紹介と動作原理

Zetaコンバータは、昇圧方向と降圧方向の両方で電圧を変換できるDC/DCパワーコンバータの一種です。これらはĆukコンバータと特徴を共有し、降圧コンバータと昇圧コンバータを組み合わせて開発されました。Zetaコンバータは、その適応性と優れた効率のため、バッテリー駆動システム、太陽エネルギーハーベスティング、通信など、さまざまなアプリケーションで使用されています。

Zetaコンバータの動作原理は、入力側と出力側の間でエネルギーを蓄え、伝達するために磁性部品 (インダクタ) とコンデンサを使用することに依存しています。エネルギー貯蔵フェーズとエネルギー伝達フェーズは、Zetaコンバータの動作の2つの主要要素を構成します。エネルギー貯蔵フェーズでは、入力電源がインダクタを充電し、エネルギー伝達フェーズでは、蓄積されたエネルギーをコンデンサを介して出力負荷に伝達します。

一定の入出力電流を維持するZetaコンバータの容量は、その大きな利点の1つです。これらの特性は、入力および出力電流リップルが小さく、電磁障害 (EMI) が小さく、信頼性が高いことを示しています。Zetaコンバータは、要求に応じて入出力絶縁を提供することができるため、さまざまなアプリケーションでの適応性が向上します。

回路トポロジーと主要部品

図20は、トランジスタとインダクタL₁の位置を入れ替えることによって得られたĆukコンバータのもうひとつの変更を示しています。このコンバータトポロジーはSEPICトポロジーに似ているため、「反転 SEPIC」とも呼ばれます。

図20 : ZETAコンバータ回路略図

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。この間、インダクタL₁およびL₂は次のとおりです。

$$U_{L1} = E$$ $$U_{L2} = U_{L1} + U_{C1} - U = E$$

そのため、電流は直線的に増加します。

図21 : ZETAコンバータ回路略図 – 間隔 – t_ON

図22は、t_OFF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、インダクタL₁およびL₂は次のとおりです。

$$U_{L1} = -U_{C1} = -U$$ $$U_{L2} = -U$$

このため、電流は直線的に減少します。SEPICコンバータとは異なり、ZETAコンバータでは、入力電流が連続している間、入力電流は不連続です。SEPICコンバータと同様に、ZETAコンバータのインダクタは、インダクタンスが等しいインダクタを選択すると磁気的に結合することができ、個々のインダクタの電流の交流成分を低減します。

図22 : ZETA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ます。

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

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。

Zetaコンバータは、降圧コンバータと昇圧コンバータの素子を組み合わせた独自のトポロジーを特徴とする4次のDC/DCコンバータです。Zetaコンバータの主要部品は、入力電圧源、2つのインダクタ (L1とL2)、2つのコンデンサ (C1とC2)、ダイオード (D)、スイッチ (S) (通常はMOSFETまたはIGBT) です。これらの部品の配置は、Zetaコンバータの性能と効率にとって重要です。

代表的的なZetaコンバータトポロジーでは、入力電圧源は第1インダクタ (L1) の一端に接続されます。L1のもう一方の端はスイッチ (S) に接続されており、スイッチはインダクタを通る電流を制御します。ダイオード (D) はスイッチと並列に接続され、そのアノードはL1とSの間の共通ノードに接続され、そのカソードは出力側に接続されます。2番目のインダクタ (L2) は、ダイオードのカソードと出力電圧ノードの間に接続されています。コンデンサ (C1およびC2) は、出力電圧ノードとグランドの間で直列に接続され、共通ノードは入力電圧ソースに接続されます。

Zetaコンバータの動作中、スイッチはオンとオフを切り替え、回路を通るエネルギーの流れを制御します。スイッチがオンのとき、入力電圧源はインダクタL1を充電し、エネルギーはその磁場に蓄えられます。同時に、ダイオード (D) は逆バイアスされ、インダクタL2に蓄積されたエネルギーはコンデンサC2を介して出力負荷に伝達されます。スイッチがオフになると、L1の電流はダイオード (D)、充電インダクタL2、および放電コンデンサC1を通って流れ続けます。L2に蓄積されたエネルギーは、コンデンサC2を介して出力負荷に伝達されます。

Zetaコンバータの性能、効率、サイズは、インダクタ、コンデンサ、ダイオード、およびスイッチの選択に直接影響されます。最高の性能を得るためには、十分な電流および電圧定格と低寄生素子を持つ部品を使用することが不可欠です。また、高周波スイッチングにより磁気部品の小型化が可能になるため、より小型化が可能になる場合があります。

連続導通モードと不連導通モード

ZETAコンバータは、他のDC/DCコンバータと同様に、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します。導通モードの選択は、アプリケーション、負荷要件、目的の効率など、さまざまな要因によって異なります。

連続導通モード (CCM) : 連続導通モードでは、スイッチングサイクル中に両方のインダクタ (L1とL2) を流れる電流がゼロになることはありません。高電力アプリケーションでは、電力伝達効率が良く、出力電圧リップルが少ないため、CCM動作がよく選択されます。さらに、DCMと比較して、CCMは制御および分析プロセスが簡単です。しかし、CCMの動作では、インダクタの直径が大きくなり、コア損失が増加する可能性があります。

不連続導通モード (DCM) : 不連続導通モードでは、スイッチングサイクル中のある時点で、インダクタの一方または両方 (L1とL2) を流れる電流がゼロに低下します。低消費電力のアプリケーションや負荷が大きく変動する場合は、通常DCMの動作が推奨されます。CCMと比較して、DCMは低負荷でより高い効率を提供し、インダクタサイズを小さくすることができます。しかし、DCMの動作には、出力電圧リップルが増加し、制御と解析の要件がより複雑になります。

ZetaコンバータをCCMモードとDCMモードのどちらで動作させるべきかは、独自のアプリケーションおよび設計要件によって決まります。一般的に、設計者は、広い負荷範囲にわたって高効率を要求するアプリケーションの必要に応じて、CCMとDCMの動作を組み合わせたり、CCMとDCMを切り替えたりする制御アプローチを使用することができます。

特定のアプリケーションでZetaコンバータのパフォーマンスを最適化するには、CCMとDCMの動作の違いを理解する必要があります。最適な導通モードを選択する際には、負荷要件、部品サイズ、効率、出力電圧リップルを考慮する必要があります。

設計に関する考慮事項と計算

効果的で信頼性の高いZetaコンバータの設計には、さまざまな考慮事項と計算が含まれ、適切な部品の選択とシステム性能を保証します。Zetaコンバータを構築するときは、次のことを念頭に置いておくことが重要です。

入出力電圧仕様 : 適切部品値を選択し、スイッチのデューティサイクル (D) を計算するために、アプリケーションに必要な入力および出力電圧レベルを決定します。

出力電力と負荷の要件 ： コンバータの導通モード (CCMまたはDCM) および必要なインダクタとコンデンサのサイズに影響を与えるアプリケーションの出力電力と負荷の要件を考慮しましょう。

インダクタの選択と計算 : コンバータの効率、出力電圧リップル、および過渡応答に影響を与える、目的の導通モード、入出力電圧仕様、および負荷要件に基づいて、適切なインダクタ値 (L1およびL2) を選択します。

デューティサイクルの計算 : スイッチのデューティサイクル (D) - スイッチのオン時間と総スイッチング時間の比率を計算して、コンバータの適切な動作に必要な入力 / 出力電圧の関係を決定します。

コンデンサの選択 : 出力電圧を安定し、電圧変動を最小限に抑えるためには、適切なコンデンサの選択が不可欠であるため、必要な出力電圧リップル、過渡応答、およびコンバータの安定性に基づいて、入力 (Cin) および出力 (Cout) コンデンサを選択してください。

スイッチング周波数 : スイッチング周波数が高いほどインダクタやコンデンサが小さくなり、スイッチング損失やEMIが増加する可能性があるため、効率、部品サイズ、EMIなどの要因を考慮して適切なスイッチング周波数を選択しましょう。

制御戦略 : コンバータの出力電圧または電流を調整する制御方式 (電圧モード、電流モード、またはデジタル制御) を決定します。制御戦略は、制御回路の複雑さと、さまざまな動作条件におけるその性能を決定します。

熱管理 : 電力損失を予測し、適切な放熱を保証することで、コンバータの効率を維持し、長期的な信頼性を確保することにより、適切な熱管理を保証します。

効率と損失

効率は、全体的なシステム性能、消費電力、および熱管理に直接影響するため、パワーコンバータの設計に不可欠です。Zetaコンバータの効率は、入力電力に対する出力電力の比率で、パーセンテージで表されます。効率を最適化するには、コンバータ内で発生するさまざまな損失を理解し、最小限に抑えることが不可欠です。

伝導損失 : 電流がスイッチ、ダイオード、インダクタなどのパワーエレクトロニクス部品を通過すると、伝導損失が発生します。これらの損失は、それらを通過する電流の2乗に依存し、主に部品の抵抗特性によって引き起こされます。伝道損失を最小限に抑えるために、設計者は抵抗の低い部品を選択するか、寄生抵抗を低減するために回路の構造を改善することができます。

スイッチング損失 : スイッチング損失は、電源スイッチのオン状態とオフ状態の遷移中に発生します。これらの遷移中、電圧と電流が同時に存在し、消費電力が発生します。スイッチング周波数、遷移中の電圧と電流の変化率、スイッチングデバイスの特性はすべてスイッチング損失に影響します。設計者は、スイッチング速度が速いスイッチを選択したり、ゲートドライブ回路を強化して遷移時間を短縮し、スイッチング損失を低減することができます。

ダイオードの逆回復損失 : ダイオードの逆回復損失は、逆回復プロセス中のダイオードの動作に関連しています。ダイオードは、導電状態からブロッキング状態に遷移するときに逆回復を経験します。高周波では、この電流の流れによって生じる電力損失が大きくなる可能性があります。設計者は、逆回復損失を低減するために、非常に高速な逆回復期間を持つショットキーダイオードまたは高速回復ダイオードを使用できます。

磁気部品のコア損失 : コア損失は、交流磁場によりインダクタやトランスの磁気コアで発生します。これらの損失は、コンバータの動作周波数、形状、およびコア材料の影響を受けます。適切なコア材料を選択し、磁性部品の設計を改良することで、設計者はコア損失を低減できます。

コンデンサ損失 : コンデンサ損失の主な原因は等価直列抵抗 (ESR) と誘電損失です。これらの周波数依存の損失は、ESRの低いコンデンサと適切な誘電体材料を使用することで低減できます。

アプリケーションと例

Zetaコンバータは、連続入出力電流、高電圧変換比、入力電圧のステップアップまたはステップダウン機能など、さまざまな利点を提供する、汎用性が高く効率的なDC/DCコンバータです。これらの特性により、Zetaコンバータは幅広い産業やシステムでのアプリケーションが見つかります。このセクションでは、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。

電源アプリケーション : Zetaコンバータは、電源設計に広く使用されており、デジタル回路、アナログ回路、パワーアンプなどのさまざまな負荷に安定化された出力電圧を提供します。バッテリー駆動デバイスや車載システムなど、広い入力電圧範囲にわたって安定した出力電圧を必要とするアプリケーションに最適です。

再生可能エネルギーシステム : 太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギーシステムでは、Zetaコンバータはエネルギー源からの様々な入力電圧を調整し、所望の出力電圧に変換することができます。広い入力電圧範囲に対応できるため、接続された負荷の最適な性能と最大の電力抽出が保証されます。

電気自動車の電源システム : Zetaコンバータは電気自動車の電力システムに有用であり、モータ駆動、補助負荷、バッテリー管理システムなどのさまざまなサブシステムに電力を供給するための複数の電圧レベルを提供します。バッテリーパックからの高電圧を必要な低電圧に効率的に変換し、回生ブレーキやバッテリー充電などの双方向電力フローアプリケーションに適しています。

通信システム : 通信システムは、基地局、ネットワークスイッチ、ルーターなどの繊細な電子機器に安定した電力を供給するためにZetaコンバータを使用しています。Zetaコンバータの連続入出力電流は、これらのシステムで発生する電磁障害 (EMI) とノイズを低減し、信頼性が高く効率的な動作LEDライティングアプリケーションを保証します。

Zetaコンバータは、定電流でLEDを駆動することができ、LEDライティングアプリケーションで均一な輝度と長寿命を実現します。入力電圧範囲が広いため、自動車、街路、産業用ライティングシステムなど、さまざまなライティングアプリケーションに適しています。