シングルエンド一次インダクタコンバータ

シングルエンド一次インダクタコンバータ（SEPIC ）は、出力の電位（電圧）を入力の電位より大きくしたり、小さくしたり、等しくしたりできるタイプのDC/DCコンバータです。SEPICの出力は、電子スイッチ（S1） のデューティサイクルによって制御されます。

SEPIC は、基本的にブースト コンバータの後に反転バック ブーストコンバータが続くものです。従来のバック ブースト コンバータに似ていますが、いくつかの利点があります。非反転出力 (出力は入力と同じ電気極性) を備えています。入力から出力へのエネルギーを結合する直列コンデンサを使用することで、回路は短絡出力に対してよりスムーズに応答できます。また、真のシャットダウンが可能です。スイッチ S1 が十分にオフになると、出力 ( V ₀ ) は、かなり大きな電荷の過渡的放出の後に 0 V に低下します。^[1]

SEPIC は、バッテリー電圧がレギュレータの想定出力より高くなったり低くなったりするアプリケーションで役立ちます。たとえば、1 つのリチウムイオン バッテリーは通常 4.2 ボルトから 3 ボルトまで放電しますが、他のコンポーネントが 3.3 ボルトを必要とする場合は、SEPIC が有効です。

基本的な SEPIC の回路図を図 1 に示します。他のスイッチング モード電源(特にDC-DC コンバータ) と同様に、SEPIC はコンデンサとインダクタの間でエネルギーを交換し、ある電圧から別の電圧に変換します。交換されるエネルギーの量はスイッチ S1 によって制御されます。スイッチ S1 は通常、 MOSFETなどのトランジスタです 。MOSFET はバイポーラ接合トランジスタ( BJT )よりもはるかに高い入力インピーダンスと低い電圧降下を提供し、BJT の場合のように電流ではなく電圧の差によって MOSFET のスイッチングが制御されるため、バイアス抵抗器を必要としません。

SEPIC は、動作サイクル中にインダクタ L1 および L2 を流れる電流がゼロにならない場合、連続導通モード (「連続モード」) にあると言われます。SEPIC の定常動作中、コンデンサ C1 の両端の平均電圧 ( V _C1 ) は入力電圧 ( V _in ) と等しくなります。^{[なぜ? ]コンデンサ C1 は}直流(DC)をブロックするため、コンデンサ C1 を流れる平均電流 ( I _C1 ) はゼロになり、インダクタ L2 が DC 負荷電流の唯一の発生源になります。したがって、インダクタ L2 を流れる平均電流 ( I _L2 ) は平均負荷電流と同じであり、入力電圧とは無関係です。

平均電圧を見ると、次のように記述できます。

${\displaystyle V_{IN}=V_{L1}+V_{C1}+V_{L2}}}$

V _C1の平均電圧はV _INに等しいため、V _L1 = − V _L2となります。このため、2 つのインダクタを同じコアに巻くことができ、これはトランス絶縁スイッチングモード電源トポロジの最も基本的なフライバックコンバータに似たものになります。電圧の大きさは同じなので、巻線の極性が正しいと仮定すると、相互インダクタンスへの影響はゼロになります。また、電圧の大きさは同じなので、2 つのインダクタからのリップル電流の大きさも等しくなります。

平均電流は次のように合計できます (平均コンデンサ電流はゼロでなければなりません)。

${\displaystyle I_{D1}=I_{L1}-I_{L2}}$

スイッチ S1 がオンになると、電流I _L1が増加し、電流I _{L2 はより負に向かいます。(数学的には、矢印の方向により減少します。) 電流}I _{L1 を}増加させるエネルギーは入力ソースから供給されます。S1 は短時間閉じており、瞬間電圧V _{L1 は}およそV _INであるため、電圧V _L2はおよそ − V _{C1です。したがって、D1 は開き、コンデンサ C1 は}I _L2の電流の大きさを増加させるエネルギーを供給し 、それによって L2 に蓄積されるエネルギーが増加します。I _Lは C2 によって供給されます。これを視覚化する最も簡単な方法は、回路のバイアス電圧を DC 状態で考え、S1 を閉じることです。

スイッチ S1 がオフになると、インダクタは電流の瞬間的な変化を許さないため、電流I _{C1 は}電流I _{L1と同じになります。電流}I _{L2 は}負の方向に流れ続け、実際には方向が逆転することはありません。図から、負のI _{L2 が}電流I _L1に追加され、負荷に供給される電流が増加することがわかります。キルヒホッフの電流法則を使用すると、 I _D1 = I _C1 - I _L2であることが示されます。したがって、S1 がオフの間、電力は L2 と L1 の両方から負荷に供給されると結論付けることができます。ただし、C1 は、このオフ サイクル中に L1 によって充電され (C2 は L1 と L2 によって充電されるのと同様に)、次のオン サイクル中に L2 を再充電します。

コンデンサC1の両端の電位（電圧）はサイクルごとに方向が反転する可能性があるため、無極性コンデンサを使用する必要があります。ただし、場合によっては極性タンタルコンデンサまたは電解コンデンサを使用することもできます。 ^[2]なぜなら、スイッチがインダクタL2との共振の半サイクルの間十分に長く閉じられない限り、コンデンサC1の両端の電位（電圧）は変化せず、この時点でインダクタL1の電流はかなり大きくなる可能性があるためです。

コンデンサ C _{IN は}理想的な回路の解析には影響しませんが、実際のレギュレータ回路では電源の寄生インダクタンスと内部抵抗の影響を低減するために必要です。

SEPIC の昇圧/降圧機能は、コンデンサ C1 とインダクタ L2 によって可能になります。インダクタ L1 とスイッチ S1 は標準の昇圧コンバータを形成し、 V _INよりも高い電圧 ( V _S1 ) を生成します。この電圧の大きさはスイッチ S1 のデューティ サイクルによって決まります。C1 の平均電圧はV _INなので、出力電圧 ( V _O ) はV _S1 - V _INです。V _S1がV _{IN の}2 倍より小さい場合、出力電圧は入力電圧より小さくなります。V _S1がV _{IN の}2 倍より大きい場合、出力電圧は入力電圧より大きくなります。

SEPIC は、動作サイクル中にインダクタ L1 または L2 のいずれかを流れる電流がゼロに低下する 場合、不連続導通モードまたは不連続モードにあると言われます。

ダイオード D1 の電圧降下とスイッチング時間は、SEPIC の信頼性と効率にとって重要です。インダクタに高電圧スパイクが発生してコンポーネントが損傷しないようにするには、ダイオードのスイッチング時間を非常に高速にする必要があります。高速の従来型ダイオードまたはショットキー ダイオードを使用できます。

インダクタとコンデンサの抵抗も、コンバータの効率と出力リップルに大きな影響を与える可能性があります。直列抵抗が低いインダクタでは、熱として消費されるエネルギーが少なくなり、効率が向上します (入力電力の大部分が負荷に伝達されます)。リップルを最小限に抑え、特に電流の方向が頻繁に変わる C1 で熱の蓄積を防ぐために、C1 と C2 には等価直列抵抗 (ESR) が低いコンデンサを使用する必要があります。

• バックブーストコンバータと同様に、SEPIC には脈動出力電流があります。類似のĆuk コンバータにはこの欠点はありませんが、絶縁型 Ćuk コンバータを使用しない限り、出力極性は負のみになります。
• SEPIC コンバータはすべてのエネルギーを直列コンデンサを介して転送するため、高容量で電流処理能力の高いコンデンサが必要です。
• また、コンバータの 4 次特性により、SEPIC コンバータの制御が難しくなり、非常にゆっくりと変化するアプリケーションにのみ適しています。

• スイッチング電源(SMPS)
  • DC-DCコンバータ
    • 降圧コンバータ
    • ブーストコンバータ
    • 昇降圧コンバータ
    • フライバックコンバータ
    • Ćukコンバータ

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