本記事では、「直流－直流変換回路」として用いられる直流チョッパ回路の概要と、各種回路についてまとめる。
直流チョッパ回路の概要
直流チョッパ回路の原理
図1に直流チョッパ回路の原理図を示す。
同図は直流電源$E_1$，負荷抵抗$R$，およびスイッチ$\mathrm{S}$で構成されたシンプルな回路である。
図1 直流チョッパ回路の原理図
図1の回路では、スイッチ$\mathrm{S}$のオン・オフの動作を繰り返すことにより、負荷抵抗$R$に発生する電圧$e_2$が図2のようなパルス状の波形になる。
回路に流れる電流$i_\mathrm{o}$も同様である。
直流チョッパ回路は、スイッチ$\mathrm{S}$のオン時間$T_\mathrm{ON}$およびオフ時間$T_\mathrm{OFF}$の比率を変化させることにより、$e_2$および$i_\mathrm{o}$の平均値で、出力電圧$E_2$および電流$I_\mathrm{o}$の値を制御することができる。
図2 直流チョッパ回路の出力電圧および電流
なお、図2において、スイッチ$\mathrm{S}$のオン・オフの周期$T=T_\mathrm{ON}+T_\mathrm{OFF}$に対する、オン時間$T_\mathrm{ON}$の割合（回路が通電する割合）を通流率$\alpha$といい、次の式で表す。
$$\alpha=\frac{T_\mathrm{ON}}{T}=\frac{T_\mathrm{ON}}{T_\mathrm{ON}+T_\mathrm{OFF}}$$
リアクトルが接続された直流チョッパ回路
直流チョッパ回路に接続される負荷としては（電動機などの）誘導性負荷が多く、これを負荷抵抗$R$に加えリアクトル$L$が直列接続された図3のような回路で表す。
図3 リアクトル$L$が接続された直流チョッパ回路の原理図
図3の回路において、スイッチは$\mathrm{S_1}$および$\mathrm{S_2}$の2種類を用いている。
このうち、スイッチがともにオフの状態からスイッチ$\mathrm{S_1}$がオンになると、負荷抵抗$R$に電源$E_1$からのエネルギーが供給されると同時に、リアクトル$L$に磁気エネルギーが蓄えられる。
一方、スイッチ$\mathrm{S_1}$がオフ、スイッチ$\mathrm{S_2}$がオンになると、負荷抵抗$R$は電源$E_1$から切り離されるが、負荷抵抗$R$にはリアクトル$L$に蓄えられた磁気エネルギーが流入するので、一定の電圧が保たれる。
このスイッチ$\mathrm{S_1}$および$\mathrm{S_2}$のオン・オフを制御することにより、所望の出力電圧および電流を得ることができる。
なお、各種チョッパ回路において、このスイッチ$\mathrm{S_1}$および$\mathrm{S_2}$は、バイポーラトランジスタまたはIGBTなどのスイッチング素子や、ダイオードといった半導体素子が割り当てられる。
各種回路
ここでは、本サイトで解説した各種チョッパ回路の回路図を示す。
詳しい解説についてはリンク先の個別の記事で参照のこと。
降圧チョッパ回路
$$E_2=\frac{T_\mathrm{ON}}{T_\mathrm{ON}+T_\mathrm{OFF}}E_1=\alpha E_1$$
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昇圧チョッパ回路
$$E_2=\frac{1}{1-\displaystyle{\frac{T_\mathrm{ON}}{T_\mathrm{ON}+T_\mathrm{OFF}}}}E_1=\frac{1}{1-\alpha}E_1$$
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昇降圧チョッパ回路
$$E_2=\frac{\displaystyle{\frac{T_\mathrm{ON}}{T_\mathrm{ON}+T_\mathrm{OFF}}}}{1-\displaystyle{\frac{T_\mathrm{ON}}{T_\mathrm{ON}+T_\mathrm{OFF}}}}E_1=\frac{\alpha}{1-\alpha}E_1$$
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参考文献
- 電気学会『電気工学ハンドブック 第7版』オーム社，2013
- パワーエレクトロニクスハンドブック編集委員会『パワーエレクトロニクスハンドブック』オーム社，2010
- 長谷良秀『電力技術の実用理論 第3版 発電・送変電の基礎理論からパワーエレクトロニクス応用まで』丸善出版，2015
- 古橋武『パワーエレクトロニクスノート―工作と理論』コロナ社，2008
- 金東海『パワースイッチング工学―パワーエレクトロニクスの基礎理論』電気学会，2003
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