昇圧コンバータ(昇圧チョッパ)とは？原理などを解説！

この記事では『昇圧コンバータ』について

昇圧コンバータとは
昇圧コンバータの原理・計算式・シミュレーション
『昇圧コンバータ』と『降圧コンバータ』の違い

などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。

昇圧コンバータ(昇圧チョッパ)とは

昇圧コンバータは出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くなる回路であり、コイル(インダクタ)\(L\)、MOSFET\(Q\)、ダイオード\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されています。

後ほど動作原理について説明しますが、MOSFET\(Q\)のON時にコイル\(L\)にエネルギーを蓄え、MOSFET\(Q\)のOFF時にコイル\(L\)に蓄えられたエネルギーを放出することで、出力電圧\(V_{OUT}\)を入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くすることができます。

MOSFET\(Q\)のON時間が長く、コイル\(L\)に蓄えれられるエネルギーが大きいほど、出力電圧\(V_{OUT}\)が高くなり、MOSFET\(Q\)のON時間が短いほど、出力電圧\(V_{OUT}\)は低くなります。そのため、MOSFET\(Q\)のオンデューティ比\(D\)(1周期\(T\)におけるオン期間\(T_{ON}\)の割合)を制御することで、所望の出力電圧\(V_{OUT}\)を得ることができます。

補足

昇圧コンバータは『ブーストコンバータ(Boost Converter)』や『ステップ・アップ・コンバータ』や『昇圧チョッパ』とも呼ばれています。

→チョッパ(Chopper)は英語で「切り刻むもの」という意味があり、MOSFET\(Q\)で電流や電圧を切り刻んで昇圧しているように見えることから、昇圧チョッパと呼ばれています。

MOSFET\(Q\)はバイポーラトランジスタなど他のスイッチング素子でも使用可能です。

昇圧コンバータの動作原理

ではこれから、昇圧コンバータの動作原理について説明します。MOSFET\(Q\)が『ONの時』と『OFFの時』に分けて考えます。

MOSFET\(Q\)がONの時

MOSFET\(Q\)がONの時、電流経路は『入力電圧\(V_{IN}\)→コイル\(L\)→MOSFET\(Q\)』となります。

MOSFET\(Q\)がONしている間、コイル\(L\)に流れる電流\(i_L\)が徐々に増加します。コイル\(L\)に電流が流れることで、エネルギーが蓄えられます。また、この期間では、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)に充電されている電荷が負荷抵抗\(R_{OUT}\)に放電されています。

MOSFET\(Q\)がOFFの時

MOSFET\(Q\)がOFFの時、電流経路は『入力電圧\(V_{IN}\)→コイル\(L\)→ダイオード\(D\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))』となります。

この時、『入力電圧\(V_{IN}\)からの供給エネルギー+コイル\(L\)に蓄えられたエネルギー』を出力部に供給することで、出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くなります。

昇圧コンバータの出力電圧の式

昇圧コンバータの出力電圧\(V_{OUT}\)は次式となります。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}=\frac{1}{1-D}V_{IN}\tag{1}
\end{eqnarray}

上式において、オンデューティ比\(D\)はMOSFET\(Q\)の1周期\(T\)におけるオン期間\(T_{ON}\)の割合なので、次式で表されます。

\begin{eqnarray}
D=\frac{T_{ON}}{T}=\frac{T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}=T_{ON}×f_{SW}\tag{2}
\end{eqnarray}

(2)式において、\(f_{SW}\)はMOSFET\(Q\)のスイッチング周波数です。また、(2)式から分かるように、オンデューティ比\(D\)は1より小さい値なので、(1)式より出力電圧\(V_{OUT}\)は入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くなることが分かります。

例えば、オンデューティ比\(D\)が0.5の場合(1周期\(T\)におけるオン期間\(T_{ON}\)が半分の場合)、次式に示すように理論上は出力電圧\(V_{OUT}\)は入力電圧\(V_{IN}\)の2倍となります(実際には、ダイオード\(D\)やMOSFET\(Q\)などの損失があるため、出力電圧\(V_{OUT}\)は2倍よりも小さくなります)。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}=\frac{1}{1-D}V_{IN}=\frac{1}{1-0.5}V_{IN}=2V_{IN}\tag{3}
\end{eqnarray}