降圧チョッパ回路の原理イメージ

 

　それではこれから降圧チョッパ回路の動作イメージを解説していくことにしよう．まずは下記の図1において降圧チョッパ回路の代表的な構造を示す．

 

図1.降圧チョッパ回路（バックコンバータ）の基本構造

 

 

　中央のインダクタの左端には電圧\(V_{in}\)と\(0V\)が交互に印加されており，右側にはその時間平均である\(V_{out}\)という電圧を負荷に供給できるようになっている．このスイッチング動作を実際の半導体デバイスで達成すると，下記の図2のようになる．

 

図2.降圧チョッパ回路の実施例

 

 

　このケースではMOSFETをスイッチングデバイスとしている．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．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，比較的小さなインダクタと平滑化コンデンサとで十分小さな出力リップルを達成している．

　それではこのMOSFETを開閉することで，なぜインダクタに与える電圧を\(V_{in}\)や\(0V\)にできるのか，そのイメージを簡単に示したものが次の図3である．

 

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直流電源とインダクタが導通するのでインダクタの左側には\(V_{in}\)が加わる．次に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GNDから電流を吸い上げる形となる．これは事実上インダクタの左端がGNDと接続された状況とほぼ等価である（ダイオードでの多少の電圧降下はあるが）． また，ダイオードの代わりにもちろんMOSFETなどのスイッチングデバイスを適用することもできる．

　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， この降圧チョッパ回路がインダクタにエネルギーを出し入れして低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.降圧チョッパ回路を力学系に喩えると

 

 

　この図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．また中央の大きな玉はインダクタを表している．玉に力を加える（インダクタに直流電源から電圧を与える）とき玉は加速（インダクタの電流は増加）し，玉に力を加えない（ダイオードを介してインダクタがGNDと接続される）とき玉は減速（インダクタの電流が減少）する．ただ，このスイッチングが非常に高速なので，せわしなく小刻みに加速と減速を繰り返すので，ほとんど玉の速度は一定（電流一定）と見てよい．玉に与える力が欲しい力よりも強い場合（手に入る電圧が必要電圧より高い場合）は，このように断続的に玉に力を与え，その慣性力を使って小さな荷物を持ち上げる（低電圧を供給）という仕組みにしてやることで，過大な力を適切な力に変換することができるのだ．これこそが，降圧チョッパの原理イメージである．

　続いて次は昇圧チョッパの原理イメージを説明していこう．

 

 

 

この項の内容に関する，オリジナル演習問題を絡めた詳細な解説は，

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