト 回 路 や チ ョ ー ク イ ン プ ッ ト 回 路 と 比 較 し 、 大 幅 に 力 率 を 改 善 す る こ と が 可 能 と な る 。 た だ し 、 イ ン ダ ク タ の 電 流 の 振 幅 は 電 流 連 続 タ イ プ と 比 較 し 約 2 倍 と な る た め 、半 導 体 ス イ ッ チ の 実 効 電 流 が 大 き く 、 導 通 損 失 が 増 加 す る 。 な お 、 図 1-34 で 示 し た イ ン ダ ク タ の 電 流 波 形 は 、 0A で 半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン す る よ う に 制 御 さ れ て お り 、 電 流 臨 界 モ ー ド の PFC と 呼 ば れ る 。 詳 し く は 後 述 す る が 、 ス イ ッ チ ン グ 周 波 数 は 入 力 の 正 弦 波 の 波 高 値 に 応 じ て 変 化 す る 。

図 1-32 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC 回 路 ＋ ハ ー フ ブ リ ッ ジ 回 路

図 1-33 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC 回 路

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昇 圧 チ ョ ッ パ 型 PFC 回 路 の 高 効 率 化 を 大 き く 阻 害 す る 課 題 と し て は 、 半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン ま た は オ フ す る と き の ス イ ッ チ ン グ 損 失 が 発 生 す る 点 で あ る 。 電 流 連 続 PFC で は 半 導 体 ス イ ッ チ の オ ン し た と き 、 ダ イ オ ー ド に 逆 電 圧 が 印 加 さ れ 大 き な リ カ バ リ 電 流 が 流 れ 、半 導 体 ス イ ッ チ の ス イ ッ チ ン グ 損 失 と な る 点 が 大 き な 課 題 で あ っ た が 、 電 流 臨 界 PFC で は ス イ ッ チ ン グ ダ イ オ ー ド の 電 流 が 0A で 半 導 体 ス イ ッ チ が オ ン す る た め 、 リ カ バ リ 電 流 に よ る ス イ ッ チ ン グ 損 失 を 抑 制 す る 効 果 が え ら れ る 。 し か し 、 電 流 連 続 PFC 同 様 に 、 図 1-27 に 示 し た 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス の 電 荷 を 放 電 す る 損 失 は 発 生 す る 。

次 に ハ ー フ ブ リ ッ ジ 回 路 の 構 成 要 素 お よ び 動 作 波 形 の 概 略 図 を 図 1-35 に 示 す 。 前 述 し た フ ォ ワ ー ド 回 路 と の 大 き な 違 い は 、 主 ス イ ッ チ が タ ー ン オ フ し た 後 の ド レ イ ン 電 圧 が 入 力 電 圧 の 1/2 と な る た め 、 ス イ ッ チ ン グ 損 失 を 大 幅 に 低 減 で き る 。 ま た 、 主 ス イ ッ チ の オ フ 時 に 印 加 さ れ る 最 大 電 圧 が ほ ぼ 入 力 電 圧 と な る た め 、 ド レ イ ン 耐 圧 が 低 い 素 子 を 使 用 で き る 。 ド レ イ ン 耐 圧 が 低 い 素 子 が 使 用 で き る と オ ン 抵 抗 が 低 く 出 来 る た め 、導 通 損 失 を 低 減 で き る こ と に な る

。 ま た ト ラ ン ス は RCC 回 路 、 フ ラ イ バ ッ ク 回 路 お よ び フ ォ ワ ー ド 回 路 の よ う に ス イ ッ チ オ ン 期 間 に 励 磁 さ れ た 磁 束 を オ フ 期 間 に リ セ ッ

図 1-34 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 電 流 臨 界 PFC 回 路 の 入 力 電 圧 ・ 電 流 波 形 と

半 導 体 の 動 作 波 形 （ ス イ ッ チ ン グ 周 期 で 拡 大 ） の 概 略 図

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ト す る 必 要 が 無 い た め 、 正 負 に 電 圧 が 発 生 し て い る 期 間 、 電 流 を ト ラ ン ス ２ 次 側 に 伝 達 で き る た め 、 ト ラ ン ス の 利 用 率 を 上 げ ら れ る 利 点 が あ る 。 な お 、 ト ラ ン ス に 印 加 さ れ る 正 負 の 電 圧 と 印 加 時 間 が 一 致 し て い な い と 、ト ラ ン ス が 偏 励 磁 さ れ ト ラ ン ス コ ア が 飽 和 す る 恐 れ も あ る た め 、偏 励 磁 を 防 止 す る た め の キ ャ パ シ タ を ト ラ ン ス １ 次 巻 線 に 直 列 に 挿 入 さ れ て い る こ と が 多 い 。

フ ォ ワ ー ド 回 路 の 課 題 と し て 図 1-30 に 示 し た ス イ ッ チ タ ー ン オ ン 時 に 発 生 す る ダ イ オ ー ド リ カ バ リ に よ る 短 絡 電 流 や 、 図 1-31 で 示 し た ス イ ッ チ タ ー ン オ ン 時 に 発 生 す る ス イ ッ チ 出 力 キ ャ パ シ タ ン ス の 電 荷 放 電 に よ る 短 絡 電 流 の 影 響 は 、 ハ ー フ ブ リ ッ ジ 回 路 で も 同 様 に 課 題 と な る 。

こ こ で 図 1-33 に 示 し た 昇 圧 型 電 流 臨 界 PFC の 動 作 を 、 詳 し く 説 明 す る 。 図 1-36 に 昇 圧 型 電 流 臨 界 PFC の 制 御 ブ ロ ッ ク 図 を 示 す 。

ス イ ッ チ の オ ン 状 態 は 、電 流 コ ン パ レ ー タ に て 、ス イ ッ チ Q の ド レ イ ン 電 流 レ ベ ル が 、出 力 電 圧 𝑉 と 目 標 電 圧 𝑉 と を 比 較 す る 電 圧 誤 差 ア ン プ の 出 力 と 入 力 電 圧 の 全 波 整 流 波 形 と を 掛 け 合 わ せ た レ ベ ル に 到 達 す る ま で 出 力 さ れ る 。 ス イ ッ チ の オ フ 状 態 は 、 イ ン ダ ク タ 電 流 が ゼ ロ に な り イ ン ダ ク タ の ２ 次 巻 線 電 圧 が 低 下 す る の を ゼ ロ 電 流 検 出 コ ン パ レ ー タ が 検 知 す る ま で 継 続 さ れ る 。

図 1-35 ハ ー フ ブ リ ッ ジ 回 路 と 動 作 波 形

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［ ス イ ッ チ オ ン 時 ］

昇 圧 チ ョ ッ パ の ス イ ッ チ オ ン 時 の イ ン ダ ク タ に 印 加 さ れ る 電 圧 と 電 流 の 関 係 か ら 、（ 1-4 ） 式 が 成 り 立 つ 。

dt dt L dI dt

V

on T

T L t

i





^

（ 1-4 ）

ス イ ッ チ ン グ 周 期 内 で は 入 力 電 圧 は ほ ぼ 一 定 、 ス イ ッ チ オ フ 時 の イ ン ダ ク タ 電 流 の 最 大 値 を 𝐼 と す る と 、 電 流 臨 界 モ ー ド で は イ ン ダ ク タ 電 流 の 最 大 値 と イ ン ダ ク タ 電 流 の 振 幅 が 等 し く な る た め （ 1-5 ） 式 と な る 。

on peak L t

i

T

L I

V



（ 1-5 ）

た だ し 𝑉 を t の 関 数 で 表 し て い る の は 、 商 用 周 期 で 正 弦 波 状 に 変 化 す る こ と を 表 し て い る 。

［ ス イ ッ チ オ フ 時 ］

同 様 に 昇 圧 チ ョ ッ パ の ス イ ッ チ オ フ 時 の イ ン ダ ク タ に 印 加 さ れ る 電 圧 と 電 流 の 関 係 か ら 、（ 1-6 ） 式 が 成 り 立 つ 。

図 1-36 昇 圧 型 電 流 臨 界 PFC の 制 御 ブ ロ ッ ク 図

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  ^dt

dt L dI dt

V

V

T T L

T o it

on

on



 ^

^ _{（ 1-6 ）}

出 力 電 圧 𝑉 は 出 力 平 滑 キ ャ パ シ タ 𝐶 に よ り ほ ぼ 一 定 と す る と 電 流 臨 界 モ ー ド で は 、（ 1-7 ） 式 が 成 り 立 つ 。

off peak L on peak L t

i

o

T

L I T T L I V

V



 



off peak L t

i

o

T

L I V

V 





（ 1-7 ）

イ ン ダ ク タ 電 流 は 連 続 で 定 常 状 態 で は （ 1-5 ）（ 1-7 ） 式 の 𝐼 は 等 し い た め 、（ 1-8 ） 式 の 関 係 が 得 ら れ る 。





t

i

T V V T

V

 

) (t i off

off on

o

V

T T

V T  





（ 1-8 ）

こ こ で ス イ ッ チ ン グ 周 期 で の イ ン ダ ク タ 電 流 の 平 均 は 入 力 電 流 と 等 し く な る た め 、（ 1-9 ） 式 が 得 ら れ る 。

2

) ( )

(

peak L t

i

I I T

T 





) ( )

(_peak

2

L

I

I 

 （ 1-9 ）

（ 1-5 ）（ 1-9 ） 式 の 𝐼 は 等 し い た め 、（ 1-10 ） 式 が 得 ら れ る 。

on t i on

peak L t

i

T

L I T

L I

V

2





on t i t

i

T

L I V

2

) ( )

(





（ 1-10 ） 入 力 電 圧 の 瞬 時 値 𝑉 は 商 用 周 期 で 正 弦 波 状 に 変 化 す る た め 、 入 力 電 流 の 瞬 時 値 𝐼 と の 関 係 が （ 1-11 ） 式 で 表 さ れ る 。

on rms

i on

t i t

i

T

L t T V

L I V

2 sin 2

2

) ( )

( ) (

 



27 L t

V

I

T

sin  2

2

)

(



 （ 1-11 ）

こ の こ と か ら 、 𝑇 を 一 定 に 制 御 す れ ば 入 力 電 流 を 正 弦 波 状 に 制 御 で き る こ と に な る 。 こ れ は 図 1-36 の 制 御 ブ ロ ッ ク 図 の 電 圧 誤 差 ア ン プ の 出 力 レ ベ ル に 相 当 す る 。 以 上 が 動 作 原 理 と な る 。

次 に 入 出 力 条 件 と 操 作 量 （ オ ン 時 間 、 周 波 数 ） の 関 係 に つ い て 説 明 す る 。

（ 1-11 ） 式 を 変 形 す る と 次 式 が 求 ま る 。

) (

) ( )

( ) ( )

( )

(

2

sin 2

sin 2

2 sin 2

2

rms i

rms i rms

i rms i rms

i t i

on

V

LI t

V

t I

L t V

T  LI  





 _{（ 1-12 ）}

入 力 電 流 の 実 効 値 を 𝐼 、出 力 電 力 を 𝑃 、効 率 を  、入 力 電 圧 実 効 値 を 𝑉 と す る と 、 力 率 が ほ ぼ １ と し た 場 合 （ 1 - 1 3 ） 式 が 成 り 立 つ 。（ 1 -1 2 ）（ 1 - 13 ） 式 か ら 、 入 力 電 圧 と オ ン 時 間 𝑇 の 関 係 が （ 1-14 ） 式 で 求 め ら れ る 。

) ( )

(

rms i

o rms

i

V

I P

  （ 1-13 ）

2 ) ) (

( )

(

2

2

rms i

o rms

i rms i

o

on

V

LP V

V L P

T 

 



（ 1-14 ）

こ れ を 簡 易 的 に グ ラ フ で 表 す と 図 1-37 の よ う に な る 。

出 力 電 力 の 変 化 は 出 力 電 圧 の 変 動 と し て 図 1-36 の 制 御 ブ ロ ッ ク 図 の 電 圧 誤 差 ア ン プ に よ り フ ィ ー ド バ ッ ク さ れ 、オ ン 時 間 が 制 御 さ れ る こ と で 常 に 入

図 1-37 昇 圧 チ ョ ッ パ 型 PFC 回 路 の 入 力 電 圧 と オ ン 時 間

の 関 係 （ 電 流 臨 界 モ ー ド ）