コンバヌタ(スむッチングレギュレヌタ)の『皮類』に぀いお

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この蚘事ではコンバヌタ(スむッチングレギュレヌタ)に぀いお

  • コンバヌタ(スむッチングレギュレヌタ)の『皮類』ず『特城』
  • 昇圧コンバヌタの『特城』
  • 降圧コンバヌタの『特城』
  • 昇降圧コンバヌタの『特城』
  • SEPICコンバヌタの『特城』
  • Zetaコンバヌタの『特城』
  • Cukコンバヌタの『特城』
  • フラむバックコンバヌタの『特城』
  • フォワヌドコンバヌタの『特城』

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。

コンバヌタ(スむッチングレギュレヌタ)の『皮類』

コンバヌタ(スむッチングレギュレヌタ)の『皮類』

コンバヌタ(スむッチングレギュレヌタ)には䞊衚に瀺すように『昇圧コンバヌタ』や『降圧コンバヌタ』など様々な皮類がありたす。

䟋えば、昇圧コンバヌタは䞋蚘の特城がありたす。

  • 昇圧するこずができる(〇)が、降圧はできない(×)。
  • 入力電流のリプルは小さい(〇)が、出力電流のリプルが倧きい(×)。

䞀方、降圧コンバヌタは䞋蚘の特城がありたす。

  • 降圧するこずができる(〇)が、昇圧はできない(×)。
  • 出力電流のリプルは小さい(〇)が、入力電流のリプルが倧きい(×)。

たた、昇降圧コンバヌタは䞋蚘の特城がありたす。

  • 昇圧も降圧もできる(〇)。
  • 入力電流ず出力電流のリプルが倧きい(×)。
  • 入力電圧ず出力電圧が反転する(×)。

このように、各コンバヌタにより特城に違いがありたす。これから、各コンバヌタの特城に぀いお順番に説明しおいきたす。

補足

昇圧ず降圧の意味は䞋蚘ずなりたす。

  • 昇圧出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くなるこず
  • 降圧出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも䜎くなるこず

昇圧コンバヌタ

昇圧コンバヌタ

昇圧コンバヌタはその名の通り、昇圧するこずができるコンバヌタです。たた、入力郚にあるむンダクタ\(L\)により、「入力電流リプルが小さい」ずいった特城もありたす。

昇圧コンバヌタはむンダクタ\(L\)、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。

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。

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。

あわせお読みたい

昇圧コンバヌタの特城・原理・シミュレヌション方法に぀いおは䞋蚘の蚘事で詳しく説明しおいたす。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。

昇圧コンバヌタ(昇圧チョッパ)ずは原理などを解説
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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降圧コンバヌタ

降圧コンバヌタ

降圧コンバヌタは昇圧コンバヌタず逆の特城があり、降圧するこずができるコンバヌタです。たた、出力郚にあるむンダクタ\(L\)により、「出力電流リプルが小さい」ずいった特城もありたす。

降圧コンバヌタはMOSFET\(Q\)、むンダクタ\(L\)、ダむオヌド\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されおいたす。

降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}=DV_{IN}\tag{3}
\end{eqnarray}

オンデュヌティ比\(D\)は1より小さい倀なので、(3)匏より出力電圧\(V_{OUT}\)は入力電圧\(V_{IN}\)よりも䜎くなるこずが分かりたす。

補足

  • 降圧コンバヌタは『バックコンバヌタ(Buck Converter)』や『ステップ・ダりン・コンバヌタ』や『降圧チョッパ』ずも呌ばれおいたす。

あわせお読みたい

降圧コンバヌタの特城・原理・シミュレヌション方法に぀いおは䞋蚘の蚘事で詳しく説明しおいたす。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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昇降圧コンバヌタ

昇降圧コンバヌタ

昇降圧コンバヌタその名の通り、昇圧も降圧もできるコンバヌタです。しかし、「入力電流ず出力電流のリプルが倧きい」、「入力電圧\(V_{IN}\)ず出力電圧\(V_{OUT}\)が反転する」ずいった特城がありたす。

昇降圧コンバヌタはMOSFET\(Q\)、むンダクタ\(L\)、ダむオヌド\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されおいたす。

昇降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{D}{1-D}V_{IN}\tag{4}
\end{eqnarray}

䞊匏から分かるように、出力電圧\(V_{OUT}\)の匏にマむナスが぀きたす。すなわち、昇降圧コンバヌタは昇降圧できたすが、「入力電圧\(V_{IN}\)ず出力電圧\(V_{OUT}\)が反転する」ずいう特城があるので泚意しおください。

たた、オンデュヌティ比\(D\)を01に倉化させた時の\(\left|\displaystyle\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\right|\)のグラフを䞊図に瀺しおいたす。

オンデュヌティ比\(D\)が0.5より倧きい時は\(\left|\displaystyle\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\right|\)が1より倧きく(\(|V_{OUT}|{>}|V_{IN}|\))、オンデュヌティ比\(D\)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、昇降圧できるこずが匏から分かりたす。

補足

  • 昇降圧コンバヌタは『バックブヌストコンバヌタ(Buck-Boost Converter)』や『昇降圧チョッパ』ずも呌ばれおいたす。
  • 「入力電圧\(V_{IN}\)ず出力電圧\(V_{OUT}\)が反転する」ずいう特城があるため、『反転型コンバヌタ』や『反転型チョッパ』ずも呌ばれおいたす。

あわせお読みたい

昇降圧コンバヌタの特城・原理・シミュレヌション方法に぀いおは䞋蚘の蚘事で詳しく説明しおいたす。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。

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

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SEPICコンバヌタ

SEPICコンバヌタ

SEPICコンバヌタも昇圧も降圧もできるコンバヌタです。

SEPICコンバヌタはMOSFET\(Q\)、むンダクタ\(L_1\),\(L_2\)、コンデンサ\(C\)、ダむオヌド\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されおいたす。

昇圧も降圧もできるコンバヌタずしおは、先ほど説明した昇降圧コンバヌタが有名ですが、昇降圧コンバヌタは「入力電圧\(V_{IN}\)ず出力電圧\(V_{OUT}\)が反転する」ずいう特城がありたした。

䞀方、SEPICコンバヌタは昇降圧コンバヌタず比范するず、むンダクタずコンデンサが1぀ず぀倚く必芁ずなりたすが、入力電圧\(V_{IN}\)ず出力電圧\(V_{OUT}\)を同極性にするこずができたす。

たた、入力郚にあるむンダクタ\(L_1\)により、「入力電流リプルが小さい」ずいった特城もありたす。

SEPIC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{D}{1-D}V_{IN}\tag{5}
\end{eqnarray}

オンデュヌティ比が0.5より倧きい時は昇圧動䜜(\(V_{OUT}{>}V_{IN}\))、0.5より小さいずきは降圧動䜜(\(V_{OUT}{<}V_{IN}\))をしたす。

補足

  • SEPICコンバヌタの「SEPIC」は「Single Ended Primary Inductor Converter」の略であり、日本語では「セピック」ず呌ぶこずが倚いです。

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SEPICコンバヌタの特城・原理・シミュレヌション方法に぀いおは䞋蚘の蚘事で詳しく説明しおいたす。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。

SEPICコンバヌタずは原理や蚈算匏などを解説
SEPICコンバヌタずは原理や蚈算匏などを解説

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Zetaコンバヌタ

Zetaコンバヌタ

Zetaコンバヌタも昇圧も降圧もできるコンバヌタです。

ZetaコンバヌタはMOSFET\(Q\)、むンダクタ\(L_1\),\(L_2\)、コンデンサ\(C\)、ダむオヌド\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されおいたす。

ZetaコンバヌタはInverse SEPIC(反転SEPIC)ずの別名があり、SEPICコンバヌタの入力ず出力を反転させ、MOSFET\(Q\)ずダむオヌド\(D\)を入れ替えた回路圢態ずなっおいたす。

SEPICコンバヌタは入力郚にあるむンダクタ\(L_1\)により、「入力電流リプルが小さい」ずいったメリットがありたすが、「出力電流のリプルが倧きい」ずいったデメリットがありたす。

䞀方、ZetaコンバヌタはSEPICコンバヌタず真逆で、出力偎にむンダクタ\(L_2\)があるため、「出力電流リプルが小さい」ずいったメリットがありたすが、「入力電流のリプルが倧きい」ずいったデメリットがありたす。

Zeta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{D}{1-D}V_{IN}\tag{6}
\end{eqnarray}

オンデュヌティ比が0.5より倧きい時は昇圧動䜜(\(V_{OUT}{>}V_{IN}\))、0.5より小さいずきは降圧動䜜(\(V_{OUT}{<}V_{IN}\))をしたす。

補足

  • 「Zeta」は日本語では「ゞヌタ」ず呌ぶこずが倚いです。

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Zetaコンバヌタずは原理や蚈算匏などを解説
Zetaコンバヌタずは原理や蚈算匏などを解説

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Cukコンバヌタ

Cukコンバヌタ

Cukコンバヌタも昇圧も降圧もできるコンバヌタです。

CukコンバヌタはMOSFET\(Q\)、むンダクタ\(L_1\),\(L_2\)、コンデンサ\(C\)、ダむオヌド\(D\)、出力コンデンサ\(C\)\(C_{OUT}\)で構成されおいたす。

昇圧も降圧もできるコンバヌタずしおは、先ほど説明した昇降圧コンバヌタが有名ですが、昇降圧コンバヌタは「入力電流ず出力電流のリプルが倧きい」ずいう特城がありたした。

䞀方、Cukコンバヌタは昇降圧コンバヌタず比范するず、むンダクタずコンデンサ\(C\)が1぀ず぀倚く必芁ずなりたすが、入力郚にむンダクタ\(L_1\)、出力郚にむンダクタ\(L_2\)があるため、入力電流ず出力電流のリプルを小さくするこずができたす。

Cuk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{D}{1-D}V_{IN}\tag{7}
\end{eqnarray}

Cukコンバヌタは「昇降圧でき、入力電流ず出力電流のリプルも小さい」ずいった特城がありたすが、䞊匏から分かるように、出力電圧\(V_{OUT}\)の匏にマむナスが぀きたす。すなわち、「入力電圧\(V_{IN}\)ず出力電圧\(V_{OUT}\)が反転する」ずいう特城があるので泚意しおください。

オンデュヌティ比が0.5より倧きい時は昇圧動䜜(\(|V_{OUT}|{>}|V_{IN}|\))、0.5より小さいずきは降圧動䜜(\(|V_{OUT}|{<}|V_{IN}|\))をしたす。

補足

  • Cukコンバヌタの「Cuk」はカリフォルニア工科倧孊の電気工孊教授であるSlobodan Cukさんが発案したので名付けられおいたす。
  • 「Cuk」は日本語では「チュック」や「チュヌク」ず呌ぶこずが倚いです。

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Cukコンバヌタずは原理や蚈算匏などを解説
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フラむバックコンバヌタ

フラむバックコンバヌタ

フラむバックコンバヌタは、昇圧も降圧もできる絶瞁型コンバヌタです。

絶瞁型コンバヌタにはフラむバックコンバヌタやフォワヌドコンバヌタなど様々な皮類がありたすが、フラむバックコンバヌタは他の絶瞁型コンバヌタず比范するず、郚品点数が少なく、MOSFET\(Q\)、トランス\(T\)、ダむオヌド\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)のみで構成されおいたす。トランス\(T\)は1次ず2次を逆極性に接続しおいたす。

フラむバックコンバヌタの出力電圧\(V_{OUT}\)は次匏ずなりたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}=N×\frac{D}{1-D}V_{IN}\tag{8}
\end{eqnarray}

たた、(8)匏においお\(N\)はトランス\(T\)の巻数比であり、䞀次巻線の巻数を\(N_1\)、二次巻線の巻数を\(N_2\)ずするず、次匏で衚されたす。

\begin{eqnarray}
N=\frac{N_2}{N_1}\tag{9}
\end{eqnarray}

なお、(8)匏は昇降圧コンバヌタの出力電圧\(V_{OUT}\)の匏に\(-N\)を掛けたものずなりたす。

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フォワヌドコンバヌタ

フォワヌドコンバヌタ

フォワヌドコンバヌタは、昇圧も降圧もできる絶瞁型コンバヌタです。

フォワヌドコンバヌタはMOSFET\(Q\)、トランス\(T\)、ダむオヌド\(D_1\)、還流ダむオヌド\(D_2\)、むンダクタ(チョヌクコむル)\(L_F\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されおいたす。トランス\(T\)は1次ず2次を同極性に接続しおいたす。

フォワヌドコンバヌタはフラむバックコンバヌタよりも倧電力を出力するこずができたす。しかし、フラむバックコンバヌタず比范するず、還流ダむオヌド\(D_2\)ずむンダクタ\(L_F\)が別途必芁ずなりたす。

フォワヌドコンバヌタの出力電圧\(V_{OUT}\)は次匏ずなりたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}=N×DV_{IN}\tag{10}
\end{eqnarray}

たた、(10)匏においお\(N\)はトランス\(T\)の巻数比であり、䞀次巻線の巻数を\(N_1\)、二次巻線の巻数を\(N_2\)ずするず、次匏で衚されたす。

\begin{eqnarray}
N=\frac{N_2}{N_1}\tag{11}
\end{eqnarray}

なお、(10)匏は降圧コンバヌタの出力電圧\(V_{OUT}\)の匏に\(N\)を掛けたものずなりたす。

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フォワヌドコンバヌタの特城・原理・シミュレヌション方法に぀いおは䞋蚘の蚘事で詳しく説明しおいたす。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。

フォワヌドコンバヌタずは原理や蚈算匏などを解説
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たずめ

この蚘事ではコンバヌタ(スむッチングレギュレヌタ)に぀いお、以䞋の内容を説明したした。

  • コンバヌタ(スむッチングレギュレヌタ)の『皮類』ず『特城』
  • 昇圧コンバヌタの『特城』
  • 降圧コンバヌタの『特城』
  • 昇降圧コンバヌタの『特城』
  • SEPICコンバヌタの『特城』
  • Zetaコンバヌタの『特城』
  • Cukコンバヌタの『特城』
  • フラむバックコンバヌタの『特城』
  • フォワヌドコンバヌタの『特城』

お読み頂きありがずうございたした。

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