SEPICコンバータとは?原理や計算式などを解説!

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この記事では『SEPICコンバータ』について

  • SEPICコンバータとは
  • SEPICコンバータの原理・計算式・シミュレーション

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。

SEPICコンバータとは

SEPICコンバータとは

SEPICコンバータは、昇圧も降圧もできるコンバータです。

  • 昇圧:出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも高くなること
  • 降圧:出力電圧\(V_{OUT}\)が入力電圧\(V_{IN}\)よりも低くなること

SEPICコンバータは、MOSFET\(Q\)、インダクタ\(L_1,L_2\)、コンデンサ\(C\)、ダイオード\(D\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されています。

昇圧も降圧もできるコンバータとしては、上図に示す昇降圧コンバータが有名ですが、昇降圧コンバータは「入力と出力が逆極性になる」という特徴がありました。

一方、SEPICコンバータは昇降圧コンバータと比較すると、インダクタとコンデンサが1つずつ多く必要となりますが、入力と出力を同極性にすることができます。また、入力部にインダクタ\(L_1\)があるため、入力電流のリプルが小さくなるというメリットもあります。

下記にSEPICコンバータのメリットデメリットをまとめます。

メリット

  • 昇圧も降圧も可能。
  • 入力電流のリプルが小さい。
  • →そのため、入力電圧\(V_{IN}\)と並列に入力コンデンサを接続する場合、入力コンデンサの容量を小さくすることができる(入力コンデンサを小型化することができる)。

  • 入力電圧\(V_{IN}\)と出力電圧\(V_{OUT}\)が同極性。
  • コンデンサ\(C\)により、入力と出力を分離しているため、出力部の短絡に強い。

デメリット

  • 出力電流のリプルが大きい。
  • →SEPICコンバータの出力部には平滑用のインダクタを用いていないため、出力電流のリプルが大きくなります(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)に流れるリプルが大きくなります)。そのため、大電流用途には不向きの回路となります。

  • 昇降圧コンバータよりも部品点数が多くなる。

補足

  • SEPICコンバータの「SEPIC」は「Single Ended Primary Inductor Converter」の略であり、日本語では「セピック」と呼ぶことが多いです。
  • SEPICコンバータはインダクタが2つ必要になりますが、2つのインダクタは同じ鉄心(コア)に巻くことができます。
  • 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。

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SEPICコンバータの回路構成

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SEPICコンバータは上図に示しているフライバックコンバータと回路構成が似ています。

フライバックコンバータのトランス\(T\)の1次側と2次側にコンデンサ(カップリングコンデンサ)\(C\)を接続すると、SEPICコンバータと等価になります。

SEPICコンバータのインダクタ\(L_1\)と\(L_2\)は結合していても、結合していなくても良いですが、結合する場合、2つのインダクタを同じ鉄心(コア)に巻くことができるため、実装面積を小さくすることができます。

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SEPICコンバータの動作原理

SEPICコンバータの動作原理

ではこれから、SEPIC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、『入力電圧\(V_{IN}\)→インダクタ\(L_1\)→MOSFET\(Q\)』の経路で電流が流れます。

コンデンサ\(C\)にかかる電圧\(V_C\)は入力電圧\(V_{IN}\)となるため、MOSFET\(Q\)のONによりA点の電圧\(V_A\)が0Vに引き下げられると、B点の電圧\(V_B\)は「\(-V_{IN}\)」となります。そのため、『コンデンサ\(C\)→MOSFET\(Q\)→インダクタ\(L_2\)』の経路でも電流が流れています。

この期間では、インダクタ\(L_1\)および\(L_2\)に流れる電流が増加しており、この電流によりインダクタ\(L_1\)および\(L_2\)にエネルギーが蓄えられています。

また、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。

補足

SEPICコンバータのコンデンサにかかる電圧

  • 定常状態においては、インダクタにかかる平均電圧は0Vなので、コンデンサ\(C\)にかかる電圧\(V_C\)の平均値が入力電圧\(V_{IN}\)となります。したがって、MOSFET\(Q\)のONによりA点の電圧\(V_A\)が0Vに引き下げられると、B点の電圧\(V_B\)は「\(-V_{IN}\)」となります。

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インダクタンス\(L{\mathrm{[H]}}\)のインダクタに流れている電流が\(I{\mathrm{[A]}}\)の時、インダクタに蓄えられているエネルギー\(U{\mathrm{[J]}}\)は次式で表されます。

\begin{eqnarray}
U=\frac{1}{2}LI^2{\mathrm{[J]}}
\end{eqnarray}

インダクタのエネルギー\(U{\mathrm{[J]}}\)については別途下記の記事で詳しく説明していますので、ご参考にしてください。

コイルに蓄えられるエネルギーの『式』と『求め方』について!
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MOSFET\(Q\)がOFFの時

MOSFET\(Q\)がOFFになると、インダクタ\(L_1\)および\(L_2\)に蓄えられているエネルギーを放出して、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『入力電圧\(V_{IN}\)→インダクタ\(L_1\)→コンデンサ\(C\)→ダイオード\(D\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)+負荷抵抗\(R_{OUT}\))』および『インダクタ\(L_2\)→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。

SEPICコンバータの出力電圧の式

SEPICコンバータの出力電圧の式

SEPIC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{D}{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。(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\(\displaystyle\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\)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\(\displaystyle\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\)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\(\displaystyle\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\)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0.6の場合と0.4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{0.6}{1-0.6}V_{IN}=\frac{3}{2}V_{IN}\tag{3}\\
\\
V_{OUT}&=&\frac{D}{1-D}V_{IN}=\frac{0.4}{1-0.4}V_{IN}=\frac{2}{3}V_{IN}\tag{4}
\end{eqnarray}

SEPICコンバータのシミュレーション

SEPICコンバータのシミュレーション(昇圧時)

SEPIC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\(v_{GS}\)
  • インダクタ\(L_1,L_2\)に流れる電流\(i_{L1},i_{L2}\)
  • 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。

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30V、理想スイッチ\(S\)のオンデューティ比\(D\)は0.6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{0.6}{1-0.6}×30=45{\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45V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0.4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{0.4}{1-0.4}×30=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、降圧動作をしていることが確認できます。

SEPICコンバータのシミュレーション(降圧時)

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まとめ

この記事では『SEPICコンバータ』について、以下の内容を説明しました。

  • SEPICコンバータとは
  • SEPICコンバータの原理・計算式・シミュレーション

お読み頂きありがとうございました。

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