令和6年度第三種電気主任技術者下期試験　機械科目 問161 解説 問16(a) 問16

図2の動作波形において、時刻t1ではダイオード電圧 $v_{\text{D}}$ が電源電圧 $E$ に等しく負荷電流 $i_{\text{R}}$ が増加しているためスイッチSが導通する電流経路(A)となり、時刻t2では $v_{\text{D}}$ が0 Vで $i_{\text{R}}$ が減少しているためリアクトルのエネルギーによりダイオードDへ還流する電流経路(B)となることから、正解は(5)の時刻t1:電流経路(A), 時刻t2:電流経路(B)の組合せになります。

降圧チョッパ回路の動作原理と電磁誘導の法則

降圧チョッパは、直流電源の電圧をスイッチング処理によって低い直流電圧に変換する電力変換回路です。回路の動作は、パワー半導体デバイスS（スイッチ）のオン状態とオフ状態の2つの期間に分かれます。

スイッチSがオンになると、電源 $E$ からスイッチS、リアクトル $L$、負荷抵抗 $R$ を通る経路で電流が流れます。このとき、ダイオードDのカソード（陰極）側に電源の正極電圧 $E$ が印加されるため、ダイオードDには逆方向バイアスがかかり遮断状態となります。したがって、ダイオードの端子電圧 $v_{\text{D}}$ は電源電圧 $E$ と等しくなります。また、リアクトル $L$ に電流が流れる際、ファラデーの電磁誘導の法則およびレンツの法則に基づき、電流の変化（増加）を妨げる向きに逆起電力が発生します。これにより、リアクトル $L$ 内部には電磁エネルギーが蓄えられながら、負荷電流 $i_{\text{R}}$ は緩やかに増加していきます。

スイッチSがオフになると、電源 $E$ からの供給が遮断されます。しかし、リアクトル $L$ はレンツの法則に従って直前まで流れていた電流の大きさを維持しようとするため、蓄えていた電磁エネルギーを放出し、直前と同方向へ電流を押し出す起電力を発生させます。この起電力によってダイオードDが順方向に導通（フリーブリーディング動作）し、リアクトル $L$、負荷抵抗 $R$、ダイオードDで構成される閉回路に還流電流が流れます。ダイオードDが順導通している間、その端子電圧 $v_{\text{D}}$ はほぼ 0 V（理想的なダイオードの場合）となります。エネルギーを放出し続けることで、負荷電流 $i_{\text{R}}$ は緩やかに減少していきます。

時刻t1および時刻t2における回路状態と電流ループの決定

1. 時刻t1における電圧波形と電流経路 図2の波形において、時刻t1でのダイオード電圧 $v_{\text{D}}$ は $E$ [V] であり、負荷電流 $i_{\text{R}}$ は増加傾斜を示しています。ダイオードに電圧 $E$ が現れていることは、スイッチSがオンして電源 $E$ と繋がっていることを意味します。このとき電流は、電源 $E$ の正極からスイッチS、リアクトル $L$、負荷抵抗 $R$ を経て電源の負極へ戻る大きなループを形成します。これは図3に示された電流経路(A)と一致します。

2. 時刻t2における電圧波形と電流経路 図2の波形において、時刻t2でのダイオード電圧 $v_{\text{D}}$ は 0 [V] であり、負荷電流 $i_{\text{R}}$ は減少傾斜を示しています。ダイオード電圧が 0 [V] に低下しているのは、スイッチSがオフになり、ダイオードDが順方向に導通しているためです。このとき電源 $E$ からは電流が供給されず、リアクトル $L$ から放出されるエネルギーによって、リアクトル $L$、負荷抵抗 $R$、ダイオードDを通る右側の閉回路に還流電流が流れます。これは図4に示された電流経路(B)と一致します。

3. 電流経路(C)が誤りである理由 図5の電流経路(C)は、電源 $E$、スイッチS、ダイオードDを結ぶループを描いています。しかし、ダイオードDのカソードが上側（スイッチS側）、アノードが下側（電源の負極側）に配置されているため、電源 $E$ からダイオードDに向けて上から下へ電流を流そうとしても逆方向バイアスとなり、電流は流れません。仮にダイオードが導通すると電源を短絡することになり、降圧チョッパの正常な制御動作として成立しません。

図2の動作波形におけるダイオード電圧 $v_{\text{D}}$ のON/OFFの変化と、図3〜図5の閉回路を流れる矢印の向きを重ね合わせて見ると、パワー半導体デバイスSのスイッチングとリアクトルのエネルギー移動の関係がより明確に浮かび上がってきます。

参考リンク

• 電気☆錬金術師 - 降圧チョッパ回路の動作原理と波形理解
• Qiita - LTspiceで降圧チョッパ回路をシミュレーションして動作波形を観察してみた
• 立命館大学 パワーエレクトロニクス研究室 - 直流チョッパ回路の基礎理論