《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[H18:問3]スイッチングレギュレータの動作に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★★★☆（やや難しい）

次の文章は，スイッチングレギュレータの動作に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる詩句又は式を解答群の中から選び，その記号をマークシートに記入しなさい。

図の回路はスイッチングレギュレータ，あるいは$ \ \fbox {　（１）　} \ $と呼ばれ，小容量の電子機器用の安定化電源として多く用いられている。この回路方式は，一石式$ \ \fbox {　（２）　} \ $形に分類される。

スイッチングデバイス$ \ \mathrm {Q} \ $としては，高速スイッチングが可能で低損失のパワートランジスタや$ \ \fbox {　（３）　} \ $が使用される。この回路の動作は，$ \ \mathrm {Q} \ $がターンオンした時に変圧器$ \ \mathrm {T} \ $とリアクトル$ \ L \ $を介して負荷$ \ R \ $にエネルギーが供給され，$ \ \mathrm {Q} \ $がターンオフするとダイオード$ \ \fbox {　（４）　} \ $が導通して，リアクトル$ \ L \ $と変圧器$ \ \mathrm {T} \ $に蓄えられたエネルギーを放出する。

電源電圧を$ \ E \ $，$ \ \mathrm {Q} \ $のオン期間を$ \ T_{\mathrm {on}} \ $，$ \ \mathrm {Q} \ $のオフ期間を$ \ T_{\mathrm {off}} \ $及び変圧器の一次，二次，三次巻線の巻数をそれぞれ$ \ n_{1} \ $，$ \ n_{2} \ $，$ \ n_{3} \ $とすれば，この回路の出力電圧$ \ V_{o} \ $は，次のようになる。
\[
\begin{eqnarray}
V_{o} &=& \ \fbox {　（５）　} \ \times \frac {T_{\mathrm {on}}}{T_{\mathrm {on}}+T_{\mathrm {off}}}\times E \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

〔問3の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　\mathrm {D}_{1} \ 及び \ \mathrm {D}_{3}　　　　　&（ロ）&　プッシュプル　　　　　&（ハ）&　サイクロコンバータ \\[ 5pt ] &（ニ）&　パワー \ \mathrm {MOSFET}　　　　　&（ホ）&　\frac {n_{1}}{n_{2}}　　　　　&（ヘ）&　\mathrm {D}_{2} \ 及び \ \mathrm {D}_{3} \\[ 5pt ] &（ト）&　インバータ　　　　　&（チ）&　\mathrm {GTO}　　　　　&（リ）&　フォワード \\[ 5pt ] &（ヌ）&　\frac {n_{2}}{n_{1}}　　　　　&（ル）&　フライバック　　　　　&（ヲ）&　\mathrm {D}_{1} \ 及び \ \mathrm {D}_{2} \\[ 5pt ] &（ワ）&　サイリスタ　　　　　&（カ）&　\mathrm {DC / DC} \ コンバータ　　　　　&（ヨ）&　\left( \frac {n_{2}}{n_{1}}\right) ^{2} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

スイッチングレギュレータの動作に関する問題です。
直流安定化電源として用いられるスイッチングレギュレータですが，電験での出題が少ない内容ですので，受験生には少し厳しい問題であったかと思います。メカニズム自体は変圧器と降圧チョッパが分かっていれば理解できますので，ぜひここで理解するようにしましょう。

1.降圧チョッパの動作
図1-1及び図1-2は降圧チョッパの例となります。
スイッチ$ \ \mathrm {S} \ $がオンになると，図1-1のように電源からの電流はスイッチ$ \ \mathrm {S} \ $を通り，リアクトル$ \ L \ $側に電流が流れますが，ダイオード$ \ D_{\mathrm {F}} \ $は逆向きなので電流が流れません。
スイッチ$ \ \mathrm {S} \ $がオフになると，図1-2のように電源から電流は流れず，リアクトルに蓄えられているエネルギーから出力側と還流ダイオード$ \ D_{\mathrm {F}} \ $に電流が流れます。
したがって，降圧チョッパの出力電圧の平均値$ \ V_{\mathrm {out}} \ $は，スイッチのオン時間を$ \ T_{\mathrm {on}} \ $，オフ時間を$ \ T_{\mathrm {off}} \ $とすると，
\[
\begin{eqnarray}
V_{\mathrm {out}}&=&\frac {T_{\mathrm {on}}}{T_{\mathrm {on}}+T_{\mathrm {off}}}V_{\mathrm {in}} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] で求められます。このとき，$ \ V_{\mathrm {in}} \ $の係数
\[
\begin{eqnarray}
\gamma &=&\frac {T_{\mathrm {ON}}}{T_{\mathrm {ON}}+T_{\mathrm {OFF}}} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] を通流率といいます。

【解答】

(1)解答：カ
題意より，解答候補は（ハ）サイクロコンバータ，（ト）インバータ，（カ）$ \ \mathrm {DC / DC} \ $コンバータ，になると思います。
問題の回路は変圧器とチョッパ回路を用いて，直流の入力から安定した直流の出力を得る回路となり，$ \ \mathrm {DC / DC} \ $コンバータと呼ばれます。

(2)解答：リ
題意より，解答候補は（ロ）プッシュプル，（リ）フォワード，（ル）フライバック，になると思います。
スイッチングレギュレータは二次側の回路構成によりフォワード形とフライバック形に分かれ，問題の回路はフォワード形のスイッチングレギュレータとなります。フライバック形は二次側の$ \ \mathrm {D}_{2} \ $と$ \ L \ $がないもので，変圧器$ \ T \ $のエネルギー授受により出力電圧を得る方法です。

(3)解答：ニ
題意より，解答候補は（ニ）パワー$ \ \mathrm {MOSFET} \ $，（チ）$ \ \mathrm {GTO} \ $，（ワ）サイリスタ，になると思います。
このうちスイッチングレギュレータのスイッチングデバイスとして利用されるのは高速スイッチングが可能で低損失のパワー$ \ \mathrm {MOSFET} \ $となります。

(4)解答：ヘ
題意より，解答候補は（イ）$ \ \mathrm {D}_{1} \ $及び$ \ \mathrm {D}_{3} \ $，（ヘ）$ \ \mathrm {D}_{2} \ $及び$ \ \mathrm {D}_{3} \ $，（ヲ）$ \ \mathrm {D}_{1} \ $及び$ \ \mathrm {D}_{2} \ $，になると思います。
問題のスイッチングレギュレータは図2のように動作し，$ \ \mathrm {Q} \ $がターンオフするとダイオード$ \ \mathrm {D}_{2} \ $及び$ \ \mathrm {D}_{3} \ $が動作することになります。一次側の$ \ \mathrm {D}_{3} \ $は還流ダイオードで，この閉回路によりターンオンの際に変圧器に蓄えられたエネルギーを電源に回生し，変圧器の磁気飽和を防止することができます。

(5)解答：ヌ
題意より，解答候補は（ホ）$ \ \displaystyle \frac {n_{1}}{n_{2}} \ $，（ヌ）$ \ \displaystyle \frac {n_{2}}{n_{1}} \ $，（ヨ）$ \ \displaystyle \left( \frac {n_{2}}{n_{1}}\right) ^{2} \ $，になると思います。
図2の$ \ \mathrm {ON} \ $の回路に示すように，変圧器の巻数比が$ \ \displaystyle \frac {n_{1}}{n_{2}} \ $であることから，出力電圧$ \ V_{o} \ $は，
\[
\begin{eqnarray}
V_{o} &=& \frac {n_{2}}{n_{1}} \times \frac {T_{\mathrm {on}}}{T_{\mathrm {on}}+T_{\mathrm {off}}}\times E \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となります。