SEPICコンバータとは？原理や計算式などを解説！

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と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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昇降圧コンバータの特徴や原理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。

: 昇降圧コンバータ(昇降圧チョッパ)とは？原理などを解説！
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SEPICコンバータの回路構成

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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フライバックコンバータの特徴や原理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。

: フライバックコンバータとは？原理や計算式などを解説！
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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

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\(V_{OUT}\)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}