前回に続き、昇圧DC／DCコンバータの基礎について取り上げます。まず、前回の内容を簡単に要約しておきます。
前回のおさらい
１．昇圧比
昇圧比は、デューティーサイクルのみで決まる。
昇圧比＝(ON時間＋OFF時間)／OFF時間＝100／(100－D)
Dはデューティーサイクルで、ON時間とスイッチング周期との比率（％）。
２．インダクタ電流
インダクタに流れる平均電流は、以下のようになる。
平均インダクタ電流＝出力電流×昇圧比＝入力電流
インダクタ電流の三角波成分（リップル電流）は、インダクタ値に反比例、入力電圧に比例、デューティーサイクルに比例、スイッチング周波数に反比例し、出力電流には関係しない。
【注記】インダクタ電流は連続的に流れていることが前提となっています。下記の項目についても同様です。
今回の内容
実用的な電源回路を構成するためには、フィードバック回路によって、出力電圧を安定化する必要があります。このフィードバック回路については、内容が煩雑、かつ、個別的ですので、取り上げる予定はありませんが、コンバータ回路の「裸」の過渡応答を調べてみました。さらに、発展応用の一例として、高昇圧比を実現する回路のアイデアを紹介したいと思います。
３．過渡応答
昇圧比は、デューティーサイクルで決まっているわけですから、入力電圧が一定であれば、負荷電流が変動しても、定常的には、出力電圧は変化しません。しかしながら、過渡的には、リンギングが発生します。
これは、インダクタと出力コンデンサで構成されるLC共振回路に誘起される減衰振動です。面白いことに、この振動周波数は、デューティーサイクルで変化します。トランジスタスイッチがONしている期間は、ダイオードがOFFしていますので、共振回路の状態が保存されるためです。つまり、インダクタの電流、および、コンデンサの電圧が、サンプルホールドされている、と考えられます。実は、共振周波数がスイッチングによって変化する現象は、初めて気が付いたのですが、なにかに応用できるかもしれません。
入力電圧が変動すれば、当然のことながら、出力電圧は定常的にも変動します。この場合でも、過渡応答は、負荷変動時と同様です。
４．高昇圧比の実現
デューティーサイクルを99％にすれば、100倍の昇圧比となるはずですが、実現は無理でしょう。100倍は大げさですが、10倍以上の昇圧比にしたい場合もあると思います。
あくまでもアイデアですが、倍圧、あるいは、N倍圧にする回路があります。倍圧整流回路、あるいは、ブースト回路としてご存知の方も居られると思いますが、それらと同じ動作原理の回路です。シミュレーションファイルを参照してください。十分な検討、試作評価を行えば、実用になるのではないか、と思います。
DC／DCコンバータには、昇圧のほかに、降圧、昇降圧、反転がありますが、これらについても、順次取り上げる予定です。
今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、リニアテクノロジーのサイトよりLTspiceIVをダウンロードしてご利用下さい。
