電験三種 令和4年度上期 機械 問10｜パワーエレクトロニクス

電験三種「機械」の「パワーエレクトロニクス」に関する問題（令和4年度上期 問10）。正答は(4)です。

【基本公式】降圧チョッパ：スイッチ（MOSFET/IGBT）+フリーホイールダイオード+インダクタ+コンデンサ。

正答(4)「C B A」：図の回路において(ア)=スイッチ素子、(イ)=フリーホイールダイオード、(ウ)=コンデンサ。

図中素子A=コンデンサ、B=ダイオード（フリーホイール）、C=スイッチ（IGBT/MOSFET）と対応。

(ア)=Cスイッチ、(イ)=Bダイオード、(ウ)=Aコンデンサ→(4)「C B A」が正答。

降圧チョッパの動作：スイッチオン→電源からLとCに充電→スイッチオフ→Lの電流がDを通して流れ続ける。

【パワーエレクトロニクス（降圧チョッパ）の解法と要点】（令和4年度上期 問10）

【降圧チョッパの構成要素】

①スイッチング素子（MOSFET or IGBT）：PWM制御でオン/オフ

②フリーホイールダイオード（還流ダイオード）：スイッチオフ時にインダクタ電流を継続させる

③インダクタL：電流リプルを平滑化

④コンデンサC：電圧リプルを平滑化

【回路動作の2モード】

スイッチオン（ton期間）：V_s→L→負荷→C の経路で電流増加。ダイオードは逆バイアスでOFF。

スイッチオフ（toff期間）：L→負荷→C→ダイオード の環流経路で電流継続（電流減少）。

【出力電圧】

Vout=V_s×(ton/(ton+toff))=V_s×D（D:デューティ比）

D<1→降圧（Vout<V_s）

→問題の図と素子A/B/Cの対応から(ア)=C(スイッチ)、(イ)=B(ダイオード)、(ウ)=A(コンデンサ)→(4)「C B A」

【パワーエレクトロニクス（降圧チョッパ）の深層解析と電験三種合格戦略】（令和4年度上期 問10）

【核心論点と正答根拠】

(ア)=スイッチ=C、(イ)=フリーホイールD=B、(ウ)=コンデンサ=A→選択肢(4)「C B A」正答。

【チョッパ回路の種類と用途比較】

降圧チョッパ（Buck）：Vout<Vin、スイッチ+ダイオード+L+C→PC電源・バッテリー充電器。

昇圧チョッパ（Boost）：Vout>Vin、接続変更→太陽光パワーコンディショナ入力段。

昇降圧チョッパ（Buck-Boost）：Vout>or<Vin（極性逆）→蓄電システム。

双方向チョッパ：上下IGBTで4象限→EV充放電・電力回生。

【電流連続・不連続モードの設計】

連続導通モード（CCM）：インダクタ電流が常に>0。リプル小・予測可能→通常設計。

不連続導通モード（DCM）：軽負荷でL電流がゼロになる→制御が複雑・効率低下有り。

臨界インダクタンス：L_crit=Vin×D×(1-D)²/(2fs×Iout_min)→これ以上でCCM保証。

【最新DC-DC変換技術】

LLC共振コンバータ：ソフトスイッチング（ZVS/ZCS）→スイッチング損失ほぼゼロ→高周波化・小型化。

GaNベースDC-DC：MHz級スイッチング→インダクタ・コンデンサをnH/μF台に→超小型電源モジュール。

電験二種：PWM制御回路の解析・リプル電流/電圧計算・フィードバック制御設計が出題。