Hブリッジ昇降圧コンバータのシミュレーション

投稿者: 鈴木翔大 投稿日:

今回はHブリッジ昇降圧コンバータ回路について、簡単な解説とScideamを使ったシミュレーションを行います。

Hブリッジ回路は4つのスイッチを制御することで、電流の流れをコントロールし、回路を動的に変化させる回路となります。
主に双方向昇降圧コンバータ回路や、モータの駆動回路に使用されます。

本記事では双方向昇降圧コンバータ回路を例に、スイッチの切り替えによる回路の変化と、その時のシミュレーション結果を確認します。
本記事から、シミュレーション可能なサンプル回路モデルもダウンロード可能ですので、是非ご利用ください。

それでは始めましょう。

Hブリッジ回路とは

Hブリッジ回路について

Hブリッジ回路とは、4つのスイッチを制御することで、回路に流れる電流の向きをコントロールする回路です。
昇降圧コンバータや、モータの駆動回路に使用されます。
今回は非絶縁型双方向昇降圧コンバータ回路を例に説明をしていきます。

非絶縁型双方向昇降圧コンバータ回路について

昇降圧コンバータ回路は、入力電圧よりも高い出力電圧、低い出力電圧の両方を生成でき、また双方向性を持っているため、逆方向に対しても同様に電圧をコントロールすることができます。
また非絶縁であるため、変圧器は存在しません。
双方向昇降圧型コンバータの特徴は、前述したように出力電圧のコントロールできる点と双方向性による充放電の切り替えられる点となります。

双方向昇降圧型コンバータの基本回路は図1となります。

図1 基本構成

Hブリッジによる回路の変化

Hブリッジを構成しているスイッチの状態によって、昇降圧、またその向きを制御することができます。

VDC1からの昇圧回路

電源VDC1側からの昇圧は、SW1をON、SW2とSW3をOFFにした状態で、
SW4を制御することで可能となります。
上記の条件のとき、図1は図2のような昇圧回路と見なせます。

図 2 VDC1からの昇圧回路

VDC1からの降圧回路

電源VDC1側からの降圧は、SW3をON、SW2とSW4をOFFにした状態で、
SW1を制御することで可能となります。
上記の条件のとき、図1は図3のような降圧回路と見なせます

図 3 VDC1からの降圧回路

VDC2からの昇圧回路

電源VDC2側からの昇圧は、SW3をON、SW1とSW4をOFFにした状態で、
SW2を制御することで可能となります。
上記の条件のとき、図1は図4のような昇圧回路と見なせます。

図 4 VDC2からの昇圧回路

VDC2からの降圧回路

電源VDC2側からの降圧は、SW1をON、SW2とSW4をOFFにした状態で、
SW3を制御することで可能となります。
上記の条件のとき、図1は図5のような降圧回路と見なせます。

図 5 VDC2からの降圧回路

スイッチの状態と回路

上記より、スイッチの状態と回路は表1のようになります。

スイッチの状態VDC1からの昇圧回路VDC1からの降圧回路VDC2からの昇圧回路VDC2からの降圧回路
SW1ON制御OFFON
SW2OFFOFF制御OFF
SW3OFFONON制御
SW4制御OFFOFFOFF

シミュレーション

それではシミュレータを使用して、実際に動作を確認してみましょう。シミュレータはScideam(サイディーム)を使用し、サンプルモデルは本文最後からダウンロード可能です。

なお、動作確認をわかりやすくするため、サンプル回路では二次側(図1のVDC2側)を負荷として波形を確認します。双方向での動作を確認したい場合には、図1のように、負荷を電圧源に変更してお確かめください。

図 7 サンプル回路

サンプル回路ではスクリプトを使用して各スイッチを制御しています。
スクリプトでは次のようにスイッチを制御しています。

// スイッチの時比率の設定をします。
// 時比率は0~1の範囲で設定でき、メイン周期内で状態が切り替わるタイミングを表しています。

// tはシミュレーション経過時間です。
if(t <= 0.005)
{
// SW1をON、SW2,SW3をOFF、SW4を切り替えて昇圧回路とします。
SW1_T = 1;
SW2_T = 0;
SW3_T = 0;
SW4_T = 0.5;
}
else 
{
// SW3をON、SW2,SW4をOFF、SW1を切り替えて降圧回路とします。。
SW1_T = 0.5;
SW2_T = 0;
SW3_T = 1;
SW4_T = 0;
}

setparam("SW1","T0",SW1_T);
setparam("SW2","T0",SW2_T);
setparam("SW3","T0",SW3_T);
setparam("SW4","T0",SW4_T);

シミュレーション時間は”t”で取得することができます。

Scideamにはいくつかの固有のパラメータが設定されており、これらを使うことでより簡単に制御を設計することができます。
固有のパラメータにつきましては、「素子の固有パラメータ – Scideam HELP CENTER (smartenergy.co.jp)」で確認することができます。

またプログラム内の”setparam”はScideamのもつ関数で、素子にパラメータを設定することができます。

詳しい使い方はチュートリアル「Digital Palette編 – Scideam HELP CENTER (smartenergy.co.jp)」を参考にしてください。

今回は、シミュレーション時間が5[msec]までの間は昇圧回路として動作させ、以降は降圧回路として動作させています。
シミュレーションは10[msec]でWaveform解析を行うと、図8のような結果を得ることができます。
電源電源12[V]をスイッチの制御によって昇圧、降圧できていることが確認できます。

図 8 シミュレーション結果

まとめ

  • Hブリッジ回路は昇降圧コンバータやモータの制御に使われる回路である
  • 双方向昇降圧コンバータはスイッチを制御することで、任意の方向に昇圧、または降圧を行うことができる回路である

今回はHブリッジ回路を主軸に非絶縁型双方向昇降圧コンバータについてのサンプル回路を紹介しました。
スイッチの制御プログラム等を確認・変更して頂き、波形の変化を確認することで、より回路の動作が深まりますので是非お試しください。

シミュレーションモデルについて

本モデルは、電源パワエレ向け高速回路シミュレータScideam(サイディーム)で動作可能です。
本記事のモデルは以下からダウンロードしてください。

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鈴木翔大

鈴木翔大

モデルベースによる上流設計や回路モデリング、ソフトウエア開発を担当。 スイッチング電源のあれこれを勉強中。 Scideamの魅力をより伝えられるようなコンテンツの作成に努めています。