昇圧チョッパ回路の原理イメージ

 

　”降圧チョッパ回路の原理イメージ”に続いて，今回は昇圧チョッパ回路の解説をしていくことにしよう．まずは下記の図1において代表的な昇圧チョッパ回路の構造を示す．

 

図1.昇圧チョッパ回路（ブーストコンバータ）の基本構造

 

 

　中央のインダクタの右端には電圧\(V_{out}\)に充電されている負荷と\(0V\)とへ交互に接続されている．初めてこの回路を見たとき，インダクタの右端をGNDに導通させることはエネルギーの無駄使いのように思えてしまうかもしれないが，左側の直流電源が投じたエネルギーはインダクタに蓄えられるので原理的にはエネルギーロスはない．この回路がなぜ電圧を高めることができるのか，この記事の後半で考えていくこととして，まずはこのスイッチング動作を実際の半導体デバイスでどのように達成するのか，次の図2で示す．

 

図2.昇圧チョッパ回路の実施例

 

 

　ここでも降圧チョッパ回路のときと同様，MOSFETをスイッチングデバイスとして話を進める．最近のものでは比較的低容量（低圧）の場合はMOSFETが，大容量で耐圧も必要になる場合はIGBTなどが主に用いられる．MOSFETやIGBTは高速スイッチが可能だからである．特に回路基板上などにある低圧用途のMOSFET型チョッパ回路ではスイッチング周波数が数\(MHz\)オーダーにできるので，出力のリップルを大幅に改善することができる．

　それでは次に，このMOSFETを開閉すると，回路にどのように電流が流れるのか，図3で見てみよう．

 

図3.MOSFETがONのとき（左）とOFFのとき（右）

 

 

　まずMOSFETがONのときは，図3の左側に示すようにインダクタの右端がGNDと導通するので，電流は増加していく．ここでMOSFETをOFFにすると，インダクタの電流は急には0にならないので，ダイオードを介して高圧側（出力側）に電流が注入される．つまりMOSFETがONのときにインダクタに蓄えられて来たエネルギーが一気に高圧側に吐き出されるのである．

　この詳しい電圧変動のイメージ解説は書籍などで触れるとして，最後に， この昇圧チョッパ回路のインダクタに蓄えたエネルギーを放出することで高電圧の直流を生成するイメージを，力学系に喩えて直感的にとらえてみよう．

 

図4.昇圧チョッパ回路を力学系に喩えると

 

 

　この図4は，昇圧チョッパ回路と微分方程式の上で全く等価になるように作りあげた力学系である．図4の左側は，図3の左側，つまりMOSFETがONしているときに対応し，図4の右側は図3の右側，つまりMOSFETがOFFしているときに対応している．そしてハンマがインダクタを表している．ハンマに力を加える（インダクタに電圧を与える）ときハンマは加速（インダクタの電流は増加）する．そしてMOSFETがOFFしたときはハンマが中央の台に衝突したときである．この台は右にしか動かないようになっているのでダイオードを表している．台は鉄球の重みで強く左に引っ張られている（ダイオードに強い逆バイアスがかかっている）が，ハンマが衝突したとき非常に大きな力が一瞬右に働くので，台は少しだけ右にずれる．これを繰り返すことにより，ハンマを加速していた力（入力側の電源電圧）よりも大きな力（高い電圧）を発揮することができるのだ．

　そして，このハンマの連打が非常に高速（スイッチング周波数が高い）なので，十分長いバネ（十分大きな容量）のクッションの効果も手伝って，鉄球は一定速度で持ち上げられる．このようにインダクタの慣性力を使って小さな力を蓄えて大きな力に変換することができるのである．これこそが，昇圧チョッパの原理イメージである．

 

 

 

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