連 載[ 反転型コンバータと新型コンバータ【後編】〜電圧を反転/昇降圧する〜

馬場 清太郎Seitaro Baba

「新型コンバータ」は，内部に入れた直列コンデン
しゃだん
サにより入出力間を直流的に遮断しています．入出力

今回は，前回で解析した新型コンバータ 3 種（昇降圧型： SEPIC コンバータと Zeta コンバータ，反転部分の並列コンデンサにエネルギーを蓄積するのは，型： Cuk コンバータ）を実際に設計/製作してみます．

新型コンバータも従来型コンバータと同様ですが，従来型コンバータが内部のインダクタにエネルギーを蓄

文献を見ても新型コンバータについては回路トポロジの紹介に留まることが多く，実際の解析，設計，製作積するのに対し，新型コンバータはインダクタだけでなく直列コンデンサにもエネルギーを蓄積します．こ

例が取り上げられることは少ないので参考になるでしょう．の点が従来型コンバータと大きく異なる点です．
表 14 − 1 新型コンバータの設計手順①仕様決定④インダクタ電流の計算

コンバータ名称

SEPIC

Zeta

CukIinVoutIout /（ηVin ）1.111 A

機能昇降圧昇降圧

反転IL 1Iin

1.111 AIL 2

IL（1− D ）/D1出力電圧│V out │

出力電流

Iout

1A

入力電圧

Vin

12 V ± 3 V

スイッチング周波数 f SVr

出力リプル電圧

12 V ± 0.6 V（5％）

80 kHz120 mVP − （P V out の 1 ％）

②経験による条件仮定
効率

L 1 電流リプル率
L 2 電流リプル率

η0.9

k1

0.3

再計算

0.313

k2

0.3

再計算

0.293

④で選定したインダクタンス値が計算値と大幅に異なったとき は， 前 回 の 式（13 − 13），（13 − 14）に よ り k 1，k 2 を 求 め る．
以下（）
内は再計算値IL（1 ＋ k /2）

IL 2maxIL（1 ＋ k /2）

L

式（13 − 15）

1.228 A
（1.224 A）
229.5 μH
（220 μH）⑤結合コンデンサ C 1 の計算

C1

耐圧

15 V
（V in max）

12 V
（V out ）式（13 − 23）

3.60 μF

式（13 − 24）

1.093 A

27 V
（V in max ＋Vout ）C 1 決定 カタログより 470 μF・35 V（許容リプル電流：1.43 A）

TS

1/f S

12.5 μs

VD 1

D 1 順方向電圧
Vout ＋ VD
Vin ＋ Vout ＋ VD

0.5 V
0.51

⑥出力コンデンサの計算

SEPIC

Zeta/CukID RMS式（13 − 19）

1.528 A−IC 2RMS式（13 − 20）

1.335 A−IC 2RMS式（13 − 25）−90 mA

C 2 ＋ ESR

カタログより1500 μF ＋45 mΩ

470 μF ＋130 mΩ

式（13 − 21）

4.3 mV−式（13 − 26）−

1.1 mV式（13 − 22）

114 mV−式（13 − 27）−

44.1 mV

VrC
VrESR

232

（1.304 A）

選 択 し た L 1 が 計 算 値 と 異 な る と き は 再 度 ② へ．I L 1max ＋
IL 2max ＝ 2.53 Amax はすべての半導体の最大電流と等しいから，この値でパワー MOSFET，ダイオードを選択する

IC 1RMS③基本パラメータの計算

D

IL 1max

1.068 A
1.278 A

2008 年 1 月号

個別のインダクタを 2 個使用します．
入力電圧 Vin と出力電圧 Vout が等しいとして，L1 と新型コンバータの比較実験〈承前〉

L2 を同一の値 L としましたが，常用の Vin が Vout と大きく異なるときは，設計計算式を求め直して L 1 と L 2● パワー系の設計を異なった値にしたほうが動作上望ましいです．

前回の反転型コンバータと同様の条件で，新型コンバータ 3 種を設計します．出力を± 12 V/1 A とした設計仕様を表 14 − 1 に示します．設計計算も表 14 − 1● パワー MOSFET のドライブ回路に従います．表中で参照している前回で説明した設計（次ページ）に再度示します．
計算式を図 14 − 1

前回で説明を省略したドライブ回路の動作を図 14 −2 で考えてみます．

直流遮断用コンデンサ C 1 は，図 14 − 1 に示したよ使用したパワー MOSFET を ON するのは，うに，各コンバータによって印加電圧が異なるので要注意です．この C1 は，耐圧と許容リプル電流に余裕

NJM2374AD 内部のパワー・トランジスタです．OFFするのは，IC のドライブ端子とパワー MOSFET のソのある 470 μF 電解コンデンサと 1 μF フィルム・コンデンサの並列としました．出力平滑用コンデンサース間に抵抗を入れて行うとすると，パワー
MOSFET の入力容量 CGS は非常に大きく，抵抗だけ

C2 は，耐圧と許容リプル電流に余裕のある ESR が小さな電解コンデンサを選択しました．表 14 − 1 中の
ESR は反転型コンバータのときと同様に− 10 ℃のときの値です．
インダクタ L 1， L 2 は，専用の 2 巻き線インダクタを使用するのが一般的ですが，ここでは入手の容易なでは急速に OFF できません．そこで，図に示すようにエミッタ・フォロワを入れて急速に OFF します．
エミッタ・フォロワのオン電圧は約 0.7 V で，パワー
MOSFET が OFF するときのゲート電圧は 0.8 V です
から，余裕が 0.1 V しかありません．図に示すようにダイオード 2 個ぶんのバイアス電圧を与えると，OFF

NJM2374AD
IC内部

Q2：2SK2232（60V, 25A, RDS（ON）＝80mΩ）

Vin

VG（ON）＝4V
VG（OFF）＝0.8V

Vin
VQ 1 ＋3VF ＝2.8V

IG（ON）
0.1μ150Ω

Q2VQ 1VF2VFVF

IG1k

VG

6.8Ω

VG

t0V
10k

VF ＝−0.7V

VQ 2 （OFF）
VQ 1 ≒VQ 2 ≒VF ≒0.7V（a）2SK2232のドライブ回路

Vin
NJM2374AD

VF ＝0.7V

IG1k（OFF）

VQ 2VF150Ω

VF

VQ 110k
6.8Ω

VG

0.1μ Q2Vin
VG

IG（ON）

VFt0V

VQ 1 ＋3VF ＝2.8V

IC内部（−60V, −14A, RDS（ON）＝190mΩ）
Q2：2SJ304

VG（ON）＝−4V
VG（OFF）＝−0.8V（b）2SJ304のドライブ回路

図 14 − 2 パワー MOSFET のドライブ回路
パワー MOSFET をドライブするには入力容量 CGS（≫ Ciss）を急速に充放電する必要がある．特に OFF する場合，│VG（OFF）│＝
0.8 V と低電圧になるため，ダイオード 2 個とコンデンサの並列回路を直列に入れて，OFF 電圧を余裕をもって確保している

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