紹介と動作原理

ステップアップ (昇圧) とステップダウン (降圧) コンバータの利点を組み合わせた柔軟なDC/DCコンバータアーキテクチャは、「Ćukコンバータ」と呼ばれています。このトポロジーを開発し、1970年代後半に最初に提案した英国のSlobodan博士の名前を持っています。Ćukコンバータには、多様な入力電圧、連続入力および出力電流を処理する能力、電磁障害 (EMI) の低減など、従来のコンバータに比べて多くの利点があります。これらの特性により、特に効果的なエネルギー管理と最小限の電磁干渉 (EMI) が不可欠なシステムにおいて、さまざまな電力変換アプリケーションに適したオプションとなっています。

インダクタコンデンサ (LC) ネットワークは、UKコンバータの動作原理で2つの状態を切り替えるときにエネルギー伝達を維持するために使用されます。スイッチが閉じているON状態と、スイッチが開いているOFF状態は、コンバータの2つの動作モードです。ON状態では、入力インダクタはエネルギーを蓄え、出力コンデンサが負荷に電力を供給します。一方、入力インダクタは蓄積されたエネルギーをOFF状態の出力コンデンサに送り、負荷に電力を供給し続けます。入力および出力電流は、入力インダクタと出力コンデンサ間のこのエネルギー伝達によって連続的に平滑化され、コンバータの全体的なリップルとEMIエミッションが低減されます。

回路トポロジーと主要部品

前述のコンバータ構成には、コンバータの入力電流、コンバータの出力電流、またはその両方が不連続であるという共通の欠点があります。降圧コンバータと昇圧コンバータの両方の機能を維持しながら入出力電流を連続させる方法の1つは、図12に示すように、これら2つのコンバータを直列に接続することです。この新しいコンバータの伝達関数は、直列接続コンバータの伝達関数の積に等しくなります。

$$U = E \cdot \frac{T}{t_{OFF}} \cdot \frac{t_{ON}}{T} = E \cdot \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}$$

この構成では、同期スイッチ制御が採用されています。これは、t_ON期間中は両方のスイッチがオンになり、t_OFF期間中は両方のスイッチがオフになるということを意味します。

図12 : 昇降圧コンバータの直列接続

以前のコンバータ構成の主な欠点は、4つのスイッチング素子 (S₁、S₂、D₁、およびD₂) を使用していることです。これにより、損失が増加し、効率が低下します。さらに、コンデンサC1には電流の大きな交流成分があります。Slobodan Ćuk博士は、特性は同じですがスイッチング素子の数が少ないコンバータ構成 (図13) を提案しました。これはĆukコンバータとして知られています。コンバータ動作の分析のために、コンデンサC₁とC₂の容量は、それらを横切る電圧の交流成分を無視するのに十分な大きさであると仮定できます。

図13 : ĆuKコンバータ回路略図

このコンバータでは、t_ONの間隔 (図14) の間、スイッチSがオンになり、インダクタL₁がDC電源Eに接続され、ダイオードDがコンデンサC₁の両端の電圧で逆バイアスされます。定常状態では、インダクタの平均電圧はゼロであるため、コンデンサC₁の平均電圧は以下になります。 $$U_{C1} = U + E$$

電圧Eの影響下では、インダクタL₁を通る電流は最小値から最大値まで直線的に増加します。同時に、インダクタL₂は負荷電圧と、コンデンサC₁を横断する電圧の差に等しい電圧に接続されているため、その電流も最小値から最大値まで直線的に増加します。

図14 : 昇降圧コンバータ回路略図 – 間隔 t_ON

t_OFFの間隔 (図15) の間、スイッチSがオフになると、インダクタL₂を通る電流がダイオードDを通って閉じられ、インダクタL₂を負荷電圧に接続するため、その電流は最大値から最小値まで直線的に減少します。同時に、インダクタL₁は、コンデンサC₁とDC電源 E間の電圧差に等しい電圧に接続され、電流が最大値から最小値に減少します。

図15 : 昇降圧コンバータ回路図 – 間隔 t_OFF

定常状態では、インダクタの平均電圧がゼロであるため、コンデンサC₁の平均電圧は次のようになります。

$$U_{C1}=U+E$$

期間T中のインダクタ電流の変化は、インダクタを横切る電圧の面積に比例します。

$$u_L = L \frac{di_L}{dt} \Rightarrow \Delta I_L = \frac{1}{L} \int_0^T u_L dt$$

定常状態では、インダクタの両端の電圧の平均値がゼロであるため、インダクタ電流の総変化はゼロです。

$$\Delta I_L |_{t_{ON}} = \frac{E}{L_1} \cdot T \cdot d = \Delta I_L |_{t_{OFF}} = \frac{U_{C1} - E}{L_1} \cdot T \cdot (1 - d)$$

前の式は次のようになります。

$$U = \frac{d}{1 - d} \cdot E = E \cdot \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}$$

これが昇降圧コンバータの伝達関数です。

Ćukコンバータは、連続入出力電流やEMIの低減などの利点を実現するために、独自のトポロジー用にアレンジされたいくつかの主要部品で構成されています。Ćukコンバータの主要部品は次のとおりです。

• 入力ソース : コンバータの入力電力を供給するDC電圧源。
• 入力インダクタ (L1) : このインダクタは、オン状態の間にエネルギーを蓄え、オフ状態の間に出力に伝達します。
• 出力インダクタ (L2) : このインダクタは出力電流を平滑化し、リップルを最小限に抑え、コンバータの連続出力電流特性に貢献します。
• コンデンサ (C1) : このコンデンサは、スイッチングプロセス中の入力インダクタと出力インダクタ間のエネルギー伝達を容易にします。
• 出力コンデンサ (C2) : このコンデンサは、出力電圧をフィルタリングして平滑化し、負荷に安定したDC出力を提供します。
• スイッチ (S) : 通常、MOSFETまたはIGBTでは、スイッチはオンとオフの状態を交互に切り替えることで、入力と出力のインダクタ間のエネルギー伝達を制御します。
• ダイオード (D) : このダイオードは、スイッチングプロセス中に電流が正しい方向に流れることを保証し、スイッチがオフ状態のときの逆電流の流れを防ぎます。

Ćukコンバータのユニークなトポロジーは、入力インダクタ (L1) 、カップリングコンデンサ (C1)、出力インダクタ (L2) によって形成されたLCネットワークを備えています。入出力インダクタは直列に接続され、カップリングコンデンサはそれらの間に接続されます。スイッチが閉じていると (ON状態)、入力インダクタはエネルギーを蓄え、出力コンデンサは負荷に電力を供給します。スイッチが開放されると (OFF状態)、入力インダクタは蓄積されたエネルギーを結合コンデンサを介して出力コンデンサに伝達し、出力インダクタは出力電流を平滑化します。

連続導通モードと不連導通モード

Ćukコンバータは、連続導通モード (CCM) と不連続導通モード (DCM) の2つの異なる導通モードで動作することができます。動作モードは、コンバータの負荷、スイッチング周波数、および回路内のインダクタとコンデンサの値によって異なります。

連続導通モード (CCM) : スイッチングサイクル中は、入力および出力インダクタを流れる電流がゼロに達することはありません。この動作モードにより、動的応答が向上し、EMIが低減され、電流リップルが低減されます。一定の電流を維持するには、インダクタとコンデンサを大きくする必要があります。負荷が十分に高い場合、またはスイッチング周波数が十分に低い場合には、コンバータはCCMで動作します。

不連続導通モード (DCM) : スイッチングサイクルの一部では、入力および出力インダクタを流れる電流はゼロになります。CCMと比較して、この動作モードはより大きな電流リップル、より多くのEMI、およびより遅い動的応答を備えています。それにもかかわらず、より小さなインダクタとコンデンサを使用することができ、その結果、よりポータブルな携帯コンバータ設計になるかもしれません。負荷が最小の場合、またはスイッチング周波数が十分に高い場合、コンバータはDCMで動作します。

設計に関する考慮事項と計算

Ćukコンバータの設計には、特定のアプリケーションに最適な性能と効率を確保するためのいくつかの重要な考慮事項と計算が必要です。これらの考慮事項には、適切な部品の選択、デューティサイクルの計算、安定性の確保が含まれます。

部品の選択 : コンバータの性能は、インダクタ、コンデンサ、およびスイッチの選択によって大きく影響されます。設計者は、目的の出力電圧、電流、入力電圧範囲、およびスイッチング周波数に基づいて、これらの部品を慎重に選択する必要があります。コンデンサには低いESRとすぐれたリップル電流能力が求められますが、インダクタには少ないコア損失と低い直列抵抗が求められます。スイッチはオン抵抗が低く、スイッチング時間が短い必要があります (通常はMOSFET)。

デューティサイクルの計算 : デューティサイクル、Dは、スイッチのオン時間と全スイッチング時間の比率です。デューティサイクルは、Ćukコンバータの入力電圧と出力電圧の関係を決定します。次の式は、入力電圧 (V_in)、出力電圧 (V_out)、デューティサイクルの関係を表しています。

$$V_{out} = -\frac{V_{in} \cdot D}{1 - D}$$

設計者は、この式を使用して、所定の入力および出力電圧に必要なデューティサイクルを計算できます。

安定性 : Ćukコンバータには複数のエネルギー貯蔵部品があるため、複雑な動態を示す可能性があり、その結果、コンバータの安定性を確保する必要があります。そのすべての動作範囲で、コンバータの制御ループは安定性を維持する必要があります。コンバータの安定性を評価し、それを考慮した制御ループを作成するために、設計者はルートの軌跡解析やボード線図などの方法を利用できます。

効率 : 設計者は、高い効率を得るために、伝導とスイッチングでの損失を低減する必要があります。これを実現するには、低損失の部品を使用し、スイッチング周波数を最適化する必要があります。スイッチング周波数を上げるとスイッチング損失が大きくなる可能性があるため、バランスをとる必要があります。

熱管理 : 設計者は、Ćukコンバータの熱性能を考慮する必要があります。過剰な熱は部品の故障や効率の低下につながる可能性があるからです。適切な放熱、部品の選択、およびレイアウトは、熱の問題を管理するのに役立ちます。

効率と損失

効率は、消費電力、熱性能、および部品の信頼性に直接影響するため、パワーコンバータの設計において重要な側面です。Ćukコンバータでは、最適な性能を得るために、様々な要因が効率と損失に寄与しています。

伝導損失 : 伝導損失は、Ćukコンバータのインダクタ、コンデンサ、スイッチングデバイスに電流が流れるときに発生します。これらの部品の抵抗により熱が発生し、電力損失として放散されます。伝導損失を最小限に抑えるために、設計者は低ESRコンデンサや低抵抗インダクタなどの低抵抗部品を選択する必要があります。

スイッチング損失 : スイッチング損失は、コンバータのスイッチがオンとオフの間で遷移するときに発生します。この遷移期間中、スイッチ全体の電流と電圧の両方がゼロ以外になり、消費電力が発生します。スイッチング損失は、高速スイッチングデバイス (MOSFETなど) を選択し、スイッチング周波数を最適化することで低減できます。ただし、スイッチング周波数を上げるとスイッチング損失も増加するため、バランスをとる必要があります。

コア損失 : インダクタの磁気コア損失は、コンバータの動作中に発生する交流磁場によって生じます。これらの損失は、低コア損失材料のインダクタコアを選択し、スイッチング周波数を最適化して磁場の変化率を低減することで最小限に抑えることができます。

コンデンサ損失 : Ćukコンバータのコンデンサは、等価直列抵抗 (ESR) と誘電体損失により損失が発生します。ESRが低く誘電損失が少ないコンデンサを選択することで、これらの損失を低減することができます。

制御および補助損失 : Ćukコンバータの動作を調整する制御回路および補助部品から、追加の損失が発生する可能性があります。制御回路の設計を最適化し、効率的な補助部品を選択することで、これらの損失を最小限に抑えることができます。

これらの様々な損失源を理解し対処することで、設計者はĆukコンバータの全体的な効率を向上させることができます。高効率により、消費電力が削減され、熱問題の管理に役立ち、コンバータの信頼性と寿命が延びます。

アプリケーションと例

Ćukコンバータは、正確なレギュレーション、高効率、低出力リップルが必須であるさまざまな分野のアプリケーションで使用されます。これらのアプリケーションと例の一部を次に説明します。

電源 : Ćukコンバータは、低出力リップル、低電磁干渉 (EMI)、高効率であるため、繊細な電子機器の電源によく使用されます。ラップトップ、医療機器、計装システムなどのデバイスで見ることができます。

再生可能エネルギーシステム : 太陽光発電 (PV) システムや風力エネルギーシステムでは、Ćukコンバータは、再生可能エネルギー源からの電力抽出を最適化するための最大電力点追従 (MPPT) コンバータとして機能することができます。また、蓄電システムのバッテリー充電回路にも使用でき、効率的で安定した充電性能を確保します。

LEDライティング : ĆukコンバータはLEDライティングアプリケーションに適しており、高効率と低出力リップルを維持しながらLEDに定電流を供給します。これにより、安定した明るさと長寿命のLEDが保証されます。これは、商業用および産業用ライティングの導入で特に重要です。

カーエレクトロニクス : 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、Ćukコンバータはカーエレクトロニクスシステムでインフォテインメント、パワーウィンドウ、クライメートコントロールなどのさまざまなサブシステムの電圧を調整する作業で使用されています。高効率と低EMI特性により、これらのノイズに敏感な環境に最適です。

電気通信 : 通信システムで、Ćukコンバータは、さまざまな入力電圧でリモート機器に電力を供給することができ、安定した動作と一貫した性能を保証します。さらに、低出力リップルにより、敏感な通信信号との干渉を最小限に抑えることができます。

ロボット工学および産業用制御 : Ćukコンバータは、ロボット工学や産業用制御システムで利用でき、アクチュエータ、センサ、およびその他の部品に安定した電力を供給できます。高効率と低EMI特性は、システム全体の信頼性と性能に貢献します。

これらの例は、Ćukコンバータのさまざまなアプリケーションへの適応性を示しています。高効率、最小限の出力リップル、最小限のEMIなど、さまざまな特性が混在しているため、さまざまな電力変換設定で賢い選択になります。エンジニアは、Ćukコンバータを効率的に使用して、動作原理と設計要素を理解することで、多様なアプリケーションで固有の要件を満たすことができます。