アクティブバッファを用いた単相降圧形PFC整流器 ... - 長岡技術科学大学

電 気 学 会 論 文 誌 ●(●●●●●●● 部 門 誌 )
IEEJ Transactions on ●●●●●●●●●●●●●●●
Vol.●● No.● pp.●-●● DOI: ●.●●/ieejeiss.●●.●
消 さないでください
論 文 誌 テンプレート
Ver.2011.02.22
論 文
アクティブバッファを 用 いた 単 相 降 圧 形 PFC 整 流 器 の 開 発
*
学 生 員 大 沼 喜 也
*
正 員 伊 東 淳 一
Development of Buck PFC AC-DC Converter using an Active Buffer
Yoshiya Ohnuma * , Student Member, Jun-ichi Itoh * , Member
(20XX 年 ● 月 ● 日 受 付 ,20XX 年 ● 月 ● 日 再 受 付 )
This paper discusses a new circuit configuration and a control method for a single-phase AC-DC converter with power factor
correction (PFC). The proposed converter can achieve low total harmonic distortion (THD) for the input current, and at the same
time, it can use an active buffer to control the low output DC voltage ripple. The proposed converter does not require large
smoothing capacitors and large inductors, which are conventionally required in such converters to decouple the power ripple with
a frequency twice that of the power supply. The buffering energy is maintained by a small capacitor, which controls the voltage
variation in the capacitor using the active buffer. In this paper, the fundamental operations of the proposed converter are
confirmed by experimental results. From the experimental results, it is found that the input current THD is 1.44%, the ratio of the
output voltage ripple is 6.33% and the input power factor (PF) is greater than 99%. In addition, a maximum efficiency greater
than 96% is obtained in the prototype.
キーワード: 単 相 整 流 器 , 力 率 改 善 , 降 圧 形 ,リプル 電 力 ,エネルギー 蓄 積 要 素
Keywords:single-phase rectifier, power factor correction, buck type, ripple energy, energy storage device
1. はじめに
単 相 交 流 を 直 流 に 変 換 する 単 相 整 流 器 は, 家 庭 用 電 子 機
器 の 電 源 やバッテリーへの 充 電 , 電 車 など 多 岐 に 用 いられ,
さらなる 小 型 化 ・ 軽 量 化 ・ 高 効 率 化 が 要 求 されている。ま
た, 電 源 の 品 質 維 持 のため 入 力 電 流 の 高 調 波 対 策 が 求 めら
れる。これまで,ダイオード 整 流 器 の 後 段 に DC-DC コンバ
ータを 接 続 し, 入 力 電 流 を 正 弦 波 化 する 様 々な 力 率 改 善 回
路 (PFC)や,その 小 型 ・ 高 性 能 化 手 法 が 提 案 されている (1)~(9) 。
単 相 交 流 を 電 源 とする 降 圧 形 ( 電 流 形 ) 変 換 器 は 出 力 側 の 直
流 インダクタが 大 型 となり, 昇 圧 形 に 比 べ 変 換 器 が 大 型 化
する。この 原 因 は, 単 相 交 流 で 入 力 電 流 を 正 弦 波 とした 場
合 , 電 源 周 波 数 の 2 倍 で 電 力 が 脈 動 することに 起 因 する。
昇 圧 形 ( 電 圧 形 ) 整 流 器 は 出 力 側 の 平 滑 キャパシタで 電 力 脈
動 エネルギーを 吸 収 することがよく 知 られている。 一 方 ,
降 圧 形 ( 電 流 形 ) 整 流 器 は, 昇 圧 形 の 双 対 回 路 なので, 出 力 側
の 直 流 インダクタで 電 力 脈 動 のエネルギーを 吸 収 する。イ
ンダクタのエネルギー 蓄 積 密 度 はキャパシタに 比 べ 低 いた
め, 降 圧 形 整 流 器 では 2 倍 の 電 力 脈 動 を 吸 収 する 平 滑 イン
*
長 岡 技 術 科 学 大 学
〒940-2188 新 潟 県 長 岡 市 上 富 岡 町 1603-1
Nagaoka University of Technology
1603-1, Kamitomioka-machi, Nagaoka 940-2188, Japan
0258-47-9563
ダクタの 体 積 が 特 に 大 型 化 する。
この 問 題 を 解 決 するために,これまでいくつかの 方 式 が
提 案 されている。 例 えば, 直 流 インダクタに 並 列 に 逆 阻 止
スイッチを 追 加 した 回 路 が 提 案 されている (9) 。この 手 法 は 直
流 インダクタの 小 型 化 が 可 能 であるが, 出 力 電 圧 リプルが
増 大 するため 大 容 量 のキャパシタが 必 要 となる。また, 交
流 チョッパを 結 合 した 単 相 PWM 電 流 形 整 流 器 が 提 案 され
ている (10) (11) 。この 方 式 は, 交 流 チョッパ 内 のキャパシタで
電 力 脈 動 を 吸 収 するため, 直 流 インダクタを 小 型 化 できる
が,スイッチ 数 が 6 個 必 要 となる。 一 方 ,2 つの 降 圧 チョッ
パを 用 い, 片 方 の 降 圧 チョッパを 補 助 回 路 として 電 力 脈 動
を 補 償 する 方 式 が 提 案 されている (12) 。この 方 式 においても,
補 助 回 路 内 のキャパシタにより 電 力 脈 動 を 吸 収 するため 直
流 インダクタを 小 型 化 できる。しかし, 部 品 点 数 や 通 過 素
子 数 が 増 加 するため 損 失 増 加 が 懸 念 される。
そこで 本 論 文 では,ダイオード 整 流 器 の 後 段 に 2 個 のス
イッチと 1 個 のダイオードおよび 小 容 量 のキャパシタで 電
力 脈 動 を 補 償 する 小 型 化 可 能 な 降 圧 形 単 相 整 流 器 を 提 案 す
る。この 回 路 の 主 な 特 徴 は,
(1) 少 ない 部 品 点 数 で PFC 機 能 と 電 力 脈 動 補 償 を 同
時 に 実 現 できる
(2) キャパシタ 電 圧 を 大 きく 変 化 させ 電 力 脈 動 を 吸
収 することで,キャパシタを 小 容 量 化 できる
© 200● The Institute of Electrical Engineers of Japan. 1

アクティブバッファ 単 相 PFC 整 流 器 ( 大 沼 喜 也 , 他 )
(3) キャパシタで 電 力 脈 動 を 補 償 することで 直 流 イ
ンダクタを 小 さくできる
などが 挙 げられる。
ここでは,まず 提 案 回 路 の 回 路 構 成 を 示 し,バッファ 回
路 の 動 作 原 理 を 説 明 する。 次 に 電 力 脈 動 を 補 償 する 原 理 を
述 べ, 入 力 電 流 の 正 弦 波 およびリプルのない 出 力 電 圧 を 実
現 する 制 御 方 式 とキャパシタ 電 圧 の 制 御 方 式 を 提 案 する。
さらに,キャパシタ 容 量 の 設 計 指 針 を 述 べ 提 案 回 路 が 小 型
化 可 能 であることを 示 す。 最 後 に, 提 案 した 回 路 とその 制
御 手 法 について 750 W の 試 作 機 で 実 験 を 行 い, 提 案 回 路 の
妥 当 性 と 有 効 性 を 確 認 する。
2. 回 路 構 成
図 1 に 提 案 回 路 を 示 す。 単 相 交 流 はダイオード 整 流 器 で
整 流 し,バッファ 回 路 と 称 する 回 路 で 入 力 電 流 の 正 弦 波 化
および 電 力 脈 動 補 償 を 行 う。バッファ 回 路 は 2 つのスイッ
チ 素 子 と 1 つのダイオードおよびキャパシタで 構 成 する。
特 にキャパシタと 直 列 にスイッチを 接 続 した 回 路 を 本 論 文
ではアクティブバッファと 称 する。アクティブバッファに
用 いるスイッチ S Wa はソースをキャパシタ 側 に,ドレインを
負 荷 のマイナス 側 に 接 続 することで 提 案 回 路 の 電 流 経 路 を
達 成 する。S Wa は 逆 接 続 となるので, 初 期 充 電 対 策 が 必 要 と
なる。 入 出 力 には LC フィルタを 挿 入 するが,スイッチング
成 分 除 去 用 でありスイッチング 周 波 数 を 高 くすることで,
容 易 に 小 型 化 できる。
図 2 に 各 スイッチのスイッチング 状 態 における 回 路 動 作
を 示 す。アクティブバッファのキャパシタ 電 圧 は 常 に 入 力
電 圧 より 高 く 保 つ。これにより, 入 力 電 源 とキャパシタ 間
の 短 絡 経 路 は 発 生 せず, 各 スイッチのオン・オフで 入 力 電
流 およびキャパシタの 充 放 電 電 流 を 制 御 することができ
る。 直 流 インダクタ 電 流 を 連 続 とした 場 合 ,スイッチのオ
ン・オフの 状 況 により, 提 案 回 路 は 4 つの 電 流 経 路 に 分 け
ることができる。スイッチの 状 態 に 応 じて 図 2 のように,
それぞれモード 1 からモード 4 と 定 義 する。モード 1 では
スイッチ Sw a がオフ,Sw b がオンなので, 入 力 電 流 がそのま
ま 負 荷 に 流 れる。モード 2 は, 入 力 電 圧 よりキャパシタ 電
圧 が 高 いため, 入 力 電 流 は 流 れず,アクティブバッファの
キャパシタ 電 流 が 負 荷 へと 流 れる。この 期 間 ,アクティブ
バッファのキャパシタ C dc に 蓄 えられた 電 荷 は 放 電 される。
一 方 モード 3 では, 入 力 電 圧 とキャパシタ 電 圧 の 差 が 負 荷
に 印 加 される。このとき,アクティブバッファのキャパシ
タ C dc は 充 電 される。 最 後 にモード 4 は 直 流 インダクタ 電 流
の 還 流 経 路 となり, 入 力 電 流 やキャパシタ 電 流 は 流 れない。
このように, 提 案 回 路 は 通 常 の 降 圧 チョッパ 動 作 (モード 1,
モード 4)に 加 え,キャパシタの 充 放 電 動 作 (モード 2,モー
ド 3)が 行 え, 充 放 電 動 作 の 割 合 を 制 御 することで 電 力 脈 動
補 償 を 実 現 する。
3. 制 御 原 理
〈3・1〉 電 力 脈 動 の 補 償 原 理 図 3 に 入 力 電 圧 と 電 流
v in
i in
Input
filter
Diode
rectifier
がそれぞれ 正 弦 波 で, 一 定 の 負 荷 に 電 力 を 供 給 したときの
入 力 電 力 と 出 力 電 力 ,およびそのバッファが 充 放 電 する 電
力 の 関 係 図 を 示 す。 入 力 力 率 1 の 条 件 では, 瞬 時 電 力 p in は
(1) 式 で 表 せる。なお, 本 論 文 では, 以 降 , 小 文 字 で 表 す 物
理 量 はキャリア 1 周 期 中 の 平 均 値 とし,スイッチングリプ
ル 成 分 を 無 視 した 連 続 時 間 の 物 理 量 として 議 論 する。
i rec
i c
C dc v c
V OUT
Active
buffer
Sw a
Sw b
Buffer
circuit
Output
filter
Fig. 1. Circuit configuration of the proposed converter.
Sw a
Sw b
Sw a
Sw b
(Sw a = OFF, Sw b = ON)
Mode 1 Mode 2
Sw a
Sw b
Sw a
Sw b
(Sw a = OFF, Sw b = OFF) (Sw a = ON, Sw b = OFF)
Mode 3 Mode 4
+
=
pin
VINp
I
INp
sin 2 t
1 1
............................(1)
VINp
IINp
VINp
IINp
cos2
t
2 2
ただし,V INp は 入 力 電 圧 最 大 値 ,I INp は 入 力 電 流 最 大 値 ,ω
は 電 源 角 周 波 数 である。(1) 式 から 明 らかなように, 入 力 電
力 は 電 源 周 波 数 の 2 倍 で 脈 動 する。 一 方 , 出 力 電 力 を 一 定
にするために, 入 力 で 発 生 する 電 力 脈 動 を 打 ち 消 すには,
バッファの 瞬 時 電 力 p buf は(2) 式 にて 制 御 する。
I L
(Sw a = ON, Sw b = ON)
Fig. 2. Switching pattern of each mode.
v in
v c
V OUT
v
V Cmax
in =V INp sin(t)
V INp V Cmin
0
t 0 t 0 t
i in
i c(LPF)
I L
i in =I INp sin(t)
Discharge
I INp
0 t 0 t 0 t
Charge
p in
p buf
p out
P INp
1
2
P INp
0 t
+
+
=
Discharge
Charge
Input power Buffer power
p in [W] p buf [W]
=
+
=
0 t 0 t
Output power
p out [W]
Fig. 3. Compensation principle of the power ripple.
2 IEEJ Trans. ●●, Vol.●●, No.●, ●●●

アクティブバッファ 単 相 PFC 整 流 器 ( 大 沼 喜 也 , 他 )
p
buf
1
V
2
INp
I
INp
cos 2t
............................................ (2)
(2) 式 の 電 源 1 周 期 の 平 均 電 力 はゼロであるので,キャパ
シタが 利 用 できる。 電 力 脈 動 を 除 去 した 結 果 , 瞬 時 出 力 電
力 p out は, 損 失 を 無 視 すると(3) 式 となり, 入 力 電 力 の 平 均 値
と 一 致 し 電 力 一 定 となる。
p
out
1
V
2
INp
I
INp
V
OUT
I
L
........................................... (3)
ただし,V OUT ,I L は 出 力 電 圧 , 出 力 直 流 インダクタ 電 流 の 平
均 値 である。
〈3・2〉 各 デューティ 指 令 の 算 出 法 提 案 回 路 は 上 述 し
た 通 り,4 つのモードで 制 御 する。(2) 式 において,p buf が 正
の 期 間 モード 2 を 用 い 放 電 し, 負 の 期 間 モード 3 を 用 い 充
電 することで, 提 案 回 路 は 電 力 脈 動 を 補 償 する。 各 モード
に 対 するデューティを d mode1 から d mode4 と 定 義 し, 図 1 中 に
示 すとおり, 入 力 整 流 電 流 を i rec ,キャパシタ 電 流 を i c と 定
義 すると, 各 電 流 と 直 流 インダクタ 電 流 I L との 電 流 方 程 式
は(4) 式 となる。
irec
d
i d
c
mode1
mode2
d
d
mode3
mode3
I
L
..................................... (4)
ただし,モード 3 の 期 間 ,i c は 充 電 方 向 となるため,キャパ
シタ 電 流 i c の d mode3 の 係 数 は 負 になる(i c は 図 1 に 示 すように
放 電 方 向 を 正 と 定 義 している)。(4) 式 から,キャパシタ 電 流
i c は d mode2 と d mode3 で 充 放 電 制 御 できることがわかる。
また,I L は 連 続 電 流 なので(5) 式 を 満 たす 必 要 がある。
d
mode1
d
mode2
d
mode3
d
mode4
1
............................... (5)
入 力 電 流 を 正 弦 波 にするには,i rec は(6) 式 を 満 たせばよい。
i
rec
I
INp
sin( t)
........................................................ (6)
これより,d mode1 は(4) 式 と(6) 式 より(7) 式 となる。
d
mode1
I
INp
sin( t)
dmode3
...................................... (7)
I
L
ここで,d mode3 は 以 下 の 手 順 で 求 められる。アクティブバ
ッファ 回 路 内 にあるキャパシタの 瞬 時 電 力 は(2) 式 で 表 され
る 補 償 電 力 と 一 致 する 必 要 がある。よって,キャパシタ 電
流 i c は(8) 式 にて 求 められる。
VINp
I
ic
2v
c
INp
cos(2
t)
.................................................. (8)
ただし,v c はアクティブバッファのキャパシタ 電 圧 である。
さらに,(4) 式 の i c に(8) 式 を 代 入 し d mode2 - d mode3 を d tempo と
おいて 整 理 すると(9) 式 となる。
VINp
IINp
dmode2
dmode3
dtempo
cos2
t
.................... (9)
2v
I
c L
ただし, 提 案 回 路 は,モード 2 で 放 電 (i c > 0)し,モード 3 で
充 電 (i c < 0)する。よって(10) 式 に 示 す 通 り,d tempo > 0 ならば
d mode2 に d tempo を 代 入 し,d mode3 はゼロとする。 一 方 ,d tempo < 0
ならば d mode3 に d tempo を 代 入 し,d mode2 はゼロとする。
d mode1 +d mode2
(d mode1 +d mode3 ),
d mode1
Carrier
0
s
1 1
0
s 1 2 0
s 3 1
0
sw
1 a 0
sw 1 b 0
Mode 1 2 4 2 1
Fig. 4. Commands and a carrier and switching patterns (discharge mode).
The number
of mode
Mode1
Mode2
Mode3
Mode4
d
d
mode2
mode3
d
0
d
0
Table 1. Pulse transform table.
tempo
s 1 s 2 s 3 sw a sw b
1 1 1 0 1
0 1 0 1 1
0 0 1 0 0
0 0 0 1 0
tempo
, d
, d
, d
, d
tempo
tempo
tempo
tempo
0
0
0
0
................................. (10)
ところで,(3) 式 を 変 形 して I INp と I L の 比 を 求 めると, 入
力 電 圧 V INp と 出 力 電 圧 V OUT の 比 の 2 倍 と 一 致 することがわ
かる。
I
INp
I
L
V
2
V
OUT
INp
............................................................. (11)
よって,(7) 式 ,(9) 式 に(11) 式 を 代 入 し, 出 力 電 圧 V OUT を 指
令 値 V OUT * とすると, 各 デューティの 指 令 値 は 最 終 的 に(12) ~
(14) 式 により 求 める。
d
d
tempo
*
VOUT
mode1
2 sin( t)
VINp
d
d
d
*
OUT
V
v
mode2
mode3
mode4
c
d
0
d
cos 2t
より,
tempo
d
0
tempo
, d
, d
, d
, d
tempo
tempo
tempo
tempo
mode3
0
0
0
0
................................ (12)
............................. (13)
( d d d ) ........................(14)
1
mode1 mode2 mode3
これより, 各 デューティ 指 令 値 は 入 力 最 大 電 圧 値 V INp , 電
源 角 周 波 数 ,アクティブバッファのキャパシタ 電 圧 v c およ
び 出 力 電 圧 指 令 値 V OUT * より 求 めることができる。
〈3・3〉 出 力 電 圧 最 大 値 すべてのデューティ 指 令 値
は, 正 の 値 でかつ,(14) 式 を 満 足 する 必 要 がある。(12) 式 を
1
3 IEEJ Trans. ●●, Vol.●●, No.●, ●●●

Pulse
transform (Table 1)
アクティブバッファ 単 相 PFC 整 流 器 ( 大 沼 喜 也 , 他 )
Detection
of sensors Peak V INp
*
v q 2V d mode1
in PLL OUT
|sin(q)|
+
V INp
+ +
+
2v c
d
*
V PI
v c
V OUT
d INp
tempo d
cos(2q)
Limit mode2 +
i v c +
+
+
p
0 to 1
l × out
Commands
*
d
-1 Limit mode3 +
v c +
C PI
+
dc
+ d 0 to 1 1
V PI
Cmin
*
0
V OUT Carrier
2
Cmin
V
p
out
C
dc
sin(2q
) 1
Fig. 5. Control block diagram of the proposed converter.
s 1
s 2
s 3
sw a
sw b
(14) 式 に 代 入 し,d mode4 を 求 めると(15) 式 となる。
d
mode4
V
1
(2
V
*
OUT
INp
sin( t)
d
mode2
)
......................... (15)
(15) 式 から,d mode4 を 常 に 正 の 値 にするには, 右 辺 括 弧 内
の 値 が 1 以 下 となればよいことがわかる。 右 辺 括 弧 内 が 最
大 となる 位 相 はt = /2(または-/2)となり,またこのとき,
d mode2 = 0 となる。よって, 括 弧 内 を 1 以 下 にする 条 件 から,
(16) 式 が 導 出 される。
V
0 1
2
V
V
*
OUT
V
2
*
OUT
INp
INp
....................................................... (16)
(16) 式 より, 提 案 回 路 の 出 力 最 大 電 圧 は, 入 力 電 圧 最 大 値 の
1/2 に 制 限 されることがわかる。
〈3・4〉 パルス 生 成 法 図 4 に 放 電 時 の 三 角 キャリア
と 指 令 値 およびモード 遷 移 の 関 係 図 を 示 す。また, 表 1 に
各 モードに 対 するスイッチパターンを 示 す。モード 1 から
モード 4 への 遷 移 はスイッチング 回 数 が 増 加 するため,モ
ード 2 又 はモード 3 を 経 て 遷 移 させる。そこで,d mode1 と d mode1
に d mode2 または d mode3 を 加 算 した 指 令 値 を 作 成 し, 三 角 キャ
リアと 比 較 して 比 較 信 号 s 1 ,s 2 ,s 3 を 生 成 する。 比 較 信 号 よ
り, 表 1 を 用 い 各 スイッチのスイッチングパターンを 生 成
する。この 方 式 により, 所 望 するモードのデューティ 比 に
応 じた 各 スイッチのオン・オフ 時 間 と 所 望 の 遷 移 を 実 現 す
るスイッチングパターンを 得 ることができる。 提 案 回 路 は
すべてのスイッチングパターンで, 電 流 経 路 の 解 放 や 短 絡
が 発 生 しないので,デットタイムなどを 考 慮 しなくてよい
特 徴 がある。
図 5 に 制 御 ブロック 図 を 示 す。アクティブバッファのキ
ャパシタンス C dc およびキャパシタ 電 圧 最 低 値 V Cmin ,そし
て 出 力 電 圧 指 令 値 V OUT * を 設 定 し, 入 力 最 大 電 圧 値 V INp , 入
力 電 圧 位 相 q,キャパシタ 電 圧 v c および 直 流 インダクタ 電 流
i l を 検 出 し 各 デューティを 算 出 する。 各 デューティを 図 中 に
示 す 通 り 比 較 し, 表 1 を 用 いて 各 スイッチのスイッチング
信 号 を 生 成 する。なお,キャパシタの 電 圧 制 御 の 詳 細 につ
いては, 次 節 にて 述 べる。
〈3・5〉 キャパシタ 電 圧 制 御 アクティブバッファの
キャパシタ 電 圧 はスイッチングの 立 ち 上 がり, 立 ち 下 がり
誤 差 や 損 失 等 の 影 響 により, 所 望 の 値 に 制 御 されない 可 能
性 がある。そこで,PI 制 御 を 用 いて,キャパシタ 電 圧 を 制
御 する。キャパシタ 電 圧 と 電 流 の 積 は(2) 式 と 一 致 するので,
両 辺 を 積 分 し 整 理 すると,キャパシタ 電 圧 の 理 論 値 が 得 ら
れ,(17) 式 にて 求 められる。
t
t0
vcicdt
v
c
t
t0
1
V
2
v
2
c0
INp
I
INp
p
C
out
dc
cos 2t
dt
t
sin2
t
sin 2
0
.......... (17)
ただし,v c0 ,t 0 は 積 分 開 始 時 のキャパシタ 電 圧 および 時 間 で
ある( 導 出 は 付 録 参 照 のこと)。
キャパシタ 電 圧 最 低 値 V Cmin を 初 期 値 とした 場 合 ,(17) 式
は(18) 式 にて 表 すことができる。
v
c
V
2
Cmin
p
C
out
dc
sin 2t
1
............................. (18)
図 5 に 示 す 通 り,(18) 式 より 求 めたキャパシタ 電 圧 指 令 値
と, 検 出 したキャパシタ 電 圧 を 比 較 し,PI 調 節 器 に 入 力 す
る。そして,PI 調 節 器 の 出 力 値 を d tempo に 減 算 する。また 出
力 電 圧 への 影 響 を 抑 えるため, 入 力 電 流 指 令 に 補 償 分 のデ
ューティを 加 算 する。
4. 電 力 脈 動 を 吸 収 する 受 動 素 子 の 考 察
本 章 では, 単 相 交 流 の 電 力 脈 動 を 吸 収 する 受 動 素 子 につ
いて 議 論 し,その 後 , 提 案 法 の 優 位 性 を 示 す。
電 力 脈 動 を 吸 収 するために 受 動 素 子 が 蓄 えなければなら
ないエネルギーW r は,(1) 式 第 2 項 で 示 される 電 力 脈 動 項 の
エネルギーと 一 致 し,その 最 大 値 は(19) 式 より 得 られる。
1 /
VINp
IINp
4
/ 4
Wr
2
VINp
IINp
2
pout
cos 2t
dt
................................ (19)
つまり, 受 動 素 子 に 蓄 えなければならないエネルギーは,
出 力 電 力 と 電 源 角 周 波 数 により 一 意 に 決 定 される。このエ
ネルギーをキャパシタで 吸 収 する 場 合 ,キャパシタに 蓄 え
られるエネルギーと 電 圧 の 関 係 から(20) 式 が 成 り 立 つ。
1
Wr
CV
2
2
Cmax
1
CV
2
2
Cmin
....................................... (20)
ただし V Cmax はキャパシタ 電 圧 の 最 高 値 ,V Cmin は 最 低 値 を 表
す。これより 必 要 なキャパシタンスは,(21) 式 にて 計 算 でき
る。
4 IEEJ Trans. ●●, Vol.●●, No.●, ●●●

Required capacitance
of the active buffer
アクティブバッファ 単 相 PFC 整 流 器 ( 大 沼 喜 也 , 他 )
C
V
2
Cmax
2W
r
2
VCmin
.................................................... (21)
一 方 ,エネルギーをインダクタで 吸 収 する 場 合 に 必 要 な
インダクタンスは,キャパシタと 同 様 に 求 められ,(22) 式 に
て 計 算 できる。
L
I
2
Lmax
2W
r
2
I
Lmin
..................................................... (22)
ただし I Lmax はインダクタ 電 流 の 最 高 値 ,I Lmin は 最 低 値 を 表
す。(21) 式 ,(22) 式 からわかるように, 電 力 脈 動 を 吸 収 する
キャパシタンスやインダクタンスを 小 さくするには 許 容 可
能 な 電 圧 , 電 流 の 最 高 値 を 高 くし, 可 能 な 限 り 変 動 幅 を 大
きくすればよい。
次 に, 従 来 回 路 ( 降 圧 チョッパ 回 路 , 昇 圧 チョッパ 回 路 )
と 提 案 回 路 において, 単 相 交 流 の 電 力 脈 動 を 吸 収 するのに
必 要 な 容 量 について 検 討 する。 従 来 回 路 は, 電 力 脈 動 を 吸
収 する 受 動 素 子 の 電 位 変 動 が 直 接 出 力 リプルになるため,
一 般 に 許 容 可 能 な 電 圧 または 電 流 の 変 動 幅 は 小 さな 値 に 設
定 する 必 要 がある。 図 6 に 出 力 電 力 を 750 W 一 定 とし, 出
力 電 圧 を 変 化 させた 場 合 , 電 力 脈 動 を 吸 収 するのに 必 要 な
受 動 素 子 の 値 を 示 す。ただし 出 力 電 圧 ・ 電 流 リプル 率 は 10%
とし, 昇 圧 チョッパはキャパシタで, 降 圧 チョッパはイン
ダクタで 電 力 脈 動 をすべて 吸 収 できるものとする。なお,
本 論 文 では, 出 力 電 圧 リプル 率 V rip は(23) 式 にて 定 義 する。
V
rip
V
OUTmax 2V
V
OUTave
OUTmin
............................................ (23)
ただし,V OUTmax ,V OUTmin ,V OUTave は 出 力 電 圧 最 高 値 , 出 力
電 圧 最 低 値 , 出 力 電 圧 平 均 値 である。
図 6 より, 従 来 回 路 は 出 力 電 圧 に 大 きく 依 存 し,また 大
きなインダクタンス・キャパシタンスの 値 が 必 要 となる。
そのため 従 来 回 路 では, 出 力 リプルが 制 限 される 用 途 に 対
して 小 型 化 は 難 しいといえる。 特 に 降 圧 チョッパでは 出 力
電 圧 130 V において 必 要 なインダクタンスの 値 が 約 350 mH
となり, 非 常 に 大 きなインダクタが 必 要 となる。
一 方 , 提 案 回 路 は 電 力 脈 動 をアクティブバッファのキャ
パシタで 吸 収 する。 本 回 路 は,キャパシタの 電 圧 変 動 を 考
慮 してスイッチングデューティを 生 成 するので,キャパシ
タの 電 圧 変 動 は 出 力 に 影 響 しない。キャパシタ 電 圧 の 最 低
値 は 入 力 電 圧 により 決 まり, 最 高 値 は 使 用 する 素 子 および
キャパシタの 耐 圧 により 決 定 される。つまり,アクティブ
バッファのキャパシタ 電 圧 は 理 論 的 に 大 きく 変 動 でき, 出
力 電 圧 にも 依 存 しない。 図 7 に 出 力 電 力 を 750 W 一 定 とし,
キャパシタ 電 圧 最 高 値 を 変 化 させた 場 合 の 必 要 なキャパシ
タンスを 示 す。 図 7 より,キャパシタ 電 圧 の 最 高 値 を 許 容
すれば,キャパシタの 小 容 量 化 が 容 易 に 実 現 できる。なお,
提 案 回 路 は 高 耐 圧 で 大 電 流 のキャパシタが 必 要 となるが,
積 層 セラミックコンデンサなど 高 耐 圧 ・ 大 電 流 のキャパシ
タが 開 発 されており, 小 型 化 がおおいに 期 待 できる (13) 。ス
イッチング 素 子 は 従 来 の 降 圧 チョッパと 比 較 し, 電 流 の 最
大 値 は 等 しいが, 電 圧 の 最 大 値 はキャパシタの 変 動 分 が 重
畳 される。
Required
inductance [mH]
400
300
200
100
Required
inductance
1000
800
600
400
200
00 100 200 3000
Output voltage [V]
Buck type
Conditions
・Output power : 750W
・Ripple of output : 10%
Required
capacitance
Boost type
Required
capacitance [mF]
Fig. 6. Required value of passive component of conventional converters.
capacitor Cdc [mF]
400
300
200
100
Condition
・Output power : 750W
V Cmin =141V V Cmin =283V
0 100 200 300 400 500 600
Maximum capacitor voltage V Cmax [V]
Fig. 7. Required value of the active buffer capacitor of the proposed converter.
Table 2. Specification and device information of prototype converter.
Items
Input voltage (r.m.s.)
Input frequency
Input and output filter cut-off
frequency
Value
200 V
Items
Carrier frequency
Value
20 kHz
50 Hz Output power 750 W
2.8 kHz Output voltage 130V
Minimum capacitor
voltage(VCmin)
Active buffer capacitor Cdc 100 mF
283V
Switching devices STY80NM60N(STMicroelectronics)
Diodes FES16JT( Fairchild Semiconductor co.)
Active buffer capacitor MEC series type RM (Shizuki ekectric co.)
Input
voltage 0
[250V/div]
Input
current 0
[5A/div]
Output
voltage
[100V/div] 0
Output
inductor
current 0
[5A/div]
Input
voltage
[250V/div]
Input
current
[5A/div]
0
0
(a) Input and output waveforms.
Capacitor
voltage
[100V/div] 0 (b) Input and capacitor voltage waveforms.
Fig. 8. Experimental results.
[4ms/div]
[4ms/div]
5 IEEJ Trans. ●●, Vol.●●, No.●, ●●●

Total harmonic
distortion [%]
Efficiency and
input power factor [%]
Output voltage
ripple [%]
アクティブバッファ 単 相 PFC 整 流 器 ( 大 沼 喜 也 , 他 )
5. 実 験 結 果
本 論 文 で 提 案 する 回 路 とその 制 御 方 式 を 確 認 するため,
実 際 に 定 格 750 W の 試 作 機 を 製 作 し 実 験 を 行 った。 表 2 に
試 作 機 の 仕 様 と 実 験 条 件 を 示 す。スイッチング 素 子 での 損
失 をできるだけ 抑 えるため, 試 作 機 はオン 抵 抗 の 小 さな
MOSFET を 選 定 した。なお, 提 案 回 路 は MOSFET のボディ
ダイオードを 流 れるモードはなく,ボディダイオードによ
るリカバリー 損 失 が 発 生 しないため,MOSFET が 適 用 でき
る。 本 実 験 では, 家 庭 の 比 較 的 大 きな 機 器 や 工 場 の 単 相 入
力 機 器 を 想 定 し, 入 力 電 圧 200 V とした。また, 出 力 電 圧 指
令 値 は 最 大 値 電 圧 付 近 で 制 御 余 裕 を 加 味 して 130 V と 設 定
し, 負 荷 抵 抗 値 を 変 化 させて 出 力 電 力 の 調 整 を 行 った。 入
力 と 出 力 の LC フィルタのインダクタンスは 1 mH,キャパ
シタンスは 3.3 mF,カットオフ 周 波 数 2.8 kHz とした。アク
ティブバッファのキャパシタは 100 mF を 用 いた。キャパシ
タ 電 圧 最 低 値 を V INp と 同 じ 283 V に 設 定 すると, 定 格 出 力
時 キャパシタ 電 圧 の 最 高 値 は 357 V となる。
図 8 に, 提 案 回 路 の 実 験 結 果 を 示 す。 図 8(a)に 定 格 出 力 時
の 入 力 電 圧 , 入 力 電 流 , 出 力 電 圧 および 出 力 インダクタ 電
流 の 波 形 を 示 す。 結 果 より, 入 力 電 流 は 力 率 0.999, 入 力 電
流 ひずみ 率 (THD)1.44%の 正 弦 波 , 出 力 電 圧 は 指 令 値 通 り
130V, 電 圧 リプル 率 6.33%の 直 流 が 出 力 されている。また,
図 8(b)に 定 格 出 力 時 の 入 力 電 圧 ・ 電 流 波 形 およびアクティブ
バッファのキャパシタ 電 圧 の 波 形 を 示 す。 結 果 より,キャ
パシタ 電 圧 が 電 源 周 波 数 の 2 倍 で 脈 動 しており, 電 圧 の 振
幅 値 も 理 論 と 一 致 している。これらの 結 果 より, 単 相 交 流
の 電 力 脈 動 がアクティブバッファのキャパシタで 吸 収 され
ており, 提 案 回 路 が 理 論 通 りに 動 作 していることが 確 認 で
きる。
図 9(a)に 出 力 負 荷 を 約 40%から 100%に 変 化 させた 時 の 波
形 , 図 9(b)に 出 力 負 荷 を 100%から 40%に 変 化 させた 時 の 波
形 を 示 す。 結 果 より, 負 荷 変 動 した 場 合 でも 出 力 電 圧 は 一
定 に 保 たれており, 入 力 電 流 も 変 動 に 応 じて 正 弦 波 に 制 御
されていることが 確 認 できる。また,キャパシタ 電 圧 も 理
論 値 通 り 制 御 されている。なお, 過 渡 応 答 時 の 振 動 は PI 調
節 器 のゲイン 設 計 に 起 因 するものと 考 えている。 以 上 のこ
とから, 制 御 法 の 妥 当 性 が 確 認 できる。
図 10 に 出 力 電 力 に 対 する 提 案 回 路 の 効 率 および 入 力 力 率
を 示 す。 定 格 出 力 時 において, 入 力 力 率 は 0.999, 最 高 効 率
は 96.4%を 達 成 した。また, 広 い 領 域 で 高 い 力 率 と 効 率 を 達
成 した。なお, 軽 負 荷 において, 力 率 が 低 下 するのは 入 力
フィルタに 流 れる 進 み 電 流 の 割 合 がダイオード 整 流 器 に 流
れ 込 む 電 流 に 対 して, 大 きくなるためである。
図 11 に 各 出 力 に 対 する 提 案 回 路 の 入 力 電 流 THD を 示 す。
広 い 範 囲 で 3% 以 下 と 良 好 な 値 を 確 認 した。
図 12 に 各 出 力 に 対 する 出 力 電 圧 リプル 率 V rip を 示 す。こ
こで, 従 来 回 路 として 降 圧 チョッパ 回 路 の 出 力 フィルタに
提 案 回 路 で 用 いた 100 mF のキャパシタを 単 純 に 接 続 した 回
路 との 比 較 を 行 った。 従 来 回 路 では 出 力 電 力 が 大 きくなる
Capcitor
voltage
[250V/div]
Input
current
[5A/div]
Output
voltage
[100V/div] 0
Output
current
[5A/div] 0
Capcitor
voltage
[250V/div]
Input
current
[5A/div]
Output
voltage
[100V/div] 0
Output
current
[5A/div] 0
100
99
98
97
96
0
0
[20ms/div]
(a) Load is changed from 40 % to 100%
0
0
(b) Load is changed from 100 % to 40%
Fig.9. Experimental results of transient response.
Input power factor
Efficiency
[20ms/div]
95
100 200 300 400 500 600 700 800
Output power [W]
Fig.10. Characteristics of Efficiency and input power factor of the
6
4
2
proposed circuit.
0
100 200 300 400 500 600 700 800
Output power [W]
60
40
20
Fig.11. Total harmonic distortion of the input current.
Conventional
converter
Proposed converter
0
100 200 300 400 500 600 700 800
Output power [W]
Fig.12. Output voltage ripple.
6 IEEJ Trans. ●●, Vol.●●, No.●, ●●●

アクティブバッファ 単 相 PFC 整 流 器 ( 大 沼 喜 也 , 他 )
につれて, 出 力 電 圧 に 大 きなリプルが 発 生 していることが
わかる。 一 方 提 案 回 路 では, 広 い 範 囲 で 出 力 電 圧 リプル 率
は 10% 以 下 となり, 電 力 脈 動 が 出 力 側 に 影 響 していないこ
とが 確 認 できる。
なお, 実 験 結 果 において, 電 源 周 波 数 の 2 倍 成 分 の 出 力
電 圧 リプルが 残 留 する 原 因 として, 各 モードの 素 子 や 配 線
の 電 圧 降 下 の 違 いによる 影 響 が 挙 げられる。 各 モードの 指
令 値 は 電 源 周 波 数 の 2 倍 の 周 波 数 成 分 を 有 するが, 各 モー
ドで 素 子 の 通 過 数 や 種 類 (ダイオードと MOSFET)によりオ
ン 電 圧 降 下 が 異 なるため,2 倍 成 分 の 出 力 電 圧 リプルが 生 じ
ている。また, 低 出 力 時 , 入 力 電 流 THD および 出 力 電 圧 リ
プルが 悪 化 する 理 由 として, 直 流 インダクタ 電 流 がキャリ
ア 1 周 期 内 で 不 連 続 になり, 出 力 電 圧 が 一 定 に 保 たれない
ことが 挙 げられる。これらの 問 題 は, 出 力 電 圧 指 令 値 V OUT
*
に PI 制 御 器 を 用 いて 出 力 電 圧 フィードバック 制 御 を 追 加 す
ることで 改 善 できると 思 われる。
6. 結 論
本 論 文 では, 少 ない 部 品 点 数 で PFC 機 能 と 小 容 量 のキャ
パシタで 電 力 脈 動 補 償 機 能 の 両 方 を 同 時 に 実 現 できる 降 圧
形 単 相 整 流 器 を 提 案 した。 提 案 回 路 はアクティブバッファ
のキャパシタで 電 源 周 波 数 の 2 倍 の 電 力 脈 動 を 吸 収 するた
め, 直 流 インダクタが 小 さくても 出 力 電 圧 にリプルは 発 生
せず, 入 力 電 流 も 正 弦 波 にできる。ただし, 出 力 電 圧 の 最
大 値 は 入 力 電 圧 最 大 値 の 1/2 に 制 限 される。また,キャパシ
タ 電 圧 を 大 きく 変 化 させることでアクティブバッファキャ
パシタの 小 容 量 化 が 容 易 に 実 現 できることを 明 らかにし
た。さらに,750W の 提 案 回 路 の 試 作 器 を 製 作 し, 実 験 によ
り 検 証 し, 以 下 の 結 果 を 得 た。
(1) 入 力 電 流 力 率 0.999, 入 力 電 流 THD1.44%の 正 弦 波 電
流 を 取 得
(2) 出 力 電 圧 リプル 率 6.33%の 直 流 電 圧 を 確 認
(3) 最 高 変 換 器 効 率 96.4%
以 上 のことから, 提 案 する 回 路 とその 制 御 方 式 の 有 用 性
を 確 認 した。
文
(1) T. Takeshita, Y. Toyoda and N. Matsui “DC Voltage Control and Harmonic
Current Suppression of Single-phase PFC Converter,” IEEJ Trans. IA, vol.
121, no. 10, pp. 1041-1048, 2001 (in Japanese).
竹 下 隆 晴 , 豊 田 泰 延 , 松 井 信 行 : 「 単 相 PFC コンバータの 直 流 電
圧 制 御 と 高 調 波 電 流 抑 制 」, 電 学 論 D, Vol. 121, No. 10, pp. 1041-1048
(2001)
(2) B. N. Singh, A. Chandra, K. Al-Haddad, A. Pandey, and D. P. Kothari, “A
review of single-phase improved power quality AC-DC converters,” IEEE
Trans. Ind. Elec., vol. 50, no. 5, pp. 962–981, 2003.
(3) K.-hen Chao and P.-T. Cheng, “Power decoupling methods for
single-phase three-poles AC/DC converters,” in Proc. IEEE Energy
Conversion Congress and Exposition ECCE 2009, 2009, pp. 3742-3747.
(4) L. Huber, L. Gang, and M. M. Jovanovic, “Design-oriented analysis and
performance evaluation of buck PFC front end,” IEEE Trans. Power
Electron., vol. 25, no. 1, pp. 85–94, 2010.
献
(5) J. C. Crebier, B. Revol, and J. P. Ferrieux, “Boost-chopper-derived PFC
rectifiers: interest and reality,” IEEE Trans. Ind. Elec., vol. 52, no. 1, pp.
36–45, 2005.
(6) K. Tsuno, K. I. Ishii, and T. Shimizu, “Comparison of Power Decoupling
Characteristics of DC Ripple Energy on the Single-phase Voltage Source
PWM Rectifiers,” IEEJ Trans. IA, vol. 126, no. 1, pp. 64–73, 2006 (in
Japanese).
津 野 康 一 , 石 井 謙 市 朗 , 清 水 敏 久 : 「 単 相 電 圧 形 PWM 整 流 器 に
おけるパワーデカップリング 特 性 の 比 較 」, 電 学 論 D, Vol. 126, No. 1,
pp. 64-73 (2006)
(7) K.-hen Chao and P.-T. Cheng, “Power decoupling methods for
single-phase three-poles AC/DC converters,” in Proc. IEEE Energy
Conversion Congress and Exposition ECCE 2009, 2009, pp. 3742-3747.
(8) S. Wang, X. Ruan, K. Yao, and Z. Ye, “A flicker-free electrolytic
capacitor-less ac-dc LED driver,” in Porc. IEEE Energy Conversion
Congress and Exposition ECCE 2011, 2011, pp. 2318–2325.
(9) S.-ichi Motegi and A. Maeda, “A Single-phase Buck PFC Converter with
Improved Input Current Waveform,” IEEJ Trans. IA, vol. 117, no. 10, pp.
1286-1287, 1997 (in Japanese).
茂 木 進 一 , 前 田 明 志 : 「 入 力 電 流 波 形 を 改 善 した 単 相 降 圧 形 高 力
率 整 流 器 」, 電 学 論 D, Vol. 117, No. 10, pp. 1286-1287 (1997)
(10) Y. Neba, “A Single-phase PWM Current Source Type Converter coupling
with AC Chopper,” IEEJ Trans. IA, vol. 117, no. 6, pp. 673-679, 1997 (in
Japanese).
根 葉 保 彦 : 「 交 流 チョッパを 結 合 した 単 相 PWM 電 流 形 電 力 変 換
器 」, 電 学 論 D, Vol. 117, No. 6, pp. 673-679 (1997)
(11) Y. Neba and K. Kodashiro, “Three-leg PWM current source converter with
AC chopper for single-phase utility,” IEEJ Trans. IA, vol. 126, no. 9, pp.
1171-1177, 2006 (in Japanese).
根 葉 保 彦 , 小 田 代 研 志 : 「 交 流 チョッパを 結 合 した 3 レグ 単 相
PWM 電 流 形 コンバータ」, 電 学 論 D, Vol. 126, No. 9, pp. 1171-1177
(2006)
(12) K. Nishimura, K. Hirachi, S. Komiyama, and M. Nakaoka, “Two buck
choppers built-in single phase one stage pfc converter with reduced DC
voltage ripple and its specific control scheme,” in Proc. Twenty-Third
Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition APEC
2008, 2008, pp. 1378-1383.
(13) ( 株 ) 村 田 製 作 所 : 投 稿 記 事 (パワーエレクトロニクス 用 セラミック
コンデンサ)http://www.murata.co.jp/products/article/ta06d2/index.html
付 録
1. アクティブバッファのキャパシタ 電 圧 の 導 出
キャパシタ 電 圧 と 電 流 の 積 は(2) 式 で 示 すバッファの 瞬 時
電 力 p buf と 一 致 する。 積 分 開 始 時 の 時 間 t 0 ,キャパシタの 初
期 電 圧 を v 0 とし 両 辺 を 積 分 し,v c を 求 めると,( 付 1) 式 が 得
られる。
t
t0
v C
c
dc
t
t0
v i dt
c c
dvc
dt
dt
v
v
c
c
t
t0
t
t0
1
V
2
1
V
2
INp INp
t0
2
dcvc0
2
c0
v
2
c0
v
INp
INp
vc
1
Cdc
vcdvc
V I
vc0
2
1 2 1
Cdcvc
C
2 2
I
I
INp
INp
t
1
2C
p
C
out
dc
dc
1
V
4
V
INp
INp
I
I
cos 2t
dt
cos 2t
dt
cos 2t
dt
INp
INp
t
sin2
t
t
sin2
t
t
sin2
t
sin 2
sin 2
sin 2
···································································· ( 付 1)
以 上 で 導 出 された。
0
0
0
7 IEEJ Trans. ●●, Vol.●●, No.●, ●●●

アクティブバッファ 単 相 PFC 整 流 器 ( 大 沼 喜 也 , 他 )
大 沼 喜 也 ( 学 生 員 ) 1985 年 5 月 12 日 生 まれ。2010 年 3
月 長 岡 技 術 科 学 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 修 士 課 程 電 気 電 子 情 報 工 学
専 攻 修 了 。 同 年 4 月 同 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 博
士 後 期 課 程 エネルギー・ 環 境 工 学 専 攻 に 進 学 。
日 本 学 術 振 興 会 特 別 研 究 員 DC。 主 に 電 力 変 換
回 路 に 関 する 研 究 に 従 事 。IEEE 会 員 。
伊 東 淳 一
( 正 員 ) 1972 年 1 月 6 日 生 まれ。1996 年 3 月
長 岡 技 術 科 学 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 修 士 課 程
終 了 。 同 年 4 月 , 富 士 電 機 ( 株 ) 入 社 。2004 年
4 月 長 岡 技 術 科 学 大 学 電 気 系 准 教 授 。 現 在 に 至
る。 主 に 電 力 変 換 回 路 , 電 動 機 制 御 の 研 究 に 従
事 。 博 士 ( 工 学 )( 長 岡 技 術 科 学 大 学 )。2007 年
第 63 回 電 気 学 術 振 興 賞 進 歩 賞 受 賞 。2010 年
Isao Takahashi Power Electronics Award 受 賞 。
IEEE 会 員 。
8 IEEJ Trans. ●●, Vol.●●, No.●, ●●●