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スイッチング電源の原理(中級)

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(1)

スイッチング電源の原理 ( 中級 )

201 6年 7 月21日

群馬大学 客員教授 落合政司

1

(2)

1. 電源回路の役目

2. スイッチング電源回路の使用例 3. 定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

3.1 シリーズレギュレータ 3.2 スイッチングレギュレータ

4. スイッチングコンバータ ( スイッチングレギュレータ ) の代表的な

回路方式

5. チョッパ方式非絶縁形コンバータ

5.1 降圧形 (Buck 形、カレントステップアップ形 ) コンバータ 5.1.1 降圧形コンバータの動作原理と静特性

5.1.2 パルス幅制御方式コンバータの動作モード 5.1.3 電流不連続モードにおける出力電圧ほか 5.1.4 動特性

5.1.5 降圧形 DC-DC コンバータの特徴および用途

5.2 昇圧形 (Boost 形、ボルテージステップアップ形 ) コンバータ 5.2.1 降圧形コンバータの動作原理と静特性

5.2.2 不連続モードの出力電圧、ほか 5.2.3 動特性

5.2.4 昇圧形 DC-DC コンバータの特徴およびと用途

内容

2

(3)

3

5.3 昇降圧形 (Buck Boost形、極性反転形) コンバータ 5.3.1 昇降圧形コンバータの動作原理と静特性

5.3.2 不連続モードの出力電圧、ほか 5.3.3 動特性

5.3.4 昇降圧形コンバータの特徴および用途 5.4 3方式の纏め

6. 非共振 ( 矩形波 ) 絶縁形コンバータ

6.1 リンギングチョーク形コンバータ (RCC)

6.1.1 リンギングチョーク形コンバータの動作原理 6.1.2 スイッチングトランスの等価回路

6.1.3 理想的な状態における静特性と動作状態 6.1.4 実際の回路での静特性および動特性

6.1.5 リンギングチョーク形コンバータの特徴と用途

6.2 フライバック形 ( オンオフ形、他励式フライバック形 ) コンバータ 6.2.1 フライバック形コンバータの動作原理と静特性および動特性 6.2.2 電流不連続モードでの出力電圧など

6.2.3 フライバック形コンバータの特徴と用途

内容

(4)

4

6.3 フォワード形 (オンオフ形)コンバータ

6.3.1 フォワード形コンバータの動作原理と静特性 6.3.2 電流不連続モードでの出力電圧など

6.3.3 動特性

6.3.4 フォワード形コンバータの特徴と用途 6.4 3方式の纏め

7. 共振絶縁形コンバータ

7.1 電圧共振フライバック形コンバータ (1 石電圧共振回路 )

7.1.1 電圧共振フライバック形コンバータの構成と一周期期間の動作 7.1.2 スイッチの ZVS 条件

7.1.3 出力電圧の制御 7.1.4 今後の展望

7.2 電流共振形コンバータ (SMZ コンバータ ) 7.2.1 電流共振形コンバータの動作原理 7.2.2 一周期間の動作

7.2.3 出力電圧の制御

7.2.4 電流共振形コンバータの特徴 7.3 部分共振形コンバータ

内容

(5)

1.電源回路の役目

一般の電気及び電子機器は直流で動きます。

パソコン

1.2V,3.3V,5V,12V ,他 液晶テレビ

5V,12V,18V,24V,32V ,他

したがって、交流を直流に変換する回路が必要となります。これが電源回路 です。一般の電気及び電子機器には必ず電源回路が付いています。

図1.1 液晶テレビとパソコンの使用電源例 5V :マイコン、デジタル信号処理回路

12V :信号処理回路 18V :音声出力回路

24V :バックライト(冷陰極管)用インバータ 32V :チューナー用電圧

・集中型発電・・・AC(電力会社:10社)

・分散型発電・・・

AC/DC

5

(6)

交流電圧

直流電圧

整流出力電圧

図1.3 電源回路の役目と構成

電気・電子機器

電源回路は、交流電圧から安定化された直流電圧を作り負荷回路に供給します。

負荷回路

メイン 電源回路 (AC-DC コンバータ ) 整流・平滑回路

・整流

・平滑

DC-DC コンバータ

・安定化

・絶縁

DC-DCコンバータ

・電圧変換・安定化 負荷回路

POL電源

E

i

E

o

E

o

E

1

E

i

+

1.電源回路の役目

・ムーアの法則

・スケーリング

・感電防止

6

(7)

待機電源回路 (AC-DC コンバータ ) 整流・平滑回路

・整流

・平滑

DC-DCコンバータ

・安定化

・絶縁

電気・電子機器 リモートコント

ロール受光部

μ コンピュータ

電磁リレー

ほとんどの電気及び電子機器はリモートコントロールが付いているために、メイン 電源とは別に待機電源を備えています。

図1.4 リモートコントロールを備えた機器の電源回路構成-1

主電源 スイッチ

負荷回路

メイン 電源回路 (AC-DC コンバータ ) 整流・平滑回路

・整流

・平滑

DC-DCコンバータ

・安定化

・絶縁

DC-DC コンバータ

・電圧変換・安定化 負荷回路

POL電源

+ +

主電源スイッチが電磁リレーの電源に 入っているものもある。

1.電源回路の役目

7

(8)

出典:サンケン電気ホームページ、http://221.253.80.196/prod/powersp/sw/swc/index.htm

図1.6 電源ユニット例

印刷配線板、トランス、放熱板、

キャパシタ及びダイオード、

FET、IC等の半導体により 構成されている。

1.電源回路の役目

8

(9)

第1章 : 演習問題

1.1 現在は集中型発電が主であるが、交流による送配電が行われている。

その主たる理由は何か ?

発電所から高電圧で送電し電流を減らすことにより、送電損失を少なくしています。

送電を開始した当時には直流を変圧する技術がなく,容易に変圧できる交流送電 が採用されました。

9

(10)

2.スイッチング電源回路の使用例

図2.1 スイッチング電源回路使用例(液晶テレビ)

液晶テレビ(CCFLLED)

・待機電源

5V:マイコン、デジタル信号処理回路

・メイン電源

24V:バックライト(冷陰極管)用インバータ 32V:チューナー用電圧

・サブ電源

12V:信号処理回路 18V:音声出力回路

(財)省エネルギーセンター平成20年度待機時消費電力調査報告書

・家庭にある液晶テレビの待機電力:0.44W(n=26)

・現在販売している液晶テレビの待機電力:0.29W(n=175)

エネルギーの使用の合理化に関する法律(省エネ法)でテレビ、エアコン、

蛍光灯器具 、複写機、電子計算機、磁気ディスク装置、VTR、乗用自動車、

貨物自動車、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、他、合計23品目のエネルギー消 費効率が定められている。

出展:スイッチング電源の現状と動向2010()JEITA,20103月.

10

(11)

2.スイッチング電源回路の使用例

図2.2 スイッチング電源回路使用例(複合機)

・待機電源

3.3V,5V:マイコン、デジタル信号処理回路

・メイン電源

12V,24V

出展:スイッチング電源の現状と動向2010()JEITA,20103月.

11

(12)

2.スイッチング電源回路の使用例

図2.3 スイッチング電源回路使用例(プロジェクタ)

回路構成 : PFC+矩形波コンバータ(PWM1コンバータ)

5V : IC、デジタル信号処理 12V : 信号処理

18V : 音声出力(無いものもあり)

360V~380V : バラスト出力用(PFC出力) 280W~360W

(電子安定器)

⇒ランプ用電圧:20V~90V

High Intensity Discharge Lamp(高輝度放電灯)

PFC 回路 AC100V

矩形波 コンバータ 360V~380V

5V,12V,18V

電子

バラスト 20V~90V

出展:スイッチング電源の現状と動向2010()JEITA,20103月.

12

(13)

2.スイッチング電源回路の使用例

図2.4 スイッチング電源回路使用例(航空機内)

入力 :三相AC200V(相電圧115V)/400Hz⇒周波数変換後AC110V/60Hz

出力 :DC24V、他(コンセント出力:AC110V/60Hz、Em Power出力:DC10-15V)

周波数 変換回路

整流・平滑 スイッチング

コンバータ

AC110V/60Hz 24V、他

三相AC200V/400Hz 相電圧:115V

出展:スイッチング電源の現状と動向2010()JEITA,20103月.

Em Power:最近の旅客機に搭載されている乗客席用の航空機内直流(DC)電源の世界標準規格。 DC10-15Vの

電圧が出力される。コネクタは円形。中央に2本の接続端子がある。

) (

) (sec) (

) ( )

( f Hz

W T P

W P J

W   

W:

一周期間に供給されるエネルギー

13

(14)

2.スイッチング電源回路の使用例

図2.5 スイッチング電源回路使用例(ハイブリッド車)

入力(HVバッテリー):201.6V

⇔出力:DC500Vモータ用・ジェネレータ用インバータ、他⇔三相AC電圧

⇒出力:DC14V(補器バッテリー)

バッテリー 201.6V

昇圧 コンバータ

モーター用 インバータ

ジェネレー タ用 インバータ

降圧 コンバータ

補器 バッテリー 500V

14V

三相 AC 三相 AC

出展:スイッチング電源の現状と動向2010()JEITA,20103月.

ブラシレスDCモータ

14

(15)

2.スイッチング電源回路の使用例

図2.6 スイッチング電源回路使用例(太陽光発電システム:パワーコンディショナ)

パワーコンディショナ

家庭用(5.5kW以下) 定格入力電圧:250V ,最大入力電圧:380V程度,出力:AC100V 産業用(10kW以上) 定格入力電圧:300V ,最大入力電圧:500V程度,出力:AC100V

パワーコンディショナの駆動回路用電源、制御用電源 駆動回路用電圧:10V~15V

制御回路用電圧:±12V, 5V,3V

AC 100V 家庭用

DC250V-380V

出展:スイッチング電源の現状と動向2010()JEITA,20103月.

15

(16)

2.スイッチング電源回路の使用例

図2.7 スイッチング電源回路使用例(ACアダプタ)

標準出力電圧:19V

(16Vもある)

出力電圧

:5V

12V

出力電圧:12V

出展:スイッチング電源の現状と 動向2010,(社)JEITA,

20103月.

16

(17)

第2章 : 演習問題

2.1 スイッチング電源回路にはいろいろな機器に使われている。どのような事が必要と されるか?

・高い信頼性 ・安全性

・高効率、低消費電力 ( 動作時及び待機時の電力 ) ・高性能

・小型、軽量 ・低コスト ・低ノイズ

17

(18)

図3.1 定電圧回路の分類

定電圧回路とは、入力電圧や負荷電流が変動したときに出力電圧E o が変化するのを 防止し一定にするための回路であり、安定化された直流電圧(出力電圧E o )を負荷 に供給する役割を果たしている。図 3.1 に示すように,定電圧回路にはリニア方式とス イッチング方式があります。リニア方式にはシリーズレギュレータとシャントレギュレータが ありますが,現在は,シャントレギュレータはほとんど使われておらず,シリーズレギュレー タで代表されます。

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

18

スイッチング方式

定電圧回路 リニア方式 シリーズレギュレータ

シャントレギュレータ

スイッチングレギュレータ

(19)

図3.2 リニア方式定電圧回路の原理 )

1 . 3 ( )

(

o

i

o

E r R I

E   

  ( 3 . 2 )

1

) 1

(

) (

) (

R r

rI E E

R E rI r

E R I

r E E

I I r E

o i

o

o o

o o

o o

o i

 

(a) シリーズレギュレータ (b) シャントレギュレータ

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

19

E

i

E

o

r R

R

o

I

o

E

i

E

o

r

R R

o

I

o

I

(20)

入力電圧Eiもしくは出力電流(負荷電流)Ioが変化すると出力電圧Eoが変化してしまう。

このときに抵抗 R を変え、出力電圧 Eo を一定にする。図3.2(a)では出力電圧 Eo が低下 するとこれと連動して抵抗 R が減少する。また、図3.2(b)では、出力電圧 Eo が低下する とこれと連動して抵抗Rが増大する。このような動作で出力電圧Eoの低下が補償され るが、一般的には図3.2(a)の方式が広く用いられている。

図3.3 リニア方式定電圧回路の特性図

(a) (b)

Eo

R

Eo

R

o i

rI E

r I

E R

I R r E

o i

o i

 ( )

o i

rI E

図3.2 (a)に示すシリーズレギュレータは、実際には次のような構成になっている。

0 0

o i

o

E r R I

E   (  )

  r rI R

E

o

E

i o

  1

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

20

(21)

Ei Eo 制御回路

比較回路

誤差増幅器 検出回路

基準電圧

図3.4 シリーズレギュレータの構成

差動増幅器、ゲイン: α

帰還量: β 帰還回路

Eo Vref

βEo

図3.5 シリーズレギュレータの考え方 Vref.

Ei

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

21

(22)

 

となります。

  なら より

) 3 . 3 ( 1 1

) 1

(

2 2

1

 

 

 

 

ref ref

o

ref o

o o ref

o ref

R V R V R

E

V E

E V

E E

V

 





図3.4に示すシリーズレギュレータは図3.5に示す差動増幅器と考えることが できる。ここで、出力電圧 Eo を求めると以下のようになる。

つまり、式(3.3)で決まる一定の出力電圧 Eo を得ることができる。

(式(3.3)の R

1

と R

2

は図3.6を参照)

以下、シリーズレギュレータとスイッチングレギュレータについて説明する。

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

22

(23)

3.1 シリーズレギュレータ

入力と出力の間に直列に接続されており、 Q

1

のベース電流をi

B1

調節してコレクタ・

エミッタ間 v

CE1

を変化させることにより出力電圧E o を一定にしている。このときの入力 電圧 Ei と出力電圧 Eo との差はトランジスタの損失 Pc として消費される。

) 4 . 3 ( )

(

i o o

c

E E I

P   

図3.6 シリーズレギュレータの構成

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

23

+

i

B1

出力電圧 Eo 入力電圧

Ei

I

O

Q1

v

CE1

R

1

R

2

R

3

R

4

Q

2

v

BE2

V

Z

D

Z

r

(24)

時間 t 0

電圧V

出力電圧 Eo 入力電圧Ei

ここの部分はトランジスタの熱として捨てる。

この部分を負荷に供給する。

図3.7 シリーズレギュレータの動作説明図

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

24

 

) 6 . 3 (

) 5 . 3 ( )

(

4 2

1

2 2

2 1 1

4 2

1

R h

R E

S E

V R V

R V R

rI R E

h E R

fe i

o

Z BE

BE o

i fe

o

 

 

 

 

 

このときのシリーズレギュレータの出力電圧と入力電圧に対する出力電圧の変動

率(安定指数)は以下のようになります。

(25)

25

このシリーズレギュレータには以下のような特徴がある。

・部品点数が少ない。

・動作が安定しており、 ノイズがない。

・損失が大きい。

・放熱板などがあり、 大きく重い。

・入力電圧より高い出力電圧は出ない。

・入出力の絶縁が困難

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

) 7 . 3 ( )

(

) 5 . 3 (

0164 .

0 200

11 36

2 2 1

2 2

2 1

2

2 4

1

Z Z

BE o

o fe

fe

R V R V R

R V R E R

E h

S h

k R

k R

 

 

 

 

ます。

決まる直流電圧となり 電圧と分圧抵抗だけで

は基準 とすると,出力電圧

第一項が十分に小さい が十分に大きく式

ここで

になります。

とすると

(26)

I

O

出力電圧

E o

入力電圧

E i C R o

図3.8 スイッチングレギュレータの回路例:降圧形 (Buck 形 ) コンバータ

D

Q L

比較回路 誤差増幅器

基準電圧 時比率制御回路

(V-PW変換器)

発振器

3.2 スイッチングレギュレータ

スイッチングレギュレータはDC-DCコンバータと発振器および制御回路(基準電圧、比較回路、

増幅回路、時比率制御回路もしくは周波数制御回路 ) から成り、 DC-DC コンバータのスイッチ Qの時比率 ( デューティレシオ D=T

on

/T) もしくは周波数を制御し出力電圧 Eo を一定にする。これらは

①パルス幅制御 (PWM : Pulse Width Modulation) 方式

②周波数制御 (FM : Frequency Modulation) 方式 ( ※ ) という。

DC-DC

コンバータ

発振器及び 制御回路

注)※印

スイッチング周波数制御方式、

パルス周波数制御方式ともい う。

3 つの方法がある。

・D一定でfを変える。

・Ton一定でToffを変える。

・Toff一定でTonを変える。

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

26

(27)

) 8 . 3 ( 0

) (

) 2 / (

2

L t E t E

L i E dt

L di dt E

L di E e E

E i L

LI

o i

P

 

電流となる。

線的に増加する 電流は時間に対して直

が加わった時に流れる 定電圧

このことよりコイルに

が誘起される。

を打ち消す方向に電圧 が流れると、その電流

に電流 インダクタンス

コイル

られることになる。

なるエネルギーが蓄え の終わりには

流が流れ、オン期間 て直線的に増加する電

コイルには時間に対し スイッチがオンすると

t

i

T

on

I

P

を求める。

タの出力電圧 として降圧形コンバー

流れる電流(平均値)

を コイル

, 一周期間

オフ期間,

オン期間,

次に

o

L off

on off

on

E

L I

T T

(T T

T

T : : :   ) :

図3.9 コイルに流れる電流

0

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

27

(28)

   

o L on

i i

on o

o

L o off

on L o on

L i off L o on

L o i

I I T T D E

D T E

E T

E

T I E T

T I E T

I E T

I E T

I E E

, ただし,

は以下となる。

これより

 

、次の式が成立つ。

ネルギー に負荷に放出されるエ

エネルギーはオフ期間 蓄えられる

オン期間にコイルに

 

( 3 . 9 ) ,

等しく

i o

E E

) /

( T T

D

on

図3.10 降圧形コンバータにおける時比率(デューティレシオ)と入出力電圧比

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

o

L

I

I

t

i

L

E

i

E

o

R

o

L

D C

Q

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

28

I

o

(29)

o

i

E

E

E

o

E

i

E

i

E

o

E

o

(a)

Qオン期間

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

Q

Q

D D

(b)

Qオフ期間

I

L

I

L

 

   

     

2 1

0 0 0

0

Ls E s

s i s I

i E s sI L

dt E L di L t

t E i i

o L

L o

L L

o L o

L L

T

off

t

i

L

T T

on

0

t

0

t

1

T

L

o

I

I

) 0

L

(

o i

L

t i

L E i E  

図3.11 降圧形コンバータにおけるコイル電圧と電流

R

o

R

o

L

L

C C

 

平均値はゼロになる。

する電圧の一周期間の となり,コイルに発生

電流の変化はなく,

時刻にコイルに流れる と

定常状態では

t  0 tT e   L di / dt  0

29

E

o

o

i

E

EV

L

0

E

i

面積が等しくなる。

I

o

I

o

(30)

図3.12 降圧形コンバータにおけるスイッチのオン期間と出力電圧 )

9 . 3

 

(

i i

on

o

E D E

T

ET  

オン期間に入力電圧がダイオード両端に現れる。この電圧がLCで平滑され、その平均値 が出力電圧になる。

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

: 高い

E

o

E

o

: 低い

E

o

Q

D R

o

L

C

30

E

i

I

o

V

D

(31)

Ei Eo

DC-DC コンバータ

比較回路 誤差増幅器

基準電圧 時比率制御回路

(V-PW 変換器 ) 発振器

これらのスイッチングレギュレータの実際の構成は図3.15になります。

(a) 他励式のパルス幅制御式 誤差

(電圧)

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

図3.14 スイッチングレギュレータの実際の構成 31

スイッングレギュレータ 他励式

自励式

パルス幅制御方式 周波数制御方式

周波数制御方式 図3.13 発振方式によるスイッチングレギュレータの分類

スイッチングレギュレータには発振器の付いていないものもあり、これを自励式といいます。

(32)

Ei Eo

DC-DC コンバータ

比較回路 誤差増幅器

基準電圧

(c) 自励( Self-commutated )式の周波数制御方式

・発振器やPWM制御回路が付いてない。

・入力電圧や出力電圧が変化⇒自動的にDが変化する。

・負荷電流が変化⇒自動的に周波数が変化する。

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

32

(b) 他励式の周波数制御方式

Ei Eo

DC-DC コンバータ

比較回路 誤差増幅器

基準電圧 周波数制御回路

(V-F 変換器 ) 発振器

誤差 ( 電圧 )

図3.15 スイッチングレギュレータの実際の構成

(33)

33

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

スイッチングレギュレータはシリーズレギュレータに比較して以下のような特徴を持っている。

・損失が少ない。

・小型、軽量。

・入力電圧より高い出力電圧を出すことができる。

・入出力の絶縁が容易

・部品点数が多い。

・ノイズが大きい。

・安定性はシリーズレギュレータより劣る。

降圧形コンバータの入力電圧の変動に対する出力電圧の変動率 S は以下となります。

 1 /  ( 3 . 10 ) ( 5 . 19 ) : 帰還量

2

2

  

 

 

o o

o o i

o

E D

D E

R Z D

D E

S E

(34)

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

図3.16 降圧形コンバータにおける出力電圧の変動率S

0164 . 11 0

200 36

4 2

1

 

 

 

k k R

h R E

S E

fe i

o

シリーズレギュレータ

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0 20 40 60 80 100 120

β=0.1 β=0.2

E

o

(V)

S D  0 . 5

34 0164

.

 0 S

シリーズレギュレータ

(35)

t

r

t

f

T

on

T

off

t

T

Q Q

i v ,

P

r

P

on

P

f

I

P

V

QP

V

Q

I

P

P

Q

0 t

0

0

v

Q

i

Q

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

リンギングチョークコンバータの一周期間におけるスイッチの損失を図3.17に示して いる。リンギングチョークコンバータの場合、この他にも、スイッチングトランスの損失(鉄損 と銅損)及びダイオードの損失(順方向損失とリカバリー損失)等を生じるがシリーズレギュ レータと比較すると非常に小さい。

P

on

:オン期間の損失、PrおよびPf:立上りおよび立下り時間におけるスイッチング損失

図3.17 一周期間におけるスイッチの損失(リンギングチョークコンバータの場合)

35

(36)

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

36

 

   

   

ます。

はオン抵抗を示してい の実効電流,

は はスイッチング損失,

ただし,

SW Q rms Q on

on rms

Q f

P QP r

P Q

on rms

Q f

P QP r

P Q on

SW Q

on rms

Q on

f r

SW

f P t QP

f P

f QP t

Q Q f

r P t Q

r P r

Q t

Q Q r

R i

i P

R i

t I V t

I f V

R i

t I V t

I T V

P P

P

R i

P

P P

P

T t I dt V

t I t

t V t dt T

i T v

P

T t I dt V

t I t t

V t dt T

i T v

P

r f

r r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

) 11 . 3 6 (

6 1

1 6 1

1

1 6 1

1

2

2 2

0 0

0 0

それぞれの特徴をまとめると表3.1 のようになります。現在は、小型・軽量で

あるために、いろいろな製品にスイッチングレギュレータが採用されている。

(37)

表3.1 二方式の比較

シリーズレギュレータ スイッチングレギュレータ 効率 低い(30~80%程度) 高い(85~97%程度)

大きさ・重さ 大きい、重い 小型、軽い

部品点数 少ない 多い

安定性 良好 普通

(シリーズレギュレータより劣る)

出力電圧の 変動率

S

小さい シリーズレギュレータより大きい

ノイズ ない 輻射ノイズ、伝導ノイズともに大

出力電圧 入力電圧以下 入力電圧以上も可

出力リプル電圧 小さい(10mV以下) 大きい(大きさは出力電流と出力コンデンサ のインピーダンスによる)

出力インピーダンス 小さい シリーズレギュレータより大きい

過渡応答速度 早い シリーズレギュレータより遅い

(減衰時定数は降圧形で200μs程度)

ワイド入力対応 困難 可能

信頼性 部品点数が少なく、高い。 普通(部品点数が多い分シリーズレギュレー タより劣る)

絶縁 困難(大きな電源トランスが必要になる。) 容易

3.定電圧回路 ( 電圧安定回路 )

37

4 2

1

R h

R E

S E

fe i

o

 

E

o

D S D

 

2

(38)

3.1 ( )内に適当な言葉を入れなさい。

・定電圧回路を大別すると( ① )と( ② )に分けることができる。現在は、小型・軽 量であるために、いろいろな製品にスイッチングレギュレータが採用されている。

・スイッチングレギュレータはDC-DCコンバータと制御回路から成り、スイッチング素子Qの ( ③ )もしくは( ④ )を制御し出力電圧 Eo を一定にする。

これらは ( ⑤ ) 方式及び ( ⑥ ) 方式という。

( ⑤ )方式ではスイッチング周波数は一定で( ③ )を制御する。

( ⑥ )方式では

(1)( ⑦ )期間は一定で( ⑧ )期間を変化させ周波数を変える方式 (2)( ⑧ )期間は一定で( ⑦ )期間を変化させ周波数を変える方式 (3)( ⑦ )期間と( ⑧ )期間の比率は一定で周波数を変える方式 の 3 つの方式がある。

この他にも自励式がある。この方式では入力電圧等が変化すると自動的に( ③ )が変化 し出力電圧を一定にするように制御し、負荷が変動すると( ④ )も変化する。

(注)サンケン電気では、矩形波コンバータをオフ期間固定でオン期間を制御する方式を特にPRC(Pulse Rate Control)と言っている。

第3章 演習問題

38

(39)

代表的回路方式

スイッチ

素子数 制御方式 用途

非共振形

(矩形波)

コンバータ

チョッパ方式 非絶縁形

降圧形

(バック形、カレントステップアップ形)

一石式 他励式

/PWM

DC-DC

コンバータ

昇圧形

(ブースト形、ボルテージステップアップ形)

昇降圧形

(バックブースト形、極性反転形)

絶縁形

リンギングチョーク形

(RCC、自励式フライバック形)

一石式

自励式

/FM方式

AC-DC

コンバータ

フライバック形

(オンオフ形、他励式フライバック形)

他励式

/PWM方

フォワード形

(オンオフ形)

プッシュプル形

(センタータップ形)

ハーフブリッジ形

多石式

フルブリッジ形

共振形 コンバータ

絶縁形

電流共振形

多石式 他励式

/FM

方式

AC-DC

コンバータ

電圧共振形

一石式

部分共振形

一石式 FM自励式/ 方式

表4.1 スイッチングコンバータの代表的な回路方式

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

39

(40)

i o

i QP

i

i i

off on o

D E E

E V

D E D

D E E D

T E T

 

 

 

1 1 1

E i D C R o E o

Q L

D

Q L

C R o

C R o

Q D

L +

(a) 降圧形

(buck

)

(b) 昇圧形

(boost形)

(c)

昇降圧形

(buck-boost

) E i

E i

E o

E o

i QP

on

i i

on o

E V

T T D

DE T E

E T

i o

QP

off

i i

i off i

off on i

o

D E E

V

T T D

D E D E

T E E T

T E T E

 

   

 

1 1 1

1 1

図4.1 チョッパ方式非絶縁形コンバータ I

o

I

o

I

o

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

) (

off

L

T

V

) (

off

L

T V

) (

off

L

T V

40

(Step down 形)

(41)

41

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

図4.2 フライバック形コンバータへの展開

(b) フライバック形コンバータ(絶縁)

(a)

昇降圧形コンバータ(非絶縁)

(42)

42

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

図4.3 フォワード形コンバータへの展開

(a)

降圧形コンバータ(非絶縁)

(b)

フォワード形コンバータ(絶縁)

(43)

43

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

図4.4 矩形波絶縁形コンバータ

(a)

リンギングチョーク形

(b) フライバック形

(c)

フォワード形

) 1

( 1

2 1

D E

nE E

V

N N n

n E D D n

E D E D

i o

i QP

i i

o

 

 

D

E nE

E V

n E D D n

E D E D

i o

i QP

i i

o

 

 

1 1

) 1

( D

E V

n D E E

i QP

i o

 D

1

D

2

(44)

44

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

(d)

プッシュプル形

(e) ハーフブリッジ形

(f)

フルブリッジ形

図4.4 矩形波絶縁形コンバータ

i QP

i o

E V

n D E E

2 2

i QP

i i

o

E V

n D E n

D E E

 2 2

i QP

i o

E V

n D E E

 2

(45)

) 1 . 4 2 (

) ( :

(sec) :

, ) ( :

, ) (

(sec) 1

) (

) (

1 ) ( :

, :

) ( :

, ) ( :

o 2

f T P

I P J L

W W

T Hz

f J

Ws P W

P

J Ws W

P

A L

I H

L RCC

o P

P

o o

o

P P P

エネルギー 一周期間に供給される

一周期間 スイッチング周波数

秒間の電力量 出力電力

トランスの電力効率

ーク値 を流れる励磁電流のピ

クタンス トランスの励磁インダ

の場合

スイッチング周波数を上げると、一周期間に供給する消費電力量 ( エネルギー ) が減少する ためにスイッチングコンバータを小形化できるが、スイッチング損失が増えてしまう。そのた めに、実際には小形化が出来ません。

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

45

   

    ( 3 . 11 )

6

6 1

2

2

on rms

Q f

P QP r

P Q

on rms

Q f

P QP r

P Q on

SW Q

R i

t I V t

I f V

R i

t I V t

I T V

P P

P

 

 

スイッチング損失 オン期間の損失

(46)

t

Q

,i

Q ゼロクロスでスイッチさせる。

0

図4.5 ZVS 及び ZCS の説明図

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

46

そこで、スイッチング損失を減らす技術として共振形コンバータが開発されました。電圧も しくは電流を共振させ、 ZVS(Zero voltage switching) 又は ZCS(Zero current switching) させることによりスイッチング損失を大幅に減らすことができました。

    ( 3 . 11 )

6

2 on rms

Q f

P QP r

P Q on

SW

Q

f V I t V I t i R

P P

P        

電圧か電流のいずれかをゼロにするとスイッチング損失を削減できる。

(47)

47 (a) 電流共振形( SMZ ; Soft-switched Multi-resonant Zero-cross

コンバータ)

Ci:

電流共振コンデンサ、

Cv:

電圧共振コンデンサ

・ハーフブリッジ構成

・電流共振コンデンサと電圧共振コンデンサが付いている。

・二次側は全波整流。

・Q1とQ2が交互に

Duty50%

でオンオフする。

・出力電流

(

励磁電流

)

が共振し正弦波になる

・Q1

,

2

ZVS

動作している。

ZVS : Zero Voltage Switching

・出力電圧は

FM

制御。

・効率が比較的に良く、ノイズも少ない。

図4.5 共振絶縁形コンバータ

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

ie ie

(48)

(b)

電圧共振形

(電圧共振

フライバック形

(c)

部分共振形

(部分共振形 RCC)

Lr:

共振用リアクトル、

C

:

共振コンデンサ

・Qは ZVS 動作している。

・出力電圧は FM 制御。

C

:

共振コンデンサ

・オンディレー回路で

Δt

遅らせ、

ターンオン時の損失

Pr

を削減 している。

図4.5 共振絶縁形コンバータ

V

Q

i

Q

Loss P

Q

:

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

48 P

r

Δt

(49)

表4.2 回路方式の特徴と主な用途

注1)POL : Point of load 注2)PFC ( Power factor correction ) 回路:力率改善回路 注3) 出力電圧

主な回路方式 特 徴 主な用途

1. チョッパ方式 非絶縁形

・DC入力の昇圧、降圧、昇降圧

・非絶縁形

・DC/DCコンバータ

・降圧形:POL電源

・昇圧形:PFC回路 2. フライバック形

リンギング チョーク形

・部品点数が少なく、コストが安い

・昇降圧形であるために出力電圧が 高い回路に有利

・AC-DCコンバータ

・消費電力の少ない電気・電子機器用

・出力電力の目安:

250W/150W

程度 3. フォワード形 ・制御等も安定で、最も一般的な

方式

・AC-DCコンバータ

・フライバック形より電力が多い機器 で広範囲に使用可能

・出力電力の目安:数

10W

1.5kW

程度 4. プッシュプル形

ハーフブリッジ形 フルブリッジ形

・回路が複雑、部品点数多い ・AC-DCコンバータ

・フォワード形以上の電力を供給するとき

に使用

・出力電力の目安:数百W~数kW 程度 5. 共振形

コンバータ

・高効率であり、小形化可能

・低ノイズ

・AC-DCコンバータ

・広範囲に使用可能

4.スイッチングコンバータの代表的な回路方式

49 n DE E

n E D E

N N n n

E D D n

E D

D n E T E T RCC

i o

i o

i i

i off

on o

/ 2 :

/ :

1 ,

:

1 2

 

 

ルブリッジ形

,プッシュプル形,フ ブリッジ形

フォワード形,ハーフ フライバック形,

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