Last Update 2023/02/07
ロスのないスムーズなコントロールを目指して
TRSP No.98 パワー・エレクトロニクス回路の設計
B5変型判 216ページ
定価2,420円(税込)
JAN9784789837590
2007年4月1日発行
![[品切れ重版未定2023.2.7] TRSP No.98 パワー・エレクトロニクス回路の設計](37591l.jpg)
大変恐縮ですが，こちらの商品は品切れ重版未定となりました．
モータの回転音がしない洗濯機，消費電力の小さいエアコン，電磁調理機など，最近の電力を扱う機器は小型でとてもインテリジェントです．効率良く，そしてスムーズに大きな電力をコントロールするためには，マイコンやDSPを使いこなすことはもちろん，高い電圧や電流を扱うことのできるパワー・デバイスを適切に選び，それらを上手に駆動しなければなりません．
今回は，パワーMOSFET1石のシンプルなスイッチング回路やフルブリッジ回路，PWM制御回路を実際に作り，実験しながらパワー・スイッチング回路を設計する技術を基礎からじっくり解説します．さらに，蛍光灯インバータやソーラ・インバータなど，実用的なパワー回路の設計事例も紹介します．
今回は，パワーMOSFET1石のシンプルなスイッチング回路やフルブリッジ回路，PWM制御回路を実際に作り，実験しながらパワー・スイッチング回路を設計する技術を基礎からじっくり解説します．さらに，蛍光灯インバータやソーラ・インバータなど，実用的なパワー回路の設計事例も紹介します．
目次
まえがき
蛍光灯/ランプからモータ/スピーカ/電源まで
イントロダクション パワー・エレクトロニクスへの誘い
1 本書で扱うパワー・エレクトロニクスの応用機器
2 パワー回路+制御回路で構成する
制御信号を1ビット信号に変換!増幅!そして復調
第1部 パワー制御に必要な基本回路の作り方
マイコンの出力ポートで100VをON/OFFする実験から始める
第1章 STEP1 小さな信号で効率良くパワー制御
1.1 マイコンの出力で100W電球を点灯/消灯する
1.2 効率良くなめらかに制御するには
1.3 希望の出力値をパルス幅に変換する技術PWM
1.4 PWM波から負荷を駆動する信号を再生する技術
損失なくスムーズにコントロールするために
第2章 STEP2 希望の出力値情報をパルス幅に乗せる
2.1 PWM回路の役割と動作
2.2 キャリア生成回路とコンパレータで構成される
2.3 キャリア発生回路とコンパレータに求められる性能
2.4 マイコンなどに内蔵されているディジタル方式PWM
2.5 何がキャリア周波数の上限を決めるのか？
コラム2.1 定番のPWM制御IC
コラム2.2 ほとんどのPWM制御ICは直流電源用
動作基準の異なるPWM回路とMOSFETをつなぐ
第3章 STEP3 PWM信号を受けて二つのパワー素子を駆動
3.1 スイッチング・デバイスの代表「パワーMOSFET」の性質と扱い
3.2 ブリッジ回路のハイ・サイドをしっかり駆動する
3.3 スイッチングの高速化
コラム3.1 違う電位を基準に動く素子を駆動するには
負荷が要求する大きな電圧や電流を供給
第4章 STEP4 PWM信号の電圧と電流を増幅
4.1 代表的な二つのスイッチング出力回路
4.2 デッド・タイムの必要性
4.3 フル・ブリッジの制御方式
4.4 ハーフ・ブリッジか？ それともフル・ブリッジか？
4.5 フル・ブリッジ回路の転流動作を細かく見てみる
コラム4.1 ブリッジ回路が出力するスイッチング・パルスを平均化するは
高効率な電力変換に欠かせないエネルギーの貯蔵庫
第5章 STEP5 パワー回路用コンデンサとコイルの実用知識
5.1 コンデンサのしくみとふるまい
5.2 コイルのしくみとふるまい
5.3 コイルとコンデンサはエネルギーの貯蔵庫
5.4 理想的なコイルとコンデンサは存在しない
5.5 コンデンサのカタログを見てみよう
5.6 コイルのカタログを見てみよう
5.7 パワー・エレクトロニクス用コンデンサのいろいろ
5.8 パワー・エレクトロニクス用コイルのいろいろ
5.9 コイルとコンデンサの選び方
入力48V，出力30VRMS/3ARMS，帯域2kHz
第6章 STEP6 ディジタルPWM方式パワー・コントローラの試作
6.1 試作するパワー・コントローラの回路 87
6.2 パワーMOSFETの選択 90
6.3 ゲート・ドライブ回路の設計 93
6.4 ボディ・ダイオードの応答遅れへの対応
6.5 LC出力フィルタの設計
6.6 試作回路の動作確認 101
6.7 実験から見えてくるトレードオフのいろいろ
6.8 ヒートシンクの熱抵抗の設計
6.9 実装時の注意点
6.10 出力電圧を100VRMSに上げる
6.11 壊さないために…過電流保護回路の追加
6.12 ディジタル方式PWMの高分解能化
6.13 スイッチング周波数の最適化
コラム6.1 ボディ・ダイオードの応答が速いパワーMOSFET
コラム6.2 スイッチング周波数の高周波化による利害と得失
蛍光灯インバータから太陽電池用電力インバータまで
第2部 パワー制御回路の設計事例
40kHzで点滅制御！ちらつきがなく高効率
第7章 オーソドックスな18W蛍光灯インバータ
7.1 従来の銅鉄安定器型蛍光灯の電気的特性
7.2 回路の設計
高調波対策OK！多数の蛍光灯を安価に敷設
第8章 18W×2本同時駆動！高力率蛍光灯インバータ
8.1 製作した蛍光灯インバータの特徴
8.2 インバータが引き込む電流のピーク値を低減するPFC
8.3 PFC部の設計
8.4 インバータ部の設計
8.5 試作品の特性
店舗用/水槽用など各種のHIDランプを安定駆動
第9章 150/100/70W放電管に対応！電力切り替え型電子バラスト
9.1 駆動回路から見たHIDランプの性質
9.2 HID用電子バラストの設計
9.3 回路の詳細な検討
太陽電池の出力特性の急変に対応！
第10章 入力33V，出力100V/100Wのサイン波ソーラ・インバータ
10.1 仕様
10.2 インバータ部の回路設計
10.3 製作したインバータの特性
コラム10.1 商用電源と連系動作するソーラ・インバータのしくみ
MOSFET選別回路から各種保護回路まで
第11章 実用パワー回路集
11.1 パワー素子破壊の被害が制御ICに及ばないドライブ回路
11.2 低出力インピーダンスの絶縁型ゲート・ドライブ回路
11.3 最大オン・デューティ90%のゲート・ドライブ回路
11.4 レベル・シフトと絶縁を両立したハイ・サイド・ゲート・ドライバ
11.5 ノイズに強く高速に動作する絶縁型ゲート・ドライブ回路
11.6 最大出力1.5kWのACモータ用IGBTドライブ回路
11.7 汎用部品で作れるデッド・タイム生成回路
11.8 ソフト・スタート制御信号生成回路
11.9 瞬断を検出するAC電源モニタ
11.10 温度センサICで作る過熱保護回路
11.11 サイリスタで作る突入電流制限回路
11.12 100V以上の高圧回路で使える過電圧保護回路
11.13 マルチ出力電源に対応した過電流検出回路
11.14 自励式スイッチング電源の低電源電圧動作防止回路
11.15 フェーズ・シフトPWM用フル・ブリッジ回路
11.16 PWMインバータの過電流検出保護回路
11.17 バイポーラ・スイッチング増幅回路
11.18 周波数500kHz，出力200WのD級出力回路
11.19 超音波発振器用スイッチング出力回路
11.20 ゲートしきい値電圧の簡易測定法
11.21 ドレイン電流を可変できるゲートしきい値電圧測定回路
11.22 超音波発振器用の周波数自動追尾方式VCO回路
11.23 直流電圧でしきい値を可変するレンジ切り替え回路
11.24 交流100Vを任意の位相でON/OFFする電力制御回路
11.25 12V電源で動作する35W放電ランプ用定電力電源回路
11.26 調光機能付き蛍光灯インバータ回路
11.27 0〜+140V可変電源回路
コラム11.1 逆起電力ノイズが出ないリレー
蛍光灯，冷陰極管，HIDランプ，低圧ナトリウムのミニ知識
APPENDIX 照明用放電管のいろいろ
A.1 グロー放電型とアーク放電型
A.2 蛍光灯
A.3 冷陰極管
A.4 HIDランプ
A.5 車載用HIDランプ
A.6 低圧ナトリウム灯
初出一覧・執筆担当者一覧
索引
まえがき
蛍光灯/ランプからモータ/スピーカ/電源まで
イントロダクション パワー・エレクトロニクスへの誘い
1 本書で扱うパワー・エレクトロニクスの応用機器
2 パワー回路+制御回路で構成する
制御信号を1ビット信号に変換!増幅!そして復調
第1部 パワー制御に必要な基本回路の作り方
マイコンの出力ポートで100VをON/OFFする実験から始める
第1章 STEP1 小さな信号で効率良くパワー制御
1.1 マイコンの出力で100W電球を点灯/消灯する
1.2 効率良くなめらかに制御するには
1.3 希望の出力値をパルス幅に変換する技術PWM
1.4 PWM波から負荷を駆動する信号を再生する技術
損失なくスムーズにコントロールするために
第2章 STEP2 希望の出力値情報をパルス幅に乗せる
2.1 PWM回路の役割と動作
2.2 キャリア生成回路とコンパレータで構成される
2.3 キャリア発生回路とコンパレータに求められる性能
2.4 マイコンなどに内蔵されているディジタル方式PWM
2.5 何がキャリア周波数の上限を決めるのか？
コラム2.1 定番のPWM制御IC
コラム2.2 ほとんどのPWM制御ICは直流電源用
動作基準の異なるPWM回路とMOSFETをつなぐ
第3章 STEP3 PWM信号を受けて二つのパワー素子を駆動
3.1 スイッチング・デバイスの代表「パワーMOSFET」の性質と扱い
3.2 ブリッジ回路のハイ・サイドをしっかり駆動する
3.3 スイッチングの高速化
コラム3.1 違う電位を基準に動く素子を駆動するには
負荷が要求する大きな電圧や電流を供給
第4章 STEP4 PWM信号の電圧と電流を増幅
4.1 代表的な二つのスイッチング出力回路
4.2 デッド・タイムの必要性
4.3 フル・ブリッジの制御方式
4.4 ハーフ・ブリッジか？ それともフル・ブリッジか？
4.5 フル・ブリッジ回路の転流動作を細かく見てみる
コラム4.1 ブリッジ回路が出力するスイッチング・パルスを平均化するは
高効率な電力変換に欠かせないエネルギーの貯蔵庫
第5章 STEP5 パワー回路用コンデンサとコイルの実用知識
5.1 コンデンサのしくみとふるまい
5.2 コイルのしくみとふるまい
5.3 コイルとコンデンサはエネルギーの貯蔵庫
5.4 理想的なコイルとコンデンサは存在しない
5.5 コンデンサのカタログを見てみよう
5.6 コイルのカタログを見てみよう
5.7 パワー・エレクトロニクス用コンデンサのいろいろ
5.8 パワー・エレクトロニクス用コイルのいろいろ
5.9 コイルとコンデンサの選び方
入力48V，出力30VRMS/3ARMS，帯域2kHz
第6章 STEP6 ディジタルPWM方式パワー・コントローラの試作
6.1 試作するパワー・コントローラの回路 87
6.2 パワーMOSFETの選択 90
6.3 ゲート・ドライブ回路の設計 93
6.4 ボディ・ダイオードの応答遅れへの対応
6.5 LC出力フィルタの設計
6.6 試作回路の動作確認 101
6.7 実験から見えてくるトレードオフのいろいろ
6.8 ヒートシンクの熱抵抗の設計
6.9 実装時の注意点
6.10 出力電圧を100VRMSに上げる
6.11 壊さないために…過電流保護回路の追加
6.12 ディジタル方式PWMの高分解能化
6.13 スイッチング周波数の最適化
コラム6.1 ボディ・ダイオードの応答が速いパワーMOSFET
コラム6.2 スイッチング周波数の高周波化による利害と得失
蛍光灯インバータから太陽電池用電力インバータまで
第2部 パワー制御回路の設計事例
40kHzで点滅制御！ちらつきがなく高効率
第7章 オーソドックスな18W蛍光灯インバータ
7.1 従来の銅鉄安定器型蛍光灯の電気的特性
7.2 回路の設計
高調波対策OK！多数の蛍光灯を安価に敷設
第8章 18W×2本同時駆動！高力率蛍光灯インバータ
8.1 製作した蛍光灯インバータの特徴
8.2 インバータが引き込む電流のピーク値を低減するPFC
8.3 PFC部の設計
8.4 インバータ部の設計
8.5 試作品の特性
店舗用/水槽用など各種のHIDランプを安定駆動
第9章 150/100/70W放電管に対応！電力切り替え型電子バラスト
9.1 駆動回路から見たHIDランプの性質
9.2 HID用電子バラストの設計
9.3 回路の詳細な検討
太陽電池の出力特性の急変に対応！
第10章 入力33V，出力100V/100Wのサイン波ソーラ・インバータ
10.1 仕様
10.2 インバータ部の回路設計
10.3 製作したインバータの特性
コラム10.1 商用電源と連系動作するソーラ・インバータのしくみ
MOSFET選別回路から各種保護回路まで
第11章 実用パワー回路集
11.1 パワー素子破壊の被害が制御ICに及ばないドライブ回路
11.2 低出力インピーダンスの絶縁型ゲート・ドライブ回路
11.3 最大オン・デューティ90%のゲート・ドライブ回路
11.4 レベル・シフトと絶縁を両立したハイ・サイド・ゲート・ドライバ
11.5 ノイズに強く高速に動作する絶縁型ゲート・ドライブ回路
11.6 最大出力1.5kWのACモータ用IGBTドライブ回路
11.7 汎用部品で作れるデッド・タイム生成回路
11.8 ソフト・スタート制御信号生成回路
11.9 瞬断を検出するAC電源モニタ
11.10 温度センサICで作る過熱保護回路
11.11 サイリスタで作る突入電流制限回路
11.12 100V以上の高圧回路で使える過電圧保護回路
11.13 マルチ出力電源に対応した過電流検出回路
11.14 自励式スイッチング電源の低電源電圧動作防止回路
11.15 フェーズ・シフトPWM用フル・ブリッジ回路
11.16 PWMインバータの過電流検出保護回路
11.17 バイポーラ・スイッチング増幅回路
11.18 周波数500kHz，出力200WのD級出力回路
11.19 超音波発振器用スイッチング出力回路
11.20 ゲートしきい値電圧の簡易測定法
11.21 ドレイン電流を可変できるゲートしきい値電圧測定回路
11.22 超音波発振器用の周波数自動追尾方式VCO回路
11.23 直流電圧でしきい値を可変するレンジ切り替え回路
11.24 交流100Vを任意の位相でON/OFFする電力制御回路
11.25 12V電源で動作する35W放電ランプ用定電力電源回路
11.26 調光機能付き蛍光灯インバータ回路
11.27 0〜+140V可変電源回路
コラム11.1 逆起電力ノイズが出ないリレー
蛍光灯，冷陰極管，HIDランプ，低圧ナトリウムのミニ知識
APPENDIX 照明用放電管のいろいろ
A.1 グロー放電型とアーク放電型
A.2 蛍光灯
A.3 冷陰極管
A.4 HIDランプ
A.5 車載用HIDランプ
A.6 低圧ナトリウム灯
初出一覧・執筆担当者一覧
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