Gunma University Kobayashi Lab 1

電気学会
電子回路研究会
＇岡山県立大（
2011年7月1日
新構成AC-DC変換回路の検討
◎邢 林, 高 虹, 小堀康功＇群馬大学（
岡本直久, 大島正樹 ＇ニチコン（,
若林和行, 岡田考志, 小野澤昌徳,
小林春夫, 高井伸和, 新津葵一
＇群馬大学（
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1
OUTLINE
•研究背景
•新提案１
昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器
•新提案２
Hブリッジ AC-DC変換器
•まとめ
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2
OUTLINE
•研究背景
•新提案１
昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器
•新提案２
Hブリッジ AC-DC変換器
•まとめ
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3
研究背景
AC/DCパワーサプライ
交流
DC入力機器
AC整流 非安定な DCDC
平滑回路
直流
コンバータ
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安定な直流
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研究目的
● 従来AC-DC変換器での問題点：
多段縦続接続回路構成のため
- 低変換効率
- 高コスト
● 本研究の目的：
ＡＣからＤＣへ直接１段で電圧変換
- 高変換効率
- 低コスト
新AC-DC 変換回路を提案・検討する。
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研究のアプローチ
整流回路
AC
DC
DC-DCコンバータ
DC
DC
多段回路： 低変換効率
回路面積大： 高コスト
従来回路
提案回路
DC-DCコンバータの原理を
AC-DCコンバータに応用
AC
D
提案回路
C
DC
１段回路： 高変換効率
回路面積小: 低コスト
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基本的なスイッチング電源
名称
回路構成
L
S
降圧型
D
S
C
入力電圧より高い電圧
を発生
入力電圧の昇圧と降
圧が両方が可能。入力
電圧と出力電圧の方向
が逆です。
D
S
昇降圧型
C
入力電圧より低い電圧
を発生
D
L
昇圧型
特徴
L
C
7
OUTLINE
•研究背景
•新提案１
昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器
•新提案２
Hブリッジ AC-DC変換器
•まとめ
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提案１の構成の原理（１）
AC入力電圧からDC出力電圧を生成
V
反転型昇降圧
DC-DC変換回路を
使用
t
非反転型昇降圧
DC-DC変換回路
を使用
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9
提案１の構成の原理(2)
V
t
反転型昇降圧回路で
負の電圧を正の電圧へ
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提案１の構成の原理(３)
V
降圧
昇圧
昇圧
降圧
昇圧
昇圧
t
非反転型昇降回路
を使用
反転型昇降圧回路
を使用
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提案１の構成の原理(４)
V0
直流電圧出力
t
低リップルの直流電圧出力が得られる
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提案１ 回路の動作
昇降圧―昇降圧型AC-DCコンバータ
（Vin＞０時の電流状態）
Vin＜０時の動作電流
Vin＞０
Vin＜０
タイミング・チャート
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パワー部と制御部の回路
● AC-DC変換回路が
一段で実現
● AC 100Vrms 入力
で DC 電圧出力
50V, 24V,12V, 5V の
いづれも実現可。
＇シミュレーションで
確認済)
● ドライバー回路の
簡単な変更で
負の直流電圧出力
も可。
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シミュレーションによる動作確認
● シミュレーション条件＆結果
・入力：100Vrms、50Hz
50
V
・PWM信号：100kHz
150
・出力電圧：Vo=50.00V＇＋40mV（
-50
-150
C
220 uF
R
100 Ω
R1
9 kΩ
R2
1 kΩ
Ｌ
220 uH
VREF
5.0 V
20 25 30 35 40 45 50 55
time/mSecs
5mSecs/div
AC入力電圧
DC入力電圧
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出力電圧リプル
・出力リプル：5mVpp
＇リプル周波数:200kHz（
Vout / V
● シミュレーション結果
50.063
50.062
50.061
50.06
50.059
23.96 23.97 23.98 23.99 24 24.01
C
220 uF
R
100 Ω
R1
9 kΩ
R2
1 kΩ
Ｌ
220 uH
VREF
5.0 V
time/mSecs
10uSecs/div
リプル電圧は十分小さい
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新提案１回路のまとめ
● 一段の回路で AC入力100Vrmsから
DC出力電圧 (50V, 24V,12V, 5V等（の変換が
実現できる。
● リプル電圧は十分小さい。
● 問題点： 動作状態で、
インダクタL に逆方向に電流が流れる
効率が劣化
上記問題を解決するため
ＨブリッジAC-DC変換器を提案する。
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OUTLINE
•研究背景
•新提案１
昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器
•新提案２
Hブリッジ AC-DC変換器
•まとめ
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提案２の構成の原理（１）
AC入力電圧からDC出力電圧を生成
V
反転型昇降圧
DC-DC変換回路
コイル電流が
を使用
一方向となるように
スイッチを制御
t
非反転型昇降圧
DC-DC変換回路を
使用
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提案２の構成の原理(2)
V
t
反転型昇降圧回路で
負の電圧を正の電圧へ
コイル電流が
一方向となるように
スイッチを制御
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提案２の構成の原理(３)
V
降圧
昇圧
昇圧
降圧
昇圧
昇圧
t
非反転型昇降回路
を使用
反転型昇降圧回路
を使用
コイル電流が
一方向となるように
スイッチを制御
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提案２の構成の原理(4)
V0
直流電圧出力
t
低リップルの直流電圧出力が得られる
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提案２の回路の構成と動作
Vin＞０
Vin＜０
非反転型HブリッジAC-DCコンバータ
（Vin＞０時の電流方向）
● 動作モード
・入力信号の正負極性により、制御モードを切換える
Vin＜０時の電流方向
・コイル電流が一方向となるようにスイッチを制御
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提案２の回路の構成と動作
Vin＞０
Vin＜０
非反転型HブリッジAC-DCコンバータ
同じ向きのコイル電流
（Vin＞０時の電流方向）
● 動作モード
・入力信号の正負極性により、制御モードを切換える
Vin＜０時の電流方向
・コイル電流が一方向となるようにスイッチを制御
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参考 提案１ 回路の動作
反対向きのコイル電流
昇降圧―昇降圧型AC-DCコンバータ
（Vin＞０時の電流状態）
反対向きのコイル電流
Vin＞０
Vin＜０
タイミング・チャート
Vin＜０時の動作電流
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制御クロック生成
各スイッチデバイス制御クロック生成には
AC入力電圧を基準入力とする
ＰＬＬ回路等を用いる。
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電圧変換率の検討
非反転型HブリッジAC-DCコンバータ
（Vin＞０時の電流方向）
インダクタ電流
Vi＞0：S1,S3=ON時の等価回路
Vi＞0：S2,S5=ON 時の等価回路
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電圧変換率の理論解析
PWM周波数＞＞入力周波数 、
瞬時出力電圧Vo一定
非反転昇降圧型DC-DCコンバータと同様に次式で表される。出力電圧は一定。
D
V0 
Vi
1 D
D
V0  2
Vrms  sin( )
1 D
必要なデューティD：
D( ) 
1
1 2
M
 sin( )
ただし
M
V0
Vrms
半周期の平均デューティD* ：
π
*
D 
1
D( )d


0
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平均デューティと出力電圧（Vrms=100V）
Vo(本方式)
通常の
昇降圧型DC-DCコンバータ
Vo(従来)
400
350
300
提案AC-DC 構成2
250
200
150
100
50
0
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
同じデューティで本方式の出力電圧Voはやや低い。
本方式は低いＤＣ出力電圧が得やすい ＇大きなメリット（
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提案２のパワー部と制御部の回路
● AC-DC変換回路が
一段で実現
● AC 100Vrms 入力
で DC 電圧出力
50V, 24V,12V, 5V の
いづれも実現可。
＇シミュレーションで
確認済)
● ドライバー回路の
簡単な変更で
負の直流電圧出力
も可。
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出力電圧波形
5 ms/div
・入力：100Vrms、50Hz
V
・PWM信号：100kHz
・出力電圧：Vo=50.00V
＇＋40mV（
C
220 uF
R
100 Ω
R1
9 kΩ
R2
1 kΩ
Ｌ
220 uH
VREF
5.0 V
Output Voltage [V]
● シミュレーション条件＆結果
100
0
-100
20 25
30 35 40 45 50 55
Time [ms]
time/mSecs
5mSecs/div
AC入力電圧
DC入力電圧
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出力電圧のリプル
● シミュレーション結果
・電圧リプル：⊿Vo=3mVpp
リプル率：0.02％
リプル電圧は十分小さい
＇提案1より小さい（
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32
過渡応答：負荷１0０Ωから50 Ωのシミュレーション
● 過度応答特性 条件＆結果
＇ダイナミック・ロード・レギュレーション（
・負荷電流変化
⊿IL＝0.5A ＇1.0/0.5A（
＇RL=50/100Ω（
・出力電圧概要
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出力電圧5Vと電圧リプル
● シミュレーション条件＆結果
・従来と同一条件
100
50
V
・出力電圧＝5V
電圧リプル：⊿Vo=2mVpp
0
-50
リプルが小さい
-100
50
60
70
80
C
R
R1
R2
Ｌ
VREF
220 uF
100 Ω
9 kΩ
1 kΩ
220 uH
5.0 V
VOUT / V
time/mSecs
90
100
10mSecs/div
5.03
5.02
5.01
5
4.99
4.98
4.97
4.96
45.4
45.5
45.6
time/mSecs
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45.7
45.8
100uSecs/div
34
負のDC出力電圧の回路
ドライバーを少し変えれば
負のＤＣ出力電圧も可。
C
R
R1
R2
Ｌ
VREF
220 uF
100 Ω
9 kΩ
1 kΩ
220 uH
5.0 V
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負出力電圧波形と電圧リプル
シミュレーション条件＆結果
・同一条件
・出力電圧＝負50.00V
・電圧リプル：⊿Vo=3mVpp
リプル率：0.02％
C
R
R1
R2
Ｌ
VREF
220 uF
100 Ω
9 kΩ
1 kΩ
220 uH
5.0 V
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OUTLINE
•研究背景
•新提案１
昇降圧-昇降圧電源使用ＡＣ－ＤＣ変換器
•新提案２
Hブリッジ AC-DC変換器
•まとめ
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まとめ
直接AC-DC変換を行う新原理の回路を２つ提案した。
● 回路が一段構成
● 直流出力電圧50V,24V,12V,5V等が得られる。
● 電圧変換率が同じデューティで
より低い出力電圧Voが得やすい。
● 負の出力電圧も実現可。
● リプルが十分小さい
● 負荷変動に対する過渡応答がよい。
高変換効率、低コストのＡC-DC変換器が実現可
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38
今後の課題
● 実デバイスを用いた回路設計
● 力率の評価と改善
● 効率の評価と改善
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39
ご静聴ありがとうございます
Gunma University Kobayashi Lab
40