非絶縁DC-DCコンバータモジュール降圧型DC-DCコンバータの動作原理について

降圧型DC-DCコンバータの動作原理を図と式を用いて説明します。

降圧型DC-DCコンバータの動作原理について

降圧型DC-DCコンバータ回路

  • Fig. 1は同期整流方式の降圧型DC-DCコンバータの回路になります。
  • スイッチングを担うMOSFET(Q1)の後に整流用MOSFET(Q2)と出力平滑コンデンサ(C2)が並列に、コイルがMOSFET(Q1)と直列になった回路構成が一般的です。
  • Q1とQ2はICから出力されるコントロール信号によって制御されます。
Fig. 1 同期整流方式降圧型DC-DCコンバータ

MOSFET(Q1)がON

  • Fig. 2はスイッチング素子Q1がONしている状態を示します。
  • Q1がONしている時は、電流が入力VinからコイルLを通り、出力平滑コンデンサC2を充電し、出力電流Ioutが供給されます。
  • このときコイルLに流れる電流が磁界を生み、電気エネルギーが磁気エネルギーへと変換され蓄積されます。
Fig. 2 Q1がON状態

Q1がONするton期間にコイルLに入力電圧Vinと出力電圧Voutの電圧が加わり、出力電流Ioutを中心にリップル電流は、

計算式(1)

となります。

ΔIL
Lに流れる電流変化分(リップル電流)[A]
Vin
入力電圧[V]
Vout
出力電圧[V]
L
コイルのインダクタンス[H]
ton
Q1のON時間[s]
イメージ図

MOSFET(Q2)がON

  • Fig. 3はスイッチング素子Q2がONしている状態を示します。
  • Q1がOFFするとQ2がONし、Lに蓄積されたエネルギーが出力側へ放出されます。
Fig. 3 Q2がON状態

Q1がOFFになるtoff期間は、コイルLに流れていた電流を維持するためQ2を介して負荷へ電流を放出します。
このtoff期間のリップル電流は、

計算式(2)

となります。

ΔIL
Lに流れる電流変化分(リップル電流)[A]
Vout
出力電圧[V]
L
コイルのインダクタンス[H]
toff
Q1のOFF時間[s]
イメージ図

オン・デューティ

定常状態では、Q1がONする式(1)とQ2がONする式(2)のΔILが等しくなるため、入出力電圧の関係は、

計算式(3)

となります。

ton/(ton + toff)はQ1がONする時間の比となり、オン・デューティ(On duty)と呼びます。

Voutは、オン・デューティにより決まり、そのオン・デューティを制御することでVoutを制御します。

イメージ図

(ton + toff)をスイッチング周期T[s]、その時のスイッチング周波数をfsw[Hz]とし、式(1)と式(3)をfswに関して整理すると

計算式(4)

となります。

VinおよびVoutが決まっている場合、出力のリップル電流は、Lとfswにより決定します。

リップル電流が大きいと、出力リップル電圧が大きくなります。
また、コイルも飽和しやすく、コア損アップなどの影響がでます。
それらの対策にはスイッチング周波数を高くする、またはコイルのターン数を増やしインダクタンス値を上げる必要があります。

イメージ図