Loading article…
DC -DC コンバータは、直流(DC)電源をある電圧レベルから別の電圧レベルに変換する電子回路または電気機械装置です。これは電力コンバータの一種です。電力レベルは、非常に低いレベル (小型バッテリー) から非常に高いレベル (高電圧電力伝送) まであります。
歴史
パワー半導体が開発される前は、低電力アプリケーションで DC 電源の電圧をより高い電圧に変換する方法の 1 つは、バイブレータを使用して AC に変換し、次に昇圧トランスを使用して、最後に整流器を使用して変換することでした。[1] [2]より高い電力が必要な場合は、モータージェネレータユニットがよく使用され、電気モーターが目的の電圧を生成するジェネレータを駆動しました。(モーターとジェネレータは別々のデバイスである場合もあれば、外部のパワーシャフトなしで 1 つの「ダイナモーター」ユニットに組み合わせることもできます。) これらの比較的非効率で高価な設計は、他に選択肢がない場合、たとえばカーラジオに電力を供給する場合にのみ使用されました (当時は、6 V または 12 V の自動車バッテリーから得られる電圧よりもはるかに高い電圧を必要とする熱電子バルブ (チューブ) を使用していました)。[1]
パワー半導体と集積回路の導入により、以下に説明する技術を使用することで経済的に実現可能になりました。たとえば、最初はDC電源を高周波ACに変換し、トランスの入力として使用します。トランスは高周波のため小型で軽量で安価です。これにより電圧が変化し、整流されてDCに戻ります。[3] 1976年までにトランジスタカーラジオ受信機には高電圧は不要になりましたが、アマチュア無線家の中には、トランジスタ電源が利用可能であったにもかかわらず、高電圧を必要とするモバイルトランシーバーにバイブレーター電源とダイナモーターを引き続き使用していた人もいました。 [4]
リニア レギュレータや抵抗器を使用して高電圧から低電圧を得ることは可能でしたが、これらの方法では余分な電圧が熱として放散され、エネルギー効率の高い変換はソリッド ステート スイッチ モード回路によってのみ可能になりました。
用途
DC-DC コンバータは、主にバッテリーから電力を供給される携帯電話やラップトップ コンピューターなどのポータブル電子機器で使用されます。このような電子機器には、多くの場合、複数のサブ回路が含まれており、それぞれがバッテリーまたは外部電源から供給される電圧レベル要件とは異なります (電源電圧よりも高い場合や低い場合もあります)。さらに、バッテリー電圧は、蓄積されたエネルギーが消耗するにつれて低下します。スイッチ式 DC-DC コンバータは、部分的に低下したバッテリー電圧から電圧を上昇させる方法を提供し、複数のバッテリーを使用して同じことを行う代わりに、スペースを節約します。
ほとんどの DC-DC コンバータ回路は、出力電圧も調整します。例外としては、LED を流れる電流を調整する一種の DC-DC コンバータである高効率LED 電源や、出力電圧を 2 倍または 3 倍にする単純なチャージ ポンプなどがあります。
太陽光発電システムや風力タービンのエネルギー収穫を最大化するように設計された DC-DC コンバータは、パワーオプティマイザと呼ばれます。
50～60 Hz の商用周波数での電圧変換に使用される変圧器は、数ワットを超える電力では大きくて重くなければなりません。そのため高価であり、巻線でのエネルギー損失やコアの渦電流によるエネルギー損失の影響を受けます。変圧器またはインダクタを使用する DC-DC 技術は、はるかに高い周波数で動作し、はるかに小型で軽量で安価な巻線部品のみを必要とします。その結果、これらの技術は商用変圧器を使用できる場合でも使用されます。たとえば、家庭用電子機器の場合、商用電圧を DC に整流し、スイッチモード技術を使用して目的の電圧の高周波 AC に変換してから、通常は DC に整流することが望ましいです。複雑な回路全体は、同じ出力の単純な商用変圧器回路よりも安価で効率的です。DC-DC コンバータは、さまざまな電圧レベルの DC マイクログリッド アプリケーションで広く使用されています。
電子変換
スイッチングコンバータまたはスイッチモードDC-DCコンバータは、入力エネルギーを一時的に蓄え、そのエネルギーを異なる電圧（より高い場合も低い場合もある）で出力に放出します。蓄えは、磁場蓄電部品（インダクタ、トランス）または電界蓄電部品（コンデンサ）のいずれかに行われます。この変換方法は、電圧を上げたり下げたりすることができます。スイッチング変換は、不要な電力を熱として消費するリニア電圧調整よりも電力効率が高いことがよくあります（一般的な効率は75％～98％）。効率を上げるには、半導体デバイスの立ち上がり時間と立ち下がり時間が速いことが必要ですが、これらの高速遷移とレイアウトの寄生効果が組み合わさって、回路設計が難しくなります。[5]スイッチングモードコンバータの効率が高いため、必要なヒートシンクが減り、ポータブル機器のバッテリーの持続時間が長くなります。1980年代後半以降、パワーFETの使用により効率が向上しました。パワーFETは、パワーバイポーラトランジスタよりも高い周波数でスイッチング損失が少なく、より効率的にスイッチングでき、より複雑な駆動回路を使用しません。 DC-DCコンバータのもう一つの重要な改善点は、フライバックダイオードを同期整流[6]に置き換えたことです。同期整流にはパワーFETを使用します。パワーFETの「オン抵抗」ははるかに低く、スイッチング損失が低減します。パワー半導体が広く普及する前は、低電力DC-DC同期コンバータは、電気機械式バイブレータと、それに続く真空管または半導体整流器に電力を供給する電圧ステップアップトランス、またはバイブレータ上の同期整流器接点で構成されていました。
ほとんどの DC-DC コンバータは、専用の入力から出力への一方向にのみ電力を移動するように設計されています。ただし、すべてのスイッチング レギュレータ トポロジは双方向にすることができ、すべてのダイオードを独立して制御されるアクティブ整流に置き換えることで、どちらの方向にも電力を移動できるようになります。双方向コンバータは、たとえば、車両の回生ブレーキを必要とするアプリケーションで役立ちます。この場合、走行中は車輪に電力が供給され、ブレーキ時には車輪から電力が供給されます。
スイッチングコンバータは必要な部品点数は少ないものの、電子的に複雑です。他の高周波回路と同様に、安定した動作を実現し、スイッチングノイズ（EMI / RFI）を許容レベルに保つには、部品を慎重に指定し、物理的に配置する必要があります。[7]電圧降下アプリケーションではリニアレギュレータよりもコストが高くなりますが、チップ設計の進歩に伴いコストは低下しています。
DC-DC コンバータは、追加のコンポーネントをほとんど必要としない集積回路(IC) として提供されます。コンバータは、電子アセンブリ内ですぐに使用できる 完全なハイブリッド回路モジュールとしても提供されます。
リニア レギュレータは、余分なボルトアンペアを熱として放散することで、入力電圧と出力負荷に関係なく、高いが安定性の低い入力から安定した DC を出力するために使用されます。文字通り DC-DC コンバーターとも言えますが、これは通常の用法ではありません。(後続の電圧レギュレータまたはツェナー ダイオードによって安定化されているかどうかに関係なく、単純な電圧ドロッパ抵抗器についても同じことが言えます。)
また、ダイオードとコンデンサを使用して DC 電圧を整数値で乗算し、通常は小さな電流のみを供給する、 単純な容量性電圧倍増器およびディクソン乗算器回路もあります。
磁気
これらの DC-DC コンバータでは、エネルギーは、通常 300 kHz ～ 10 MHz の周波数範囲内で、インダクタまたはトランスの磁場内に定期的に蓄積され、磁場から放出されます。充電電圧のデューティ サイクル(つまり、オン/オフ時間の比率) を調整することで、負荷に転送される電力量をより簡単に制御できますが、この制御は入力電流、出力電流に適用したり、一定の電力を維持したりすることもできます。トランスベースのコンバータは、入力と出力を分離することができます。一般に、DC-DC コンバータという用語は、これらのスイッチング コンバータの 1 つを指します。これらの回路は、スイッチング モード電源の心臓部です。多くのトポロジが存在します。この表は、最も一般的なものを示しています。
さらに、各トポロジは次のようになります。
- ハードスイッチ
- トランジスタは全電圧と全電流にさらされても素早く切り替わります
- 共鳴する
- LC回路はトランジスタにかかる電圧とトランジスタを流れる電流を整形し、電圧または電流がゼロのときにトランジスタが切り替わるようにする。
磁気 DC-DC コンバータは、主な磁気部品 (インダクタまたはトランス) の電流に応じて、次の 2 つのモードで動作します。
- 連続
- 電流は変動するが、ゼロになることはない
- 不連続
- 電流はサイクル中に変動し、各サイクルの終了時または終了前にゼロになります。
コンバータは、高電力では連続モードで動作し、低電力では不連続モードで動作するように設計される場合があります。
ハーフブリッジトポロジとフライバックトポロジは、磁気コアに蓄積されたエネルギーを放散してコアが飽和しないようにする必要があるという点で似ています。フライバック回路での電力伝送はコアに蓄積できるエネルギー量によって制限されますが、フォワード回路では通常、スイッチの I/V 特性によって制限されます。
MOSFETスイッチは最大電流と最大電圧の同時印加に耐えることができますが(ただし、熱ストレスとエレクトロマイグレーションによりMTBF が短くなる可能性があります)、バイポーラ スイッチでは一般にそれができないため、スナバ(または 2 つ)を使用する必要があります。
高電流システムでは、インターリーブコンバータとも呼ばれる多相コンバータがよく使用されます。[9] [10] [11] 多相レギュレータは、単相レギュレータよりもリップルが少なく、応答時間も短くなります。[12]
多くのラップトップやデスクトップのマザーボードには、インターリーブ型降圧レギュレータが搭載されており、電圧レギュレータモジュールとして搭載されている場合もあります。[13]
双方向DC-DCコンバータ
これらのコンバータの特徴は、エネルギーがコンバータの両方向に流れることです。これらのコンバータはさまざまなアプリケーションで一般的に使用されており、2つのレベルのDC電圧の間に接続され、エネルギーが1つのレベルから別のレベルに転送されます。[14]
- ブースト双方向DC-DCコンバータ
- 降圧双方向DC-DCコンバータ
- 昇降圧非反転双方向DC-DCコンバータ
- 昇降圧反転双方向DC-DCコンバータ
- SEPIC双方向DC-DCコンバータ
- CUK双方向DC-DCコンバータ
ガルバニック絶縁が必要な場合には、複数の絶縁型双方向DC-DCコンバータもよく使用されます。[15]
- 双方向フライバック
- 孤立したĆUKとSEPIC/ZETA
- プッシュプル
- フォワード
- デュアルアクティブブリッジ（DAB）
- デュアルハーフブリッジ
- 半分満杯の橋
- マルチポートDAB
静電容量式
スイッチド キャパシタ コンバータは、異なるトポロジで入力と出力に交互にコンデンサを接続することに依存しています。たとえば、スイッチド キャパシタ リデューシング コンバータは、2 つのコンデンサを直列に充電し、次にそれらを並列に放電する場合があります。これにより、理想的には入力電圧の半分と電流の 2 倍で、同じ出力電力 (100% 未満の効率による損失が少ない) が生成されます。これらは離散的な電荷量で動作するため、チャージ ポンプコンバータと呼ばれることもあります。通常、比較的小さな電流を必要とするアプリケーションで使用されます。これは、高電流では、スイッチ モード コンバータの効率が向上し、サイズが小さいため、より良い選択肢となるためです。[16]また、非常に高い電圧では磁気が壊れるため、非常に高い電圧でも使用されます。
電気機械変換
モーター・発電機セットは、主に歴史的な関心を集めており、電動モーターと発電機が結合して構成されています。発電機モーターは、モーターと発電機の両方の機能を1つのユニットに組み合わせ、1つのローターの周りにコイルを巻き付けます。両方のコイルは同じ外部磁場コイルまたは磁石を共有します。[4]通常、モーターコイルはシャフトの一方の端にある整流子から駆動され、発電機コイルはシャフトのもう一方の端にある整流子に出力します。ローターとシャフトのアセンブリ全体は、2つの機械よりもサイズが小さく、露出した駆動シャフトがない場合があります。
モータージェネレーターは、DC と AC の電圧と位相標準の任意の組み合わせを変換できます。大型のモータージェネレーター セットは、産業用電力の変換に広く使用されていましたが、小型ユニットは、バッテリー電力 (6、12、または 24 V DC) を真空管(熱電子バルブ) 機器の動作に必要な高 DC 電圧に変換するために使用されていました。
車のバッテリーから供給される電圧よりも高い電圧で低電力が必要な場合は、バイブレーターまたは「ブザー」電源が使用されました。バイブレーターは機械的に振動し、接点がバッテリーの極性を1秒間に何度も切り替え、DCを矩形波ACに効果的に変換し、必要な出力電圧の変圧器に供給します。[1]バイブレーターは特徴的なブザー音を発します。
電気化学変換
キロワットからメガワットの範囲での DC から DC への変換のさらなる手段として、バナジウムレドックス電池などのレドックスフロー電池が挙げられます。
混沌とした行動
DC-DCコンバータは、分岐、[17]、危機、間欠性[18]、[19]などのさまざまな種類のカオスダイナミクスの影響を受けます。
用語
- 降圧
- 出力電圧が入力電圧よりも低いコンバータ（降圧コンバータなど）。
- ステップアップ
- 入力電圧より高い電圧を出力するコンバータ（昇圧コンバータなど）。
- 連続電流モード
- 誘導エネルギー貯蔵庫内の電流、ひいては磁場は決してゼロになりません。
- 不連続電流モード
- 誘導エネルギー貯蔵庫内の電流、ひいては磁場はゼロに達するか、ゼロを横切る可能性があります。
- ノイズ
- 不要な電気的および電磁的信号ノイズ、通常はスイッチングアーティファクト。
- RFノイズ
- スイッチングコンバータは、本質的にスイッチング周波数とその高調波で電波を放射します。スプリットパイコンバータ、フォワードコンバータ、連続電流モードのĆukコンバータなど、三角形のスイッチング電流を生成するスイッチングコンバータは、他のスイッチングコンバータよりも高調波ノイズが少なくなります。[20] RFノイズは電磁干渉（EMI）を引き起こします。許容レベルは要件によって異なります。たとえば、RF回路に近い場合は、規制を満たすだけでなく、さらに抑制する必要があります。
- コイル一体型DC/DCコンバータ
- これらには、電源制御 IC、コイル、コンデンサ、抵抗器などが含まれる場合があり、単一の統合ソリューションで少数のコンポーネントを使用することで実装スペースを削減します。
- 入力ノイズ
- 入力電圧には無視できないノイズが含まれる場合があります。また、コンバータが入力に急激な負荷エッジをかけると、コンバータは供給電源ラインから RF ノイズを放出する可能性があります。これは、コンバータの入力段で適切なフィルタリングを行うことで防止できます。
- 出力ノイズ
- 理想的な DC-DC コンバータの出力は、平坦で一定の出力電圧です。しかし、実際のコンバータは、ある程度の電気ノイズが重畳された DC 出力を生成します。スイッチング コンバータは、スイッチング周波数とその高調波でスイッチング ノイズを生成します。さらに、すべての電子回路には熱ノイズがあります。一部の敏感な無線周波数回路やアナログ回路では、リニア レギュレータでしか供給できないほどノイズの少ない電源が必要です。[21]比較的ノイズの少ない電源を必要とするアナログ回路では、たとえば方形波ではなく連続した三角波形を使用するなど、ノイズの少ないスイッチング コンバータを使用できます。[20] [検証失敗]
参照
参考文献
- ^ abc 「バイブレーター電源装置」Radioremembered.org 。 2016年1月18日閲覧。
- ^ Ed Brorein (2012-05-16). 「Watt's Up?: 古いものが再び新しくなる: ビンテージ自動車ラジオのソフトスイッチングと同期整流」。Keysight Technologies: Watt's Up? 。2016-01-19に閲覧。
- ^ サイラトロンガス入り管を使用した非常に大型（冷蔵庫サイズのキャビネット3つ分）で複雑なトランジスタ以前のスイッチングレギュレータの例が少なくとも1つあるが、それらはDC-DC変換用というよりはレギュレータとして使用されているようだ。これは1958年のIBM 704コンピュータの電源で、90kWの電力を使用していた。[1]
- ^ ab アマチュア無線ハンドブック 1976、ARRL出版、p331-332
- ^ Andy Howard (2015-08-25). 「DC-DCコンバータの設計方法」YouTube . 2015-10-02閲覧。
- ^ Stephen Sangwine (2007 年 3 月 2 日)。電子部品とテクノロジー、第 3 版。CRC プレス。p. 73。ISBN 978-1-4200-0768-8。
- ^ Integrated Device Technology, Inc. の Jeff Barrow (2011 年 11 月 21 日)。「DC/DC スイッチング コンバータのグラウンド ノイズを理解して低減する」。Eetimes.com。2016年1月 18 日閲覧。
- ^ 「98% の効率を 実現する 11kW、70kHz LLC コンバーター設計」。2020 年 11 月: 1–8。doi :10.1109/COMPEL49091.2020.9265771。S2CID 227278364 。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ Damian Giaouris 他「電流制御インターリーブブーストコンバータにおけるトーラスの折り畳みと斜面」 doi :10.1002/cta.1906。
- ^ Ron Crews および Kim Nielson、「インターリーブはブースト コンバータにも有効」、2008 年。
- ^ Keith Billings. 「インターリーブコンバータの利点」 2003 年。
- ^ John Gallagher「結合インダクタによる多相降圧効率の向上」2006年。
- ^ Juliana Gjanci. 「システムオンチップにおける電力管理のためのオンチップ電圧調整」Wayback Machineに 2012-11-19 にアーカイブ。2006 年、p. 22-23。
- ^ 第 1 章 はじめに 双方向 DC-DC コンバータ palawanboard.com
- ^ 双方向 DC-DC 電力コンバータのトポロジと制御方式: 概要 https://ieeexplore.ieee.org
- ^ Majumder, Ritwik; Ghosh, Arindam; Ledwich, Gerard F.; Zare, Firuz (2008). グリッド接続モードとアイランドモード間のシームレスな転送による負荷分散のための並列コンバータの制御。ISBN 9781424419067. 2016年1月19日閲覧。
{{cite book}}:|website=無視されました (ヘルプ) - ^ Tse, Chi K.; Bernardo, Mario Di (2002).スイッチング電力コンバータの複雑な動作。IEEE の議事録。pp. 768–781。
- ^ Iqbal, Sajid; et al. (2014). 「離散時間マップを使用した DC-DC ブーストコンバータの分岐とカオスの研究」2014 国際メカトロニクスおよび制御会議 (ICMC) IEEE 国際メカトロニクスおよび制御会議 (ICMC'2014) 2014. pp. 1813–1817. doi :10.1109/ICMC.2014.7231874. ISBN 978-1-4799-2538-4。
- ^ Fossas, Enric; Olivar, Gerard (1996). 「降圧コンバータにおけるカオスの研究」。回路とシステム I: 基本理論とアプリケーション、IEEE Transactions on: 13–25。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ ab -5V 14 ビットの静音化、リニアテクノロジーアプリケーションノート 84、Kevin Hoskins、1997、pp 57-59 のセクション
- ^ Bhimsen (2021-10-30). 「リニア電圧レギュレータとその応用」. electronics fun . 2021-10-30閲覧。
外部リンク
- 電気自動車/ハイブリッド電気自動車向けDC-DCコンバータ技術
- パワーエレクトロニクス書籍
- LCD電源用スイッチングレギュレータアプリケーションノート