SEPICコンバータ

紹介と動作原理

柔軟で効果的なDC/DCコンバータトポロジーであるシングルエンドプライマリインダクタコンバータ (SEPIC) は、入力電圧をステップアップおよびステップダウンできるため、異なる入力電圧を必要とするアプリケーションに最適なオプションになります。SEPICコンバータは、非反転出力電圧を供給し、入出力リップルを最小限に抑えられるなど、バッテリー駆動や再生可能エネルギーシステム、カーエレクトロニクスなど、さまざまな用途に最適です。

SEPICコンバータの基本的な動作理論は、2つのインダクタとコンデンサの間のエネルギー伝達に依存します。2つのインダクタ (L1とL2) とコンデンサ (C1) が接続され、SEPICコンバータの中間エネルギー貯蔵段を提供します。この構成では、結合されたインダクタとコンデンサにより、コンバータは入力から出力にエネルギーを転送できます。一方、出力電圧はスイッチング部品 (多くの場合MOSFET) と出力コンデンサによって制御されます。

スイッチオン状態の間、エネルギーは両方のインダクタに蓄積され、コンデンサは充電されます。スイッチがオフの位置にあるとき、インダクタの蓄積エネルギーは出力コンデンサと負荷に伝達されます。出力電圧は、この継続的なエネルギー伝達プロセスの結果として調整され、スイッチのデューティサイクルに応じて、入力電圧よりも高いか低いかのいずれかになります。

SEPICコンバータは、非反転出力電圧を維持しながら入力電圧をステップアップおよびステップダウンできるため、既存のDC/DCコンバータトポロジーのスペクトラムに役に立つ追加機能です。

回路トポロジーと主要部品

図16に示すように、チュークコンバータ内のダイオードDとインダクタL2の位置を入れ替えることで、コンバータのSEPIC (シングルエンドプライマリインダクタンスコンバータ) トポロジーが得られます。これにより、電源の負極と負荷電圧の負極がコンバータの共通点に接続されます。

図16 : SEPICコンバータの回路略図

定常状態では、インダクタの平均電圧はゼロであるため、コンデンサの平均電圧はDC電圧源に等しくなります。コンデンサの静電量は、その両端の電圧のAC成分を無視するのに十分な大きさと考えることができます。図17は、t_ON期間中のSEPICコンバータの等価回路を示しています。この期間の間のインダクタL1およびL2は次のとおりです。

$$V_{L1} = -E$$ $$V_{L2} = -V_C = -E$$

そのため、電流は直線的に増加し、負荷にはコンデンサC_fからエネルギーを供給されます。

図17 : SEPICコンバータ回路略図 – 間隔 t_ON

図18に、t_OFF期間におけるSEPICコンバータの等価回路を示します。この間、インダクタL₁およびL₂は次のとおりです。

$$V_{L2} = U$$ $$V_{L1} = U + V_C - E = U$$

そのため、電流は直線的に減少し、それらの合計はダイオードを通って負荷に向かって流れます。ここで、エネルギーの一部が負荷によって消費され、別の分はコンデンサC_fに保存されます。

図18 : SEPICコンバータ回路略図 – 間隔 t_OFF

定常状態では、インダクタの平均電圧値はゼロになり、図19から次のようになります。

$$E \cdot T \cdot d = U \cdot T \cdot (1 - d)$$ $$U = E \cdot \frac{d}{1 - d}$$

つまり、このコンバータは昇降圧コンバータとして動作します。

図19: SEPICコンバータ – L₁およびL₂間の電圧

SEPICコンバータのユニークなトポロジーは、インダクタ、コンデンサ、スイッチング素子、ダイオードの特定の配置によって特徴付けられます。SEPICコンバータの主要部品は次のとおりです。

入力および出力コンデンサ (CおよびCout) : これらのコンデンサは、入力および出力電圧をフィルタリングし、電圧リップルを最小限に抑え、安定した動作を保証します。
カップリングコンデンサ (C1) : このコンデンサは、L1とL2の2つのインダクタを接続し、スイッチングプロセス中のインダクタ間のエネルギー伝達に重要な役割を果たします。
インダクタ (L1およびL2) : このインダクタは、スイッチのオン状態の間にエネルギーを蓄え、オフ状態の間にそれを出力に放出します。これらは、連続的なエネルギー伝達を維持し、出力電圧を調整する上で重要です。
スイッチング素子 (S) : 通常、MOSFETである、この部品は出力電圧を決定する特定のデューティサイクルでオン / オフを切り替えることによってエネルギー伝達プロセスを制御します。
ダイオード (D) : この部品は、スイッチのオフ状態中に電流が流れる経路を提供し、インダクタから出力コンデンサおよび負荷へのエネルギー伝達を確実にします。
コントローラ (トポロジーには表示なし) : パルス幅変調 (PWM) コントローラまたは同様の制御回路を使用して、スイッチング素子のデューティサイクルを調整し、入力電圧や負荷条件の変動に関係なく安定した出力電圧を維持します。

カップリングコンデンサC1の重要な違いにより、SEPICコンバータのトポロジーは、降圧コンバータと昇圧コンバータを組み合わせたものと見ることができます。このコンデンサは、出力電圧を反転することなく、ステップアップとステップダウンの両方の機能を実行できるようにする特別なエネルギー伝達経路を作成します。コンバータの最高の性能と効率を保証するこれらの重要な部品の注意深い設計と選択は、その動作に不可欠です。

連続導通モードと不連導通モード

SEPICコンバータでは、インダクタ電流の流れがコンバータの導通モードを決定する第一因子です。動作には、連続導通モード (CCM) と不連続導通モード (DCM) の2つの主要なモードがあります。コンバータの動作モードは、性能、効率、および設計上の考慮事項に大きく影響します。

連続導通モード (CCM) : CCMのスイッチングサイクル中、インダクタL1とL2を流れる電流は止まらず、ゼロに達することはありません。このモードは、負荷に対する需要が高く、コンバータがより大きなデューティサイクルを使用する場合に実行されます。出力電圧リップルが小さく、部品の電流ストレスが減少し、過渡応答が改善されるため、CCMが一般的に好まれます。CCMの主な欠点は制御回路の複雑さであり、適切な出力電圧を維持するためには制御回路をより正確に制御する必要があります。また、CCMで動作する場合、スイッチング損失がより顕著になるため、軽負荷の下ではコンバータの効率が低くなる傾向があります。

不連続導通モード (DCM) : DCMでは、スイッチングサイクルの一部でインダクタ電流がゼロになるため、エネルギーが断続的に出力に伝達されます。このモードは、負荷需要が最小限で、コンバータがより低いデューティサイクルで動作している場合によく起こります。DCMには、制御回路の複雑さが少なく、スイッチング損失が少ないため軽負荷時の効率が向上するなどの利点があります。しかし、DCMはCCMと比較して過渡応答性が低く、出力電圧リップルが高く、部品の電流ストレスが増加します。

結論として、負荷状況、効率目標、設計制限などの個々のアプリケーション要件によって、CCMとDCMのどちらを使用するかが決まります。負荷条件に応じて、SEPICコンバータは、CCMとDCMの両方の利点を組み合わせた準連続導通モード (QCCM) で動作するように構築されることがあります。SEPICコンバータを構築しながら最高の性能と効率を得るためには、さまざまな導通モード間のトレードオフを理解することが不可欠です。

設計に関する考慮事項と計算

SEPICコンバータを設計するには、入力電圧、出力電圧、負荷電流、スイッチング周波数、部品選択など、さまざまな要因を注意深く考慮する必要があります。以下の設計ステップは、SEPICコンバータの設計プロセスの概要を示しています。

アプリケーション要件に基づいて、必要な出力電圧 (V_out) と負荷電流 (I_out) を決定します。
コンバータが動作する適切な入力電圧範囲 (V_in) を選択します。
コンバータに必要なスイッチング周波数 (f_sw) を選択します。周波数が高いほど、インダクタとコンデンサのサイズが小さくなり、コンバータ全体のサイズが小さくなります。ただし、周波数が高いとスイッチング損失も増加し、効率が低下する可能性があります。スイッチング周波数の選択は、サイズと効率のトレードオフに依存します。
次の式を使用して、目的の出力電圧を達成するために必要なデューティサイクル (D) を計算します。
結合されたインダクタL1とL2に適したインダクタンス値を選択します。選択は、目的のリップル電流、インダクタの飽和電流、およびコンバータの効率要件に基づいて行う必要があります。一般的なガイドラインは、ピークツーピークのリップル電流が負荷電流の20～40%になるようにインダクタ値を選択することです。
入力コンデンサ (C_in)、出力コンデンサ (C_out)、および結合コンデンサ (C_c) の容量値を計算します。静電容量値の選択は、必要な入力および出力電圧リップルとコンバータの過渡応答要件によって異なります。
MOSFETやIGBTなど、適切な電圧および電流定格を持つ適切なスイッチング素子を選択します。選択したデバイスが、動作中に発生する最大電流および電圧ストレスに対応できることを確認します。効率を向上させるためには、スイッチング素子の導通とスイッチング損失も低くなければなりません。
出力電圧を安定化する制御回路を設計します。電圧モード制御、電流モード制御、平均電流モード制御など、さまざまな制御技術を使用できます。制御技術の選択は、要求される性能、複雑さ、および安定性の要件に依存します。
シミュレーションとプロトタイピングを通じてコンバータの性能を評価します。コンバータが出力電圧レギュレーション、効率、過渡応答などの必要な仕様を満たしていることを確認します。結果に基づいて設計に必要な調整を行います。

効率と損失

効率は、システムの機能、熱管理、およびコストに直接影響するため、電力コンバータの設計において重要な役割を果たします。SEPICコンバータの効率は、コンバータのトポロジー、動作環境、使用する部品など、さまざまな要素によって決まります。このセクションでは、SEPICコンバータの主な損失源について説明し、効率を向上するためのガイドラインを提供します。

伝導損失 : 伝導損失は、主にスイッチング素子、インダクタ、ダイオードで発生します。これらの部品内の抵抗要素により発生します。伝導損失を最小限に抑えるためには、直列抵抗の低い部品を選択することが不可欠です。例えば、オン抵抗が低いMOSFET (R_DS (on)) や順方向電圧降下が低いダイオード (V_F) を選択すると、伝導損失を大幅に低減できます。

スイッチング損失 : スイッチング損失は、スイッチング素子のオンとオフ間の移動の結果であり、熱としてエネルギーが失われる可能性があります。すべてのスイッチングは、スイッチング周波数、電圧、過渡電流ストレス、およびスイッチングデバイスの特性に影響されます。スイッチング損失を低減するために、スイッチング時間が短く、静電容量が小さいスイッチングデバイスを選択し、ゲートドライブ回路を強化して遷移を高速化することを検討してください。

コア損失 : 動作中に発生する交流磁場の結果、インダクタの磁気コアでコア損失が発生します。これらの損失には、コア材料、動作周波数、コア内部の磁束密度が影響します。コア損失を最小限に抑えるには、低損失特性の適切なコア材料を選択し、インダクタがコア材料の特定範囲内で動作することを確認してください。

コンデンサ損失 : コンデンサ内の損失の主な原因は等価直列抵抗 (ESR) と誘電損失です。これらの損失を低減するために、低損失特性の誘電体と、低いESR、高いリップル電流定格のコンデンサを選択してください。

制御回路損失 : 制御ICおよびコンバータの出力を制御する補助部品によって使用される電力を「制御回路損失」と呼びます。エネルギー効率の高い制御ICを使用して制御回路の静止電流を低減し、制御回路損失を低減します。

漏れインダクタンス損失 : 結合インダクタは当然漏れインダクタンスを持ち、それに伴う損失は効率を低下させる可能性があります。これらの損失は、インダクタ設計の漏れインダクタンスを低減し、適切な補償方式を使用することで低減できます。

エンジニアは、これらの損失プロセスに対処し、コンバータの設計を強化することで、SEPICコンバータの高効率を得ることができ、さまざまなアプリケーションに対応する、よりコンパクトで信頼性が高く経済的な電力変換ソリューションを実現できます。

アプリケーションと例

SEPIC (シングルエンド・プライマリインダクタ・コンバータ) コンバータは、入力電圧を昇圧、降圧、または維持できる汎用の電力変換デバイスであり、幅広いアプリケーションに適しています。このセクションでは、いくつかの主要なアプリケーションに焦点を当て、SEPICコンバータが優れていることが実証されている例にハイライトを当てます。

バッテリー駆動システム : SEPICコンバータは、ポータブルガジェットや電気自動車など、可変バッテリー電圧を持つバッテリー駆動デバイスに最適です。このような状況では、入力電圧が変化しても一定の出力電圧を供給するため、システム全体の効率と信頼性が向上します。

例 : 携帯医療機器には、7.4Vのリチウムイオンバッテリーからの安定した12V出力が必要です。バッテリーが放電すると、その電圧は6Vまで低下する可能性がありますが、SEPICコンバータはデバイスが一定の12V電源を継続して受けとることを保証します。

再生可能エネルギーシステム : 太陽光発電 (PV) パネルや太陽電池充電コントローラなどの太陽電池アプリケーションでは、太陽光の強度と温度の変化により入力電圧が大幅に変化することがあります。SEPICコンバータは、このようなさまざまな条件下で効率的に出力電圧を調整し、エネルギーの収穫を最大化し、システム効率を向上させることができます。

例 : 太陽光発電の街灯システムは、SEPICコンバータを使用してPVパネルからの電圧を調整し、バッテリーを充電し、LEDランプに電力を供給します。これにより、さまざまな日光の条件下で一貫したパフォーマンスが保証されます。

産業用および車載用システム : SEPICコンバータは、不安定な電源ネットワークや可変バッテリー電圧など、さまざまな入力電圧状況下で正確な電圧調整を必要とする産業用および車載用システムに適しています。さらに、繊細なアプリケーションでガルバニック絶縁を提供することができます。

例 : 電気自動車の充電ステーションでは、SEPICコンバータを使用して電力グリッドの入力電圧をステップアップすることができ、損失を最小限に抑え、高効率で高電圧バッテリーパックを実現します。

LEDライティング : SEPICコンバータは、定電流出力を提供するためにLEDライティングアプリケーションで頻繁に使用され、幅広い入力電圧にわたって安定した輝度を確保します。これらは、ステップアップとステップダウンの両方の電圧変換を処理できるため、この状況で特に役立ちます。

例 : 建築照明システムでは、SEPICコンバータが一連のLEDに定電流を供給し、電源からの入力電圧の変動にもかかわらず均一な輝度を確保します。

通信システム : SEPICコンバータは、通信システムのトランシーバ、モデム、基地局などの繊細なデバイスに安定した電源を供給することができます。これらのデバイスは、重要なシステム部品の出力を一定に保ちながら、変動する入力電圧を効率的に管理できます。

例 : 遠隔地の携帯基地局では、太陽光パネルや燃料電池からの入力電圧をSEPICコンバータでステップダウンし、通信機器に安定した電力供給を行い、途切れることのない動作を保証します。

パワーエレクトロニクス