昇降圧コンバータ

紹介と動作原理

昇降圧コンバータはDC/DCコンバータの一種で、入力電圧よりも高いまたは低い出力電圧を生成できるため、入力電圧レギュレーションと出力電圧要件が異なるパワーエレクトロニクスのさまざまなアプリケーションに適した汎用的な電力変換トポロジーです。

昇降圧コンバータは、出力電圧が入力電圧よりも低い「降圧」モードと、出力電圧が入力電圧よりも高い「昇圧」モードの2つの異なるモードで動作します。この2つのモード間の移行はスムーズで、さまざまな入力条件下で安定した出力電圧を維持することができます。

昇降圧コンバータは、スイッチ (通常はトランジスタ) とダイオードを使用して動作し、インダクタとコンデンサを流れる電流を制御します。スイッチON状態では、エネルギーはインダクタに蓄えられ、OFF状態ではダイオードを介して出力に伝達されます。スイッチのデューティサイクル、またはスイッチングサイクルの合計期間に対するオン時間の比率によって、コンバータの出力電圧が決まります。デューティサイクルを調整することで、出力電圧を希望のレベルに制御および維持することができます。

回路トポロジーと主要部品

コンバータの動作理論によると、DC電源Eから得られる磁気エネルギーは、時間の経過とともにインダクタ内に蓄積されます。このエネルギーはその間に負荷に伝達されます。ダイオードは特定の方法で配置されているため、負荷の電圧は図8に示す極性を持っている必要があります。負荷電圧のプラス端子はDC電源のマイナス端子に接続されており、このコンバータが負荷で電圧反転を実行できることを示しています。これは、使用できる場所を制限する可能性がある重要なコンバータの機能です。

図8 : 昇降圧コンバータ回路略図

スイッチをオンにすると (図9)、インダクタがDC電源Eに接続され、インダクタ電流が最小値から最大値まで直線的に増加します (図11)。この間、ダイオードは負荷UとDC電源Eの間の電圧の合計により逆バイアスがかかり、そのため導通しません。

図9 : 昇降圧コンバータ回路略図 – 間隔 t_ON

スイッチをオフにすると、ダイオードDを介してインダクタ電流が確立され (図10)、インダクタの磁気エネルギーが負荷に伝達されます。図11に示すように、負荷電圧Uの影響下では、インダクタ電流は最大値から最小値に減少します。

図10 : 昇降圧コンバータ回路図 – 間隔 t_OFF

定常状態では、インダクタの両端の電圧の平均値はゼロであり、これは以下で示されます。

$$S_+ = E \cdot t_{ON} = S_- = U \cdot t_{OFF} \Rightarrow U = E \cdot \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}$$

したがって、このコンバータは、ステップダウンまたはステップアップコンバータとして動作することができます (t_ON/t_OFF = 0…∞)。ただし、昇圧コンバータと同様に、電圧ブースタの機能は回路損失によって制限されることに注意してください。

図11 : 昇降圧コンバータ – インダクタ電圧と電流対時間のグラフ

昇降圧コンバータは、回路トポロジーにおいて、昇圧コンバータと降圧コンバータの両方にいくつかの類似点があります。以下は、昇降圧コンバータの主要部品の一部です。

スイッチ (S) : 通常、MOSFETのようなパワートランジスタはインダクタの電流を調整します。コンバータの動作モードと出力電圧は、スイッチのオンとオフの状態に依存します。

ダイオード (D) : スイッチがオフの位置だと、インダクタから出力への一方向にのみ電流を流すことができます。ダイオードのおかげで、出力コンデンサは入力ソースに放電できません。

インダクタ (L) : スイッチのオン状態の間はエネルギーを保存し、オフ状態の間は出力に放出します。インダクタは、出力電圧と電流波形を平滑化する上で重要です。

コンデンサ (C) : この部品は、エネルギーを蓄えたり解放したりすることで、出力電圧波形をフィルタリングして平滑化します。電圧リップルや過渡応答を低減することで、安定した出力電圧を維持します。

入出力フィルタ : これらはオプション部品で、通常はコンデンサまたはインダクタ / コンデンサ (LC) の組み合わせで、コンバータの入出力での電磁障害 (EMI) とノイズを低減すために使用されます。

昇降圧コンバータのトポロジーは、非反転、Ćuk、シングルエンド・プライマリ・インダクタ・コンバータ (SEPIC) 構成など、さまざまな方法で設定できます。これらの各セットアップには、入力 / 出力絶縁、電圧極性、および効率の点で独自のメリットがあります。

結論として、昇降圧コンバータは、スイッチ、ダイオード、インダクタ、コンデンサなどの重要な部品を使用して出力電圧を制御および維持します。昇圧と降圧コンバータトポロジーを組み合わせたものです。昇降圧コンバータのさまざまな構成は、特定のアプリケーションのニーズに合わせてカスタマイズされた特別なメリットを提供します。

連続導通モードと不連導通モード

昇降圧コンバータが動作できる独特な導通モードは、連続導通モード (CCM) と不連続導通モード (DCM) の2つです。これらのモードは、スイッチングサイクル中のインダクタ電流の動作に基づいています。

連続導通モード (CCM) : CCMのインダクタ電流はゼロに達することはなく、スイッチングサイクル中は常に正のままです。この動作モードは、低出力電圧リップルが必要な場合や高電力アプリケーションで頻繁に選択されます。DCMと比較して、CCMは優れた過渡応答、より滑らかな波形、およびより高い効率を備えています。しかし、一定の電流の流れを確保するために、CCMはより大きなインダクタ値を必要とするため、サイズとコストが増加する可能性があります。

不連続導通モード (DCM) : DCでは、スイッチングサイクル中にインダクタ電流がゼロになるため、出力へのエネルギー伝達が行われない期間があります。負荷電流が大幅に減少した場合、または低電力アプリケーションでは、DCMがよく見られます。この動作方法により、制御方式を合理化することで、より小さいインダクタの値とコンパクトな設計が可能になります。一方、DCMはより大きな出力電圧リップル、より大きなスイッチング損失、全体的な効率低下を引き起こします。

CCMとDCMのどちらを使用するかは、個別のアプリケーション要件、希望のパフォーマンス特性、および設計上の制限によって決まります。コンバータは時々両方のモードで動作し、負荷電流が変動するとそれらを切り替えます。システムの安定性と性能は、境界通電モード (BCM) または臨界通電モード (CRCM) として知られるもので維持されなければならず、より複雑な制御技術が求められます。.

設計での考慮事項と計算

最適な性能、効率、および信頼性を実現するために、昇降圧コンバータを設計する際には、いくつかの要因を考慮する必要があります。これらの要因には、部品の選択、制御戦略、およびパラメータの計算が含まれます。このセクションでは、昇降圧コンバータの設計上の主な考慮事項と計算の概要を説明します。

部品の選択 : コンバータの性能は、スイッチングデバイス、ダイオード、インダクタ、コンデンサなどの多くの部品の選択によって大きく影響されます。スイッチングデバイス (通常はMOSFET) は、予想される圧力に耐えるために適切な電圧と電流の定格が必要です。ダイオードは、損失を低減するために、順方向電圧降下が低く、逆回復時間が短い必要があります。インダクタは、必要に応じて連続または不連続導通モードを維持し、希望の出力電圧リップルを生成するように選択する必要があります。損失を低減するために、コンデンサは出力電圧を安定に保つのに十分な容量と低い等価直列抵抗 (ESR) を持つ必要があります。

制御戦略 : 過渡応答、安定維持、出力電圧レギュレーションの性能は制御方式に大きく依存します。出力電圧は通常、スイッチングデバイスのデューティサイクルを調整するために頻繁に使用されるパルス幅変調 (PWM) によって管理されます。負荷および入力電圧が変化する条件下では、デューティサイクルはフィードバックループによって調整されます。フィードバックループは一般的に基準電圧源とエラーアンプを使用します。

パラメータの計算 : 昇降圧コンバータが正しく動作するように、設計プロセス中にいくつかの重要なパラメータを計算する必要があります。これらには以下のものがあります。

デューティサイクル (D) : デューティサイクルは、オン時間と全スイッチング時間の比率を決定し、出力電圧を制御します。昇降圧コンバータの場合、デューティサイクルは次の式を使用して計算できます。
インダクタ (L) : インダクタの値は出力電圧リップルに影響を与え、導通モードを決定します。インダクタ値は、希望のリップル電流 (ΔIL)、スイッチング周波数 (fsw)、デューティサイクル (D) を使用して計算することができます。昇降圧コンバータでは、インダクタ値は次の式を使用して計算できます。

スイッチングデバイスがオン (t_ON) のとき、インダクタはエネルギーを蓄え、オフ (t_OFF) のときに放出します。スイッチングサイクル中のインダクタのピーク電流とバレー電流の差は、インダクタ電流リップル (IL) と呼ばれます。インダクタの値を小さくすると、電流リップルが大きくなり、コンバータの効率と出力電圧リップルに影響を与える可能性があります。入力電圧、デューティサイクルの必要な電流リップル、およびスイッチング周波数に応じて、設計者は最適なインダクタ値を選択して、アプリケーション推奨の導通モードを維持することができます。

コンデンサ値 (CinおよびCout) : 入力および出力コンデンサは、電圧の安定を維持し、高周波ノイズを除去するのに役立ちます。必要な入力および出力電圧リップル、スイッチング周波数、および負荷電流に基づいて、静電容量値を計算できます。結論として、昇降圧コンバータを設計する際には、部品の選択、制御方式、およびパラメータ計算に非常に注意を払う必要があります。設計者は、これらの基準を考慮することで、特定のアプリケーションに対して最高のパフォーマンス、有効性、および信頼性を得ることができます。

効率と損失

効率は、パワーコンバータの熱管理と全体的なエネルギー消費に大きな影響を与え、重要なパフォーマンスの測定基準になっています。このセクションでは、昇降圧コンバータの効率と損失に影響を与えるさまざまな要素について説明します。

伝導損失 : コンバータの部品、特にスイッチング機構、ダイオード、インダクタ、コンデンサの抵抗は伝導損失を引き起こします。スイッチングデバイスのオン状態抵抗 (RDS (ON)) とそれを通過する電流は、両方とも伝導損失に影響します。順方向電圧降下 (VF) とダイオードによって運ばれる電流は、デバイス内で損失を引き起こします。それぞれの等価直列抵抗 (ESR) と直流抵抗により、インダクタとコンデンサは損失を維持します。これらの抵抗を取り除くことで、伝導損失を最小限に抑え、効率を向上させます。

スイッチング損失 : スイッチング損失は、スイッチングデバイスがオン状態とオフ状態の間でスイッチングするときに発生します。これらの損失は、遷移中の電圧と電流のオーバーラップとデバイスの寄生容量におけるエネルギー貯蔵によってもたらされます。ゲート電荷 (Qg) の低いデバイスを使用し、ゲートドライブ回路を設計して遷移時間を短縮することで、スイッチング損失を低減することができます。さらに、低いスイッチング周波数で動作すると、スイッチング損失の低減に役立つ可能性がありますが、出力電圧の安定性とリップル性能を維持するには、より大きな受動素子が必要になる可能性があります。

磁気損失 : コア材料のヒステリシスと渦電流、巻線の近接性、および表皮効果はすべてインダクタの磁気損失の原因となります。コア損失の少ない適切なコア材料を使用し、巻線方法を改善し、場合によってはスイッチング周波数を低くすることで、高周波磁気損失を低減することができます。

制御および補助損失 : ゲートドライバ、エラーアンプ、および基準電圧源を含むコンバータの制御回路も、全体の電力損失を増加させます。これらの損失は他の損失と比較して無視できることが多いですが、コンバータの全体的な効率を決定する際には、考慮する必要があります。

アプリケーションと例

昇降圧コンバータは、特定の出力要件を満たすために入力電圧をステップアップまたはステップダウンできるため、幅広いアプリケーションで使用されている用途の広い電力変換デバイスです。この項では、昇降圧コンバータの一般的なアプリケーションと例について説明します。

スマートフォン、ラップトップ、医療機器のようなポータブル電子機器には、放電可能なバッテリーが使用されます。昇降圧コンバータは、バッテリー電圧が希望のレベルを下回った場合でも、安定した出力電圧を確保し、最適な性能を発揮します。
ソーラーパネルや熱電発電機などのエネルギーハーベスティングシステムは、環境条件によって出力電圧が変化します。昇降圧コンバータはこれらの電圧を調整し、下流の負荷またはバッテリー充電用に安定した出力を提供します。
車載エレクトロニクスは、システムごとに異なる電圧要件を持っており、これらは安定した電源を維持することで昇降圧コンバータが実現できます。これにより、車両の電気系統やバッテリー電圧の変動によって入力電圧が変化しても、信頼性の高い性能が保証されます。
産業機器や通信機器を適切に動作させるには、厳しい電圧調整を備えた安定した電源が必要です。昇降圧コンバータは、ラインの乱れや負荷の変化によって入力電圧が変動する場合でも、正確な出力電圧を維持することができます。
昇降圧コンバータは、LEDライティングシステムの電流と電圧を調整し、一貫した明るさを保証し、LED寿命を延長します。これらのコンバータは、バッテリー、AC-DCアダプタ、再生可能エネルギーシステムなど、さまざまな電源からの幅広い入力電圧に対応できます。

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