昇圧コンバータ(昇圧チョッパ)とは?原理などを解説!

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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(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

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}

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(1)式の導出方法については下記の記事で詳しく説明していますので、気になる方はご参考にしてください。

【昇圧コンバータの設計】『オンデューティ比D』の導出
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昇圧コンバータのシミュレーション

昇圧コンバータのシミュレーション

昇圧コンバータをLTspiceでシミュレーションした時の結果を上図に示しています。

上図の右側に示している波形は上から

  • 入力電圧\(V_{IN}\)
  • 出力電圧\(V_{OUT}\)
  • スイッチ\(S\)の駆動信号\(v_{GS}\)
  • コイル\(L\)に流れる電流\(i_L\)
  • スイッチ\(S\)に流れる電流\(i_S\)
  • ダイオード\(D\)に流れる電流\(i_D\)

となっています。

シミュレーション結果を見ると、入力電圧\(V_{IN}\)は5V、オンデューティ比\(D\)は0.5なので、出力電圧\(V_{OUT}\)が10Vになっていることが確認できます。なお、シミュレーション回路ではMOSFET\(Q\)は理想スイッチ、ダイオード\(D\)は理想ダイオードを用いています。

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LTspiceで理想スイッチと理想ダイオードを作る方法については、下記の記事で説明してますので、ご参考になれば幸いです。

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『昇圧コンバータ』と『降圧コンバータ』の違い

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降圧コンバータも昇圧コンバータと同様に、コイル\(L\)、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が、上図に示すように、各部品の接続箇所が異なります

昇圧コンバータも降圧コンバータもMOSFET\(Q\)がオンの時にコイル\(L\)にエネルギーを蓄えるのは同じです。

昇圧コンバータはMOSFET\(Q\)がOFFの時に『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』を出力部に供給していますが、降圧コンバータはMOSFET\(Q\)がOFFの時に『コイル\(L\)に蓄えられたエネルギー』のみ出力部に供給しています。

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降圧コンバータの原理や特徴については、下記の記事で説明しています。興味のある方は下記のリンクからぜひチェックをしてみてください。

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まとめ

この記事では『昇圧コンバータ』について、以下の内容を説明しました。

  • 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

お読み頂きありがとうございました。

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