PWM制御の実現例（三角波比較方式）

 

　本記事では，PWM制御を実現する代表的な方法の一つである三角波比較方式について理解していこう．まず図1で，PWM制御の動作イメージをおさらいしておきたい．

 

 

図1.PWM制御の動作イメージ

 

 

PWM制御とは，スイッチ\(S_{1}\)のON/OFFタイミングを巧みにコントロールすることにより出力電圧\(v_{out}\left({t}\right)\)の波形を所望の形にする制御技術のことであった．具体的には，出力電圧\(v_{out}\left({t}\right)\)を高電圧にしたければスイッチ\(S_{1}\)の通流率（ONしている期間の時間的割合）を大きくすればよく，逆に\(v_{out}\left({t}\right)\)を低電圧にしたければ\(S_{1}\)の通流率を小さくすればよい．ここで，スイッチ\(S_{1}\)のON/OFF制御信号を具体的にはどのように生成できるのだろうか？この問題こそ本記事の主題であり，次の図2において"?"で示した部分に対応する機構を実現する問題に等しい．

 

 

図2.PWM制御におけるスイッチング制御信号生成から電圧出力まで

 

 

図2はPWM制御におけるスイッチング制御信号生成から電圧出力までの流れを示している．スイッチング制御信号（図2中央）から電圧出力（図2右側）までのステップ（同図中[II]）はまさに図1の回路動作に対応している．繰り返しになるが，本記事では所望の波形（同図左側）からスイッチング制御信号（同図中央）を生成するステップ（同図中[I]）の実現手法について考えていく．いくつかある実現手法のうち，ここではもっともシンプルかつ古典的である三角波比較方式と呼ばれる手法について説明していこう．図4をご覧いただきたい．

 

 

図3.三角波比較方式

 

 

三角波比較方式とは，所望の波形（以降"変調波"と呼ぶ） と三角波（以降"キャリア"と呼ぶ）の高低を比較することでスイッチング制御信号を生成するという手法である．図3を見るとスイッチング制御信号は，所望の波形の方が高ければON（低ければOFF）となるような信号であることがわかる．このように比較器とキャリアを用いることで変調波からスイッチング制御信号を生成することができるのである！実際に三角波比較方式で生成したスイッチング制御信号を図1のインバータ回路に適用した例を図4に示そう．

 

 

図4.三角波比較方式によるPWM制御

 

 

図4を見ると，三角波比較方式で生成したスイッチング制御信号を用いることで，インバータの出力電圧の波形が変調波の波形と等しくなることがうかがえる．三角波比較方式の動作原理から，変調波の電圧が上がればスイッチ\(S_{1}\)の通流率も上がり，逆に変調波の電圧が下がればスイッチ\(S_{1}\)の通流率も下がることがわかるので，変調波の増減と出力電圧の増減は連動しそうな予想はつくだろう．実際に変調波の増減と出力電圧の増減が同じ形（定数倍の違いだけ）であることについては【入門演習 パワーエレクトロニクス】の3.4を参照いただきたい．ここでのポイントは，「図4に示す構成をとることで比較器の＋端子に入力する変調波（小電力の電圧信号）と同じ波形（定数倍の違いはある）の出力電圧（大電力の電圧信号）を生成できる」という点である．

　ここで，図4において変調波は\(0[V]\)中心の正弦波なのに対し，出力波形は明らかにプラスの電圧を中心とした正弦波になっていること（出力波形と変調波のDCレベルが互いに異なっていること）に気付かれただろうか．これは，\(0[V]\)以上の電圧しか出力できないインバータ回路を用いているために起きたDCレベルシフトである．変調波と出力波形をDCレベルも含めて一致させたければ図5に示すようなインバータ回路を用いればよい．

 

 

図5.\(E [V]\)と\(-E [V]\)を出力するインバータ回路

 

 

図5のインバータ回路はマイナスの電圧も出力できるので，このインバータ回路を用いれば図6に示す通り出力電圧において変調波の波形をDCレベルも含めて再現できるようになるのだ．

 

図6.図5のインバータ回路を用いたPWM制御

 

 

図6では，比較器の出力をスイッチ\(S_{1}\)の制御信号とし，これを反転させた信号をスイッチ\(S_{2}\)の制御信号としている．ここまでは変調波が正弦波であるとして話を進めてきたが，もちろん正弦波以外の波形を変調波にすることもできる．図7をご覧いただこう．

 

図7.変調波が正弦波の場合（左側）とランプ波の場合（右側）

 

 

図7左側は変調波が正弦波である場合を示しており，一方同図右側は変調波がランプ波である場合を示している．ランプ波の上昇にしたがって，パルス幅が増大していることが読み取れるだろう．この信号をインバータのスイッチング制御信号に用いれば，インバータの出力電圧もランプ波となるのである．

　本記事を通して，PWM制御を用いることで好きな波形の出力電圧を生成することができ，そのシンプルな実現手法として三角波比較方式が挙げられることが理解できたことだろう．

 

 

この項の内容に関する，オリジナル演習問題を絡めた詳細な解説は，

【入門演習 パワーエレクトロニクス】の3.4にて展開されています．是非ご参照を!!

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