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VOUTが入力電圧VINよりも低くなる回路であり、MOSFETQ、コイル(インダクタ)L、ダイオードD、出力コンデンサCOUT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、MOSFETQのON時にコイルLにエネルギーを蓄え、MOSFETQ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。
MOSFETQのON時間が長いほど、出力電圧VOUTは高くなり、MOSFETQのON時間が短いほど、出力電圧VOUTは低くなります。そのため、MOSFETQのオンデューティ比D(1周期Tにおけるオン期間TONの割合)を制御することで、所望の出力電圧VOUTを得ることができます。
降圧コンバータのイメージ
MOSFETQをON/OFFすることで、A点の電圧VAはパルス波形となります。このパルス電圧VAをコイルLと出力コンデンサCOUT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VOUTが入力電圧VINよりも低くなるイメージが湧くと思います。
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。MOSFETQが『ONの時』と『OFFの時』に分けて考えます。
MOSFETQがONの時
MOSFETQがONの時、電流経路は『入力電圧VIN→MOSFETQ→コイルL→出力部(出力コンデンサCOUT＋負荷抵抗ROUT)』となります。この期間では、出力コンデンサCOUTを充電すると同時に、負荷抵抗ROUT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、MOSFETQ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iL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。
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インダクタンスL[H]のコイルに流れている電流がI[A]の時、コイルに蓄えられているエネルギーU[J]は次式で表されます。
U=12LI2[J]
コイルのエネルギーU[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。
MOSFETQがOFFの時
MOSFETQ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COUT＋負荷抵抗ROUT)→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COUTに充電されている電荷が負荷抵抗ROUT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iL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VOUTは次式となります。
上式において、オンデューティ比DはMOSFETQの1周期Tにおけるオン期間TONの割合なので、次式で表されます。
D=TONT=TONTON+TOFF=TON×fSW(2)
(2)式において、fSWはMOSFETQ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VOUTは入力電圧VIN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TONが半分の場合)、次式に示すように理論上は出力電圧VOUTは入力電圧VINの12倍となります(実際には、ダイオードDやMOSFETQなどの損失があるため、出力電圧VOUTは12倍よりも小さくなります)。
VOUT=DVIN=0.5VIN=12VIN(3)
降圧コンバータのシミュレーション
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
- 入力電圧VIN
- 出力電圧VOUT
- スイッチSの駆動信号vGS
- コイルLに流れる電流iL
- スイッチSに流れる電流iS
- ダイオードDに流れる電流iD
となっています。
シミュレーション結果を見ると、入力電圧VINは10V、オンデューティ比Dは0.5なので、出力電圧VOUTが5Vになっていることが確認できます。なお、シミュレーション回路ではMOSFETQ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。
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LTspiceで理想スイッチと理想ダイオードを作る方法については、下記の記事で説明してますので、ご参考になれば幸いです。
『降圧コンバータ』と『昇圧コンバータ』の違い
昇圧コンバータも降圧コンバータと同様に、コイルL、MOSFETQ、ダイオードD、出力コンデンサCOUTで構成されていますが、上図に示すように、各部品の接続箇所が異なります。
降圧コンバータも昇圧コンバータもMOSFETQがオンの時にコイルLにエネルギーを蓄えるのは同じです。
降圧コンバータはMOSFETQがOFFの時に『コイルLに蓄えられたエネルギー』のみ出力部に供給していますが、昇圧コンバータはMOSFETQがOFFの時に『入力電圧VINからの供給エネルギー+コイルLに蓄えられたエネルギー』を出力部に供給しています。
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昇圧コンバータの原理や特徴については、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。
まとめ
この記事では『降圧コンバータ』について、以下の内容を説明しました。
- 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
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