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2010年9月 8日 (水)

昇圧型DC-DCコンバータ

Img 昇圧型DC-DCコンバータの原理図の一般的な図である。

SWをONにすると、インダクタンスLの電流I1はSWを経由して電流が流れ、V=LdI1/dtにしたがって電流は時間とともに増加していく。

このとき、ダイオードDは逆方向なので負荷RLには電力は供給されない。

Lに蓄積されるエネルギーは初期値が判らないので、この段階では不明である。

次にSWをオフにすると、I1の向きは急変できないので、Dを経由して負荷RLに電力が供給される。Cが十分大きく、1周期の間の電圧変動を無視し、Dの電圧降下を0と考えるとLにかかる電圧は(Vp-Vo)である。これで、SWがOFF時の電流の時間変化が判る。

定常状態では、電流の増減はないので

Vp=LΔI1/Ton と(Vp-Vo)=ΔI1/Toffが成立する。これをVoについて整理すると

Vo=Vp(Ton+Toff)/Toff が得られ、出力にVpと同一極性でVpより高い電圧が得られる。

コイルを流れる電流が断続しない場合には、(Ton+Toff)/Toff=1/1-となり、Vo=Vp/(1-)となる。 はSWのオン比率である。

実はここからが回路的には勝負である。コイルの電流が断続する場合はどうか、SWを除いて回路図を眺めてみれば、ダイオードDが入っているがLRCの共振回路である。したがって過渡応答特性(起動特性、負荷変動特性)は2次の応答特性の性質をもつだろう。

こんな疑問がわいて当然である。そして、この疑問を解決して初めて回路定数が決まってくるのだ。当然、その解析には時間がかかる。必要に応じて回路シミュレータを使って検証する。

起動時には、相対的に大きなCを充電するので、フルパワーで起動すると定常状態より大きな電流が流れる。そして、Lには過剰なエネルギーが蓄積され、出力電圧のオーバーシュートが生じるので、起動時には徐々に電圧の目標値を上げていかなければならない。(

ソフトスタート)

たったこれだけの回路でも検討事項は数多くある。アナログエンジニアはこのような検討をいくつもこなしているのだ。

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