チョッパー回路の選び方：種類と用途の総合ガイド

チョッパーの種類について、ほとんどのパワーエレクトロニクス用途ではスイッチング素子が完全オフまたは完全オンの状態で動作します。そのため損失が低く、回路は高効率です。しかし、負荷に供給される電流が不連続になる場合があり、高いスイッチング周波数や平滑化が必要になります。その場合、チョッパーを使って回路システムを安定化します。

本記事では、チョッパーを通電プロセスなどいくつかの特徴に基づいて分類し、解説します。

1. チョッパー回路とは？

チョッパー（またはACトランスのDC相当品）は半導体電気デバイスです。固定DC入力電圧（V_s）を可変DC電力または出力電圧（V_o）に変換する機能を持ちます。DC出力値は電源電圧より低くても高くても構いません。

2. チョッパーの動作原理

一般的に、チョッパー回路は負荷、抵抗、半導体ダイオードを持ち、以下の図のようになります。

チョッパーの回路図

高速で電源と負荷を接続し、その後負荷を電源から切り離します。図から動作原理は以下のようにまとめられます：

• スイッチSWがチョッパーであり、高速でオン/オフできます。これにより負荷を電源V_sから接続/切断できます。回路の周期的な開閉が最終的に出力電圧を制御します。
• オン時は電源電圧が負荷電圧と等しくなります。逆にオフ時は負荷電圧がゼロになります。

3. チョッパーの種類

チョッパーを特徴に基づいて分類しました：

動作原理による分類

動作原理はチョッパーを分類する最良の方法です。二つのタイプがあります：

ACリンクチョッパー

ここで電圧反転が起こり、インバーターがDC電圧をAC電圧に変換します。次に、ACを昇圧または降圧トランスに通します。最後に、整流器がトランスの出力をDCに変換します。

DCチョッパー

DCチョッパーはDC電圧に対する昇圧・降圧トランスとして働きます。したがって、タイプに応じて一定のDC電圧をより低い値または高い値に変更できます。

通電プロセスによる分類

自然通電チョッパー

自然通電チョッパーはAC回路で動作し、電源電圧がAC源から供給されます。そのため、SCRやサイリスタに負の電圧がかかるとターンオフします。

強制通電チョッパー

強制通電チョッパーはDC回路で動作します。SCR電流を保持電流値以下に下げるか、SCRコンポーネントを逆バイアスすることで通電を達成します。例：モルガンチョッパー、ジョーンズチョッパー。

スイッチング時の電力損失による分類

ハードスイッチングチョッパー

ハードスイッチドチョッパー回路は、その動作能力を使用します。

ソフトスイッチングチョッパー

ソフトスイッチングチョッパーはLC共振回路を使用し、ゼロ電圧またはゼロ電流でデバイスをオン/オフします。

出力電圧値による分類

ここでのチョッパー回路分類は出力電圧に基づきます。

昇圧（ブースト）チョッパー

ソース電圧が平均DC出力電圧（V_o ˃ V_s）より低いタイプです。電力は負荷から電源へ流れます。負荷電流は起電力源を持ち、誘導性です。

降圧チョッパー

ソース電圧が平均DC出力電圧（V_s ˃ V_o）より高いタイプです。電力は電源から負荷へ流れます。

象限動作による分類

チョッパー回路は半導体スタティックデバイスであるため、電流流れ方向を制限します。しかし、チョッパーの動作を四象限で修正すれば、五種類のチョッパーが得られます。

四つのチョッパー象限

クラスAチョッパー / タイプAチョッパー

クラスAチョッパーは第一象限のみで動作します。したがって、負荷電圧（V_O）と負荷電流（i_O）は常に正です。電力伝達は電源から負荷へで、例として降圧チョッパーがあります。

クラスBチョッパー / タイプBチョッパー

第二象限で動作します。負荷電流は負、チョッパー出力電圧は正です。負の負荷電流（i_o）による電力伝達は負荷から電源へです。昇圧チョッパー回路が例です。

クラスCチョッパー / 二象限クラスAチョッパー / タイプCチョッパー

クラスBとクラスAチョッパーを並列接続するとクラスCチョッパーとなり、第一または第二象限で動作します。第一象限では降圧チョッパー、第二象限では昇圧チョッパーとして働きます。

クラスDチョッパー / 二象限クラスBチョッパー / タイプDチョッパー

第四および第一象限で動作し、負荷から電源、または電源から負荷へ電力伝達できます。クラスDチョッパーでは平均DC出力電圧を反転できますが、負荷電流方向は反転しません。

クラスEチョッパー / タイプEチョッパー

最後に、全象限で動作するユニバーサルチョッパーであるクラスEチョッパーです。四つのダイオードと四つのチョッパー/四つの半導体スイッチが必要です。誘導負荷が必要で、第四および第三象限では負荷起電力の逆極性が必要です。

チョッパーの用途

チョッパー回路は以下の用途で使用できます：

• バッテリー充電
• DC電圧昇圧
• スイッチトキャパシタフィルター
• 照明およびランプ制御
• アクチュエータ内のブラシレストルク/ステッピングモーター駆動

ステッピングモーター

• 可変周波数ドライブ
• 信号処理システム
• 飛行機および宇宙船
• DCモーターの速度制御
• 鉄道牽引システム
• 太陽エネルギー変換
• バッテリー駆動の電気自動車
• スイッチングモード電源システム（DC-DCコンバーターなど）
• 最後に、クラスD電子アンプ

結論

まとめると、いくつかの技術産業が高速輸送システムにチョッパーを採用しています。チョッパー回路は高効率、迅速な応答、回生能力、滑らかな制御を備えます。また、チョッパーにはIGBTや強制通電サイリスタなどのパワー半導体デバイスを使用することもあります。

今日はここまでです。チョッパーについて理解が深まったことを願います。ご質問やお問い合わせがあれば、ぜひご連絡ください。一緒に解決しましょう。