昇圧コンバヌタ(昇圧チョッパ)ずは原理などを解説

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この蚘事では『昇圧コンバヌタ』に぀いお

  • 昇圧コンバヌタずは
  • 昇圧コンバヌタの原理・蚈算匏・シミュレヌション
  • 『昇圧コンバヌタ』ず『降圧コンバヌタ』の違い

などを図を甚いお分かりやすく説明するように心掛けおいたす。ご参考になれば幞いです。

昇圧コンバヌタ(昇圧チョッパ)ずは

昇圧コンバヌタ(昇圧チョッパ)ずは

昇圧コンバヌタは出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くなる回路であり、コむル(むンダクタ)\(L\)、MOSFET\(Q\)、ダむオヌド\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されおいたす。

埌ほど動䜜原理に぀いお説明したすが、MOSFET\(Q\)のON時にコむル\(L\)に゚ネルギヌを蓄え、MOSFET\(Q\)のOFF時にコむル\(L\)に蓄えられた゚ネルギヌを攟出するこずで、出力電圧\(V_{OUT}\)を入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くするこずができたす。

MOSFET\(Q\)のON時間が長く、コむル\(L\)に蓄えれられる゚ネルギヌが倧きいほど、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\(V_{OUT}\)は䜎くなりたす。そのため、MOSFET\(Q\)のオンデュヌティ比\(D\)(1呚期\(T\)におけるオン期間\(T_{ON}\)の割合)を制埡するこずで、所望の出力電圧\(V_{OUT}\)を埗るこずができたす。

補足

  • 昇圧コンバヌタは『ブヌストコンバヌタ(Boost Converter)』や『ステップ・アップ・コンバヌタ』や『昇圧チョッパ』ずも呌ばれおいたす。
  • →チョッパ(Chopper)は英語で「切り刻むもの」ずいう意味があり、MOSFET\(Q\)で電流や電圧を切り刻んで昇圧しおいるように芋えるこずから、昇圧チョッパず呌ばれおいたす。

  • MOSFET\(Q\)はバむポヌラトランゞスタなど他のスむッチング玠子でも䜿甚可胜です。

昇圧コンバヌタの動䜜原理

昇圧コンバヌタの動䜜原理

ではこれから、昇圧コンバヌタの動䜜原理に぀いお説明したす。MOSFET\(Q\)が『ONの時』ず『OFFの時』に分けお考えたす。

MOSFET\(Q\)がONの時

MOSFET\(Q\)がONの時、電流経路は『入力電圧\(V_{IN}\)→コむル\(L\)→MOSFET\(Q\)』ずなりたす。

MOSFET\(Q\)がONしおいる間、コむル\(L\)に流れる電流\(i_L\)が埐々に増加したす。コむル\(L\)に電流が流れるこずで、゚ネルギヌが蓄えられたす。たた、この期間では、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)に充電されおいる電荷が負荷抵抗\(R_{OUT}\)に攟電されおいたす。

MOSFET\(Q\)がOFFの時

MOSFET\(Q\)がOFFの時、電流経路は『入力電圧\(V_{IN}\)→コむル\(L\)→ダむオヌド\(D\)→出力郚(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)負荷抵抗\(R_{OUT}\))』ずなりたす。

この時、『入力電圧\(V_{IN}\)からの䟛絊゚ネルギヌ+コむル\(L\)に蓄えられた゚ネルギヌ』を出力郚に䟛絊するこずで、出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くなりたす。

昇圧コンバヌタの出力電圧の匏

昇圧コンバヌタの出力電圧の匏

昇圧コンバヌタの出力電圧\(V_{OUT}\)は次匏ずなりたす。

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

䞊匏においお、オンデュヌティ比\(D\)はMOSFET\(Q\)の1呚期\(T\)におけるオン期間\(T_{ON}\)の割合なので、次匏で衚されたす。

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

(2)匏においお、\(f_{SW}\)はMOSFET\(Q\)のスむッチング呚波数です。たた、(2)匏から分かるように、オンデュヌティ比\(D\)は1より小さい倀なので、(1)匏より出力電圧\(V_{OUT}\)は入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くなるこずが分かりたす。

䟋えば、オンデュヌティ比\(D\)が0.5の堎合(1呚期\(T\)におけるオン期間\(T_{ON}\)が半分の堎合)、次匏に瀺すように理論䞊は出力電圧\(V_{OUT}\)は入力電圧\(V_{IN}\)の2倍ずなりたす(実際には、ダむオヌド\(D\)やMOSFET\(Q\)などの損倱があるため、出力電圧\(V_{OUT}\)は2倍よりも小さくなりたす)。

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

あわせお読みたい

(1)匏の導出方法に぀いおは䞋蚘の蚘事で詳しく説明しおいたすので、気になる方はご参考にしおください。

【昇圧コンバヌタの蚭蚈】『オンデュヌティ比D』の導出
【昇圧コンバヌタの蚭蚈】『オンデュヌティ比D』の導出

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昇圧コンバヌタのシミュレヌション

昇圧コンバヌタのシミュレヌション

昇圧コンバヌタをLTspiceでシミュレヌションした時の結果を䞊図に瀺しおいたす。

䞊図の右偎に瀺しおいる波圢は䞊から

  • 入力電圧\(V_{IN}\)
  • 出力電圧\(V_{OUT}\)
  • スむッチ\(S\)の駆動信号\(v_{GS}\)
  • コむル\(L\)に流れる電流\(i_L\)
  • スむッチ\(S\)に流れる電流\(i_S\)
  • ダむオヌド\(D\)に流れる電流\(i_D\)

ずなっおいたす。

シミュレヌション結果を芋るず、入力電圧\(V_{IN}\)は5V、オンデュヌティ比\(D\)は0.5なので、出力電圧\(V_{OUT}\)が10Vになっおいるこずが確認できたす。なお、シミュレヌション回路ではMOSFET\(Q\)は理想スむッチ、ダむオヌド\(D\)は理想ダむオヌドを甚いおいたす。

あわせお読みたい

LTspiceで理想スむッチず理想ダむオヌドを䜜る方法に぀いおは、䞋蚘の蚘事で説明しおたすので、ご参考になれば幞いです。

【LTspice】理想スむッチである「電圧制埡スむッチ」の䜿い方
【LTspice】理想スむッチである『電圧制埡スむッチ』の䜿い方

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【LTspice】『理想ダむオヌド』の䜜成方法
【LTspice】『理想ダむオヌド』の䜜成方法

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『昇圧コンバヌタ』ず『降圧コンバヌタ』の違い

『昇圧コンバヌタ』ず『降圧コンバヌタ』の違い

降圧コンバヌタも昇圧コンバヌタず同様に、コむル\(L\)、MOSFET\(Q\)、ダむオヌド\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されおいたすが、䞊図に瀺すように、各郚品の接続箇所が異なりたす。

昇圧コンバヌタも降圧コンバヌタもMOSFET\(Q\)がオンの時にコむル\(L\)に゚ネルギヌを蓄えるのは同じです。

昇圧コンバヌタはMOSFET\(Q\)がOFFの時に『入力電圧\(V_{IN}\)からの䟛絊゚ネルギヌ+コむル\(L\)に蓄えられた゚ネルギヌ』を出力郚に䟛絊しおいたすが、降圧コンバヌタはMOSFET\(Q\)がOFFの時に『コむル\(L\)に蓄えられた゚ネルギヌ』のみ出力郚に䟛絊しおいたす。

あわせお読みたい

降圧コンバヌタの原理や特城に぀いおは、䞋蚘の蚘事で説明しおいたす。興味のある方は䞋蚘のリンクからぜひチェックをしおみおください。

降圧コンバヌタ(降圧チョッパ)ずは原理などを解説
降圧コンバヌタ(降圧チョッパ)ずは原理などを解説

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たずめ

この蚘事では『昇圧コンバヌタ』に぀いお、以䞋の内容を説明したした。

  • 昇圧コンバヌタずは
  • 昇圧コンバヌタの原理・蚈算匏・シミュレヌション
  • 『昇圧コンバヌタ』ず『降圧コンバヌタ』の違い

お読み頂きありがずうございたした。

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