降圧コンバータ(降圧チョッパ)とは？原理などを解説！

この記事では『降圧コンバータ』について

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

降圧コンバータ(降圧チョッパ)とは

降圧コンバータは出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも低くなる回路であり、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。

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しています。

MOSFET\(Q\)のON時間が長いほど、出力電圧\(V_{OUT}\)は高くなり、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。

降圧コンバータのイメージ

MOSFET\(Q\)をON/OFFすることで、A点の電圧\(V_A\)はパルス波形となります。このパルス電圧\(V_A\)をコイル\(L\)と出力コンデンサ\(C_{OUT}\)のLCロ―パスフィルタで平滑化していると考えると、出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも低くなるイメージが湧くと思います。

補足

降圧コンバータは『バックコンバータ(Buck Converter)』や『ステップ・ダウン・コンバータ』や『降圧チョッパ』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降圧しているように見えることから、降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。

降圧コンバータの動作原理

ではこれから、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\(L\)→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、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。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。

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。

降圧コンバータの出力電圧の式

降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}=DV_{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\(V_{IN}\)よりも低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\(\displaystyle\frac{1}{2}\)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\(\displaystyle\frac{1}{2}\)倍よりも小さくなります)。

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