パワーエレクトロニクス講義資料 第6回　降圧チョッパ回路

（平滑回路）

担当：古橋武 furuhashi@cse.nagoya-u.ac.jp

図4.2 スイッチング電源

RL

io vo

VE

Ton

TSW TSW

t E

(b) 出力電圧波形 (a) スイッチング回路

vE

SW

vSW

vo

出力電圧の制御

このままでは出力電圧変動が大きすぎる．

p.37

RL

Tr 2SA1015

510 RB

i1

トランジスタ駆動回路

vo

i1

vL [V]

0

200

400

5 10 t [ms]

1 2 3 4 5 6 7

i1 [mA]

図4.3 スイッチング電源（コンデンサを出力電圧の平滑化に利用）

(b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形 (a) スイッチング回路

E

Tr：オン オフ

0 0

vo

p.38

+ RL C

47µF

Tr 2SA1015

510 RB

i1

トランジスタ駆動回路

vo

i1

vL [V]

0

200

400

5 10 t [ms]

1 2 3 4 5 6 7

i1 [mA]

図4.3 スイッチング電源（コンデンサを出力電圧の平滑化に利用）

(b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形 (a) スイッチング回路

E

Tr：オン オフ

0 0

vo

そこで

p.38

+ RL vC

C 47µF

Tr 2SA1015

510 RB

i1

トランジスタ駆動回路

vo

i1

vL [V]

0

200

400

5 10 t [ms]

1 2 3 4 5 6 7

i1 [mA]

図4.3 スイッチング電源（コンデンサを出力電圧の平滑化に利用）

(b) 出力電圧・コンデンサ入力電流波形 (a) スイッチング回路

E

Tr：オン オフ

0 0

vo

電解コンデンサだけでは平滑化できない．

しかし，電圧は変動， 突入電流もある

p.38

図4.4 降圧チョッパ回路

E 6 [V]

+ RL C

47µF

Tr 2SA1015

vo

iL

(a) 回路図 (b) 出力電圧・インダクタ電流

50 100

10 20 30 0 0

1 2 3 4 5

0 0

vo [V]

iL [mA]

t [µs] 40

vo

iL

Tr：オン　オフ

510 RB

トランジスタ駆動回路

p.39

図4.4 降圧チョッパ回路

L 400µH

E 6 [V]

インダクタ

+ RL C

47µF

Tr 2SA1015

D

環流ダイオード

vo

iL

(a) 回路図 (b) 出力電圧・インダクタ電流

50 100

10 20 30 0 0

1 2 3 4 5

0 0

vo [V]

iL [mA]

t [µs] 40

vo

iL

Tr：オン　オフ

510 RB

トランジスタ駆動回路

電圧変動を抑制 突入電流も抑制

p.39

図4.13 降圧チョッパ回路の等価回路　

+ RL D vE

E

(a) トランジスタ・オン

L

C

Tr

vo

Re1

+ RL vo D

(b) トランジスタ・オフ

C

Tr L

4.3 降圧チョッパ回路の動作原理

Re2

回路内の抵抗成分

p.46

図4.13 降圧チョッパ回路の等価回路　

+ RL D vE

E

(a) トランジスタ・オン

L

C

Tr

vo

Re1

+ RL vo D

(b) トランジスタ・オフ

C

Tr L

4.3 降圧チョッパ回路の動作原理

E

Re2

ｰ

＋

＋

＋

＋

＋

ｰ

ｰ

ｰ

iLON

ｰ

＋

＋

ｰ

ｰ

＋

＋ ｰ

ｰ iLOFF

電源Eが電流iLONを流している．

インダクタLが電流iLOFFを流している．

p.46

0 50

100 150 200 250

0.1 0.15 0.2 0 0.05

iL [mA]

t [ms] (a) トランジスタ・オン

0 1

2 3

4 5

0 0.05 0.1 0.15 0.2

vo [V]

t [ms]

(b) トランジスタ・オフ

VE = 6 [V], Vo = 4.1 [V], L = 400 [µH], Re1= 7 [Ω], fSW = 10 [kHz]のとき

p.48

0 50

100 150 200 250

0.1 0.15 0.2 0 0.05

iL [mA]

t [ms] (a) トランジスタ・オン

0 1

2 3

4 5

0 0.05 0.1 0.15 0.2

vo [V]

t [ms]

(b) トランジスタ・オフ

iLOFF Eo Vo

L Re2

iLON E Vo

Re1 L

Eo

VE = 6 [V], Vo = 4.1 [V], L = 400 [µH], Re1= 7 [Ω], fSW = 10 [kHz]のとき

p.48

0 50

100 150 200

0 0.05 0.1 0.15 0.2

iL [mA]

t [ms]

図4.15 降圧チョッパ回路のインダクタに流れる電流と出力電圧

(b) fSW = (a) スイッチング周波数　 　　　　fSW =

vo [V]

0 1

2 3

4 5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 t [ms]

0 50

100 150 200 250

0.1 0.15 0.2 0 0.05

iL [mA]

t [ms]

0 1

2 3

4 5

0 0.05 0.1 0.15 0.2

vo [V]

t [ms]

p.48

0 50

100 150 200

0 0.05 0.1 0.15 0.2

iL [mA]

t [ms]

図4.15 降圧チョッパ回路のインダクタに流れる電流と出力電圧

(b) fSW = 50 [kHz] (a) スイッチング周波数　 　　　　fSW = 10 [kHz]

vo [V]

0 1

2 3

4 5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 t [ms]

0 50

100 150 200 250

0.1 0.15 0.2 0 0.05

iL [mA]

t [ms]

0 1

2 3

4 5

0 0.05 0.1 0.15 0.2

vo [V]

t [ms]

p.48

0

50

100

150

200

0 0.05 0.1 0.15 0.2

iL [mA]

t [ms]

Tr：オン　　 オフ

図4.14 インダクタの両端電圧と電流

iL iLON iLOFF

t

時間軸を拡大

p.52

0

50

100

150

200

0 0.05 0.1 0.15 0.2

iL [mA]

t [ms]

Tr：オン　　 オフ

図4.14 インダクタの両端電圧と電流

iL iLON iLOFF

t

直線で近似できる

時間軸を拡大

回路の抵抗成分を無視．

=

p.52

vL

iL

t

t

図4.14 インダクタの両端電圧と電流

(a) トランジスタ・オン

L Tr

E Eo VE Vo

(b) トランジスタ・オフ

L

Eo Vo

抵抗成分を無視

抵抗成分を無視

p.52

Tr：オン　 オフ

vL VE - Vo

iL iLON iLOFF

Vo

t

t

図4.14 インダクタの両端電圧と電流

(a) トランジスタ・オン

L Tr

iLON E Eo VE Vo

(b) トランジスタ・オフ

iLOFF

L

Eo Vo

vL

vL

p.52

Step4　製作課題　チョークコイルとショットキーバリヤダイオードと電解コンデンサからなる平滑回路を持つ降圧チョッパ回路を製作せよ．回路図も併せて提出してTAのチェックを受けること．

A1 A0 = 10: モータドライブモード A2 = 電圧指令値入力 P1A = 12.5kHzPWM出力,

+

C1 47µF

L 1.5mH

D

510 RB vo

Tr 2SA950

6V

iL

vPWM

VR1 2kΩ

vcom

PIC16F615 PIC12F615 PIC12HV615

P1A

A2 A1 A0 1µF CS

50 RS

LED1

510 R1

ω DCM1

DCM2 100 R2

LED2

25µsec

v o[V

]

25µsec

v PW

M[V

]

(b) vcom = 3 [V] (c) vcom = 6 [V] (a) vcom = 0.5 [V] 25µsec

6 4

5 0

4 0

v o[V

] v P

WM

[V]

6 4

5 0

4 0

v o[V

] v P

WM

[V]

6 4

5 0

4 0

+

C147µF

L 1.5mH

D510RB vo

Tr 2SA950

6V

iL

vPWM

VR12kΩ

vcom

PIC16F615PIC12F615PIC12HV615

P1A

A2 A1 A01µFCS

50RS

LED1

510R1

ωDCM1

DCM2

100R2

LED2

NI Signal Express Tektronix Edition ver1.1.0

Step4 レポート課題(1)　下図はチョッパ回路のトランジスタ･オン／オフ時の等価回路である．トランジスタTrのスイッチング周波数は回路の抵抗成分を無視できるほどに十分に高いとする．以下の問に答えよ．

(a) Trオン／オフ時の回路方程式をそれぞれ求めよ．

(b) Trオン開始時t1の電流をI1, Trオフ開始時t2の電流をI2としてそれぞれの微

分方程式を解け． (c)  Trオンの終了時の電流が

I2に一致するとして， I2 - I1 を通流率δとスイッチング周期TSWの式で表せ．

(d)  同様に，Trオフの終了時

の電流がI1に一致するとして， I2 - I1 を通流率δとスイッチング周期TSWで表せ．

(e)  (3), (4)の値が等しいとおいて，出力電圧Voと電源電圧VEと関係を通流率δを用いて表せ．

Tr：オン　　　　 オフ

vL VE - Vo

iL iLON iLOFF

I1

t

t

(a) トランジスタ・オン

(b) トランジスタ・オフ

L Tr

iLON E Eo VE Vo

vL

iLOFF

L

Eo Vo

vL

Vo

I2

I1

t2 t1

Ton

TSW

Step4 レポート課題(2) 降圧チョッパ回路の効率を求めよ．ただし，VE = 6 [V], Re1= Re2= 7 [Ω], 通流率δ=0.8，トランジスタ・オン時のエミッタｰコレクタ間電圧VEB = 0.2 [V], ダイオードのオン電圧VD = 0.4 [V]とする．また，簡単のため，レポート課題(1)の初期電流I1=I2 = 100 [mA]（すなわち，iL = (一定) ）とする． （ヒント） 効率　

+ RL D vE

E

(a) トランジスタ・オン

L

C

Tr

vo

Re1

+ RL vo D

(b) トランジスタ・オフ

C

Tr L Re2

VEB

VD

iL

iL

[%] 100×−

=in

lossin

PPP

η