昇降圧コンバータ(昇降圧チョッパ)とは？原理などを解説！

この記事では『昇降圧コンバータ』について

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。

昇降圧コンバータ(昇降圧チョッパ)とは

昇降圧コンバータはその名の通り、昇圧も降圧もできるコンバータです。MOSFET\(Q\)、コイル(インダクタ)\(L\)、ダイオード\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されています。

昇圧するか降圧するかは、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)によって決まります。

昇降圧コンバータは、MOSFET\(Q\)がONの時にコイル\(L\)にエネルギーを蓄えます。コイル\(L\)にエネルギーを蓄える期間が長いほど、出力電圧\(V_{OUT}\)を高くすることができます。

なお、昇降圧コンバータは「入力と出力が反転する」という特徴があるので注意してください。基準電位(GND)に対して、入力電圧\(V_{IN}\)がプラス(正)の時に、出力電圧\(V_{OUT}\)はマイナス(負)になります。

『昇降圧コンバータ』と『昇圧コンバータ』と『降圧コンバータ』の違い

上図に『昇降圧コンバータ』と『昇圧コンバータ』と『降圧コンバータ』の回路図を示しています。

3つのコンバータは全て、MOSFET\(Q\)、コイル\(L\)、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、各部品の接続箇所が異なります。

『昇圧コンバータ』と『昇降圧コンバータ』の回路構成を比較すると、コイル\(L\)とMOSFET\(Q\)の位置が入れ替わり、ダイオード\(D\)の向きが反対になっています。

『降圧コンバータ』と『昇降圧コンバータ』の回路構成を比較すると、コイル\(L\)とダイオード\(D\)の位置が入れ替わっています。

昇降圧コンバータの動作原理

ではこれから、昇降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\(V_{IN}\)→MOSFET\(Q\)→コイル\(L\)』となります。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。

コイル\(L\)は電流の変化を妨げるように動作するため、MOSFET\(Q\)をONしても、電流は一気には流れず、コイル\(L\)に流れる電流\(i_L\)は徐々に増加します。

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。

MOSFET\(Q\)がOFFの時

MOSFET\(Q\)がOFFになると、コイル\(L\)に蓄えられているエネルギーを放出して、コイル\(L\)は電流を流し続けようとします。

そのため、この期間の電流経路は『コイル\(L\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))→ダイオード\(D\)』となります。この期間では、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)を充電すると同時に、負荷抵抗\(R_{OUT}\)にも電流が流れています。

コイル\(L\)は電流の変化を妨げるように動作するため、コイル\(L\)に流れる電流\(i_L\)は徐々に減少します。

昇降圧コンバータの出力電圧の式

昇降圧コンバータの出力電圧\(V_{OUT}\)は次式となります。

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。(2)式から分かるように、オンデューティ比\(D\)は1より小さい値となります。

また、オンデューティ比\(D\)を0～1に変化させた時の\(\left|\displaystyle\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\right|\)のグラフを上図に示しています。

オンデューティ比\(D\)が0.5より大きい時は\(\left|\displaystyle\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\right|\)が1より大きく(\(|V_{OUT}|{>}|V_{IN}|\))、オンデューティ比\(D\)が0.5より小さい時は\(\left|\displaystyle\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\right|\)が1より小さく(\(|V_{OUT}|{<}|V_{IN}|\))なるため、昇降圧できることが式から分かります。

例えば、オンデューティ比\(D\)が0.8の場合と0.2の場合、出力電圧\(V_{OUT}\)は次式で表されます。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&\frac{-D}{1-D}V_{IN}=\frac{-0.8}{1-0.8}V_{IN}=-4V_{IN}\tag{3}\\
\\
V_{OUT}&=&\frac{-D}{1-D}V_{IN}=\frac{-0.2}{1-0.2}V_{IN}=-\frac{1}{4}V_{IN}\tag{4}
\end{eqnarray}

上式から分かるように、出力電圧\(V_{OUT}\)の式にマイナスがつきます。すなわち、昇降圧コンバータは昇降圧できますが、「入力と出力が反転する」という特徴があるので注意してください。

昇降圧コンバータのシミュレーション

昇降圧コンバータを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

となっています。

MOSFET\(Q\)やダイオード\(D\)の損失を無視するために、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。

また、入力電圧\(V_{IN}\)は5V、理想スイッチ\(S\)のオンデューティ比\(D\)は0.8にしています。そのため、出力電圧\(V_{OUT}\)は(1)式より

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&\frac{-D}{1-D}V_{IN}=\frac{-0.8}{1-0.8}×5=-20{\mathrm{[V]}}
\end{eqnarray}

となります。シミュレーション結果でも、出力電圧\(V_{OUT}\)が-20Vとなり、昇圧動作をしていることが確認できます。

次に、オンデューティ比\(D\)を0.5より小さくした時に、降圧動作をしているかを確認してみましょう。理想スイッチ\(S\)のオンデューティ比\(D\)を0.2にした時のシミュレーション結果を下図に示しています。この場合、出力電圧\(V_{OUT}\)は(1)式より

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&\frac{-D}{1-D}V_{IN}=\frac{-0.2}{1-0.2}×5=-1.25{\mathrm{[V]}}
\end{eqnarray}

となります。シミュレーション結果でも、出力電圧\(V_{OUT}\)が-1.25Vとなり、降圧動作をしていることが確認できます。

まとめ

この記事では『昇降圧コンバータ』について、以下の内容を説明しました。

お読み頂きありがとうございました。

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