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

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.●, ●●●