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

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.●, ●●●