降圧コンバーターのしくみ

以下の記事は、降圧コンバータがどのように機能するかに関する包括的なノウハウを示しています。

名前が示すように、降圧コンバータは入力電流に対抗または制限するように設計されており、供給された入力よりもはるかに低い出力を引き起こす可能性があります。

言い換えると、入力電圧よりも低い計算された電圧または電流を取得するために使用できる降圧コンバータと見なすことができます。

の働きについてもっと学びましょう 電子回路の降圧コンバータ 次の議論を通して：

降圧コンバーター

通常、SMPSおよびMPPT回路で使用されている降圧コンバータは、電力出力、つまりV x I値に影響を与えたり変更したりすることなく、出力電圧を入力ソース電力よりも大幅に下げる必要があります。

降圧コンバータへの供給源は、ACコンセントまたはDC電源からである可能性があります。

降圧コンバータは、入力電源と負荷全体で電気的絶縁が決定的に必要とされないアプリケーションにのみ使用されますが、入力が主電源レベルである可能性があるアプリケーションでは、通常、絶縁トランスを介してフライバックトポロジが使用されます。

降圧コンバータのスイッチングエージェントとして使用される主なデバイスは、MOSFETまたはパワーBJT（2N3055など）の形式である可能性があります。これらは、統合された発振器ステージを介して高速でスイッチングまたは発振するように構成されています。そのベースまたはゲート。

降圧コンバータの2番目に重要な要素はインダクタLです。インダクタLは、オン期間中にトランジスタからの電気を蓄積し、オフ期間中にそれを解放して、指定されたレベルで負荷への継続的な供給を維持します。

この段階は、 「フライホイール」 その機能は、外部ソースからの定期的なプッシュの助けを借りて、継続的かつ安定した回転を維持できる機械的なフライホイールに似ているため、ステージ。

ACまたはDCを入力しますか？

降圧コンバーターは基本的にDC-DCコンバーター回路であり、バッテリーやソーラーパネルなどのDC電源から電源を取得するように設計されています。これは、ブリッジ整流器とフィルターコンデンサーを介して達成されるAC-DCアダプター出力からのものである可能性もあります。

降圧コンバータへの入力DCのソースが何であっても、PWMステージとともにチョッパー発振回路を使用して常に高周波に変換されます。

次に、この周波数は、必要な降圧コンバータの動作のためにスイッチングデバイスに供給されます。

降圧コンバータの動作

降圧コンバータの動作に関する上記のセクションで説明したように、また次の図に示すように、降圧コンバータ回路には、スイッチングトランジスタと、ダイオードD1、インダクタL1、およびコンデンサC1を含む関連するフライホイール回路が含まれます。

トランジスタがオンの期間中、電力は最初にトランジスタを通過し、次にインダクタL1を通過し、最後に負荷に到達します。その過程で、インダクタはその固有の特性により、エネルギーを蓄えることによって突然の電流の導入に対抗しようとします。

L1によるこの反対は、印加された入力からの電流が負荷に到達し、最初のスイッチング瞬間のピーク値に到達するのを抑制します。

ただし、その間にトランジスタはスイッチオフフェーズに入り、インダクタへの入力電源を遮断します。

電源をオフにすると、L1は再び電流の突然の変化に直面し、その変化を補償するために、接続された負荷全体に蓄積されたエネルギーを洗い流します。

トランジスタスイッチの「オン」期間

上の図を参照すると、トランジスタがスイッチオンフェーズにある間、電流は負荷に到達できますが、スイッチオンの最初の瞬間には、インダクタが突然の印加に対抗するため、電流が大幅に制限されます。それを流れる電流。

ただし、プロセスでは、インダクタはそれに電流を蓄積することによって動作に応答して補償します。もちろん、一部の部分では、電源が負荷に到達し、コンデンサC1にも到達します。コンデンサC1は、電源の許容部分も蓄積します。 。

上記が発生している間、D1カソードは完全な正の電位を経験し、逆バイアスを維持し、L1の蓄積エネルギーが負荷を介して負荷を横切るリターンパスを取得できないことも考慮に入れる必要があります。この状況により、インダクタは漏れなくエネルギーを蓄積し続けることができます。

トランジスタスイッチの「オフ」期間

上の図を参照すると、トランジスタがスイッチング動作を元に戻すと、つまり、トランジスタがオフになるとすぐに、L1は再び突然の電流のボイドで導入され、それに応答して、蓄積されたエネルギーを負荷に向けて解放します。同等の電位差の形。

ここで、T1がオフになっているため、D1のカソードは正の電位から解放され、順方向ベースの条件で有効になります。

D1の順方向バイアス状態により、解放されたL1エネルギーまたはL1によってキックされた逆方向EMFは、負荷D1を通過してL1に戻るサイクルを完了することができます。

プロセスが完了している間、L1エネルギーは、負荷の消費により指数関数的に低下します。 C1が救助に来て、L1 EMFを支援または支援するために、負荷に独自の蓄積電流を追加します。これにより、トランジスタが再びオンになってサイクルがリフレッシュされるまで、負荷に適度に安定した瞬時電圧が確保されます。

手順全体で、入力ソースからの比較的大きなピーク電圧ではなく、供給電圧と電流の計算された部分のみが負荷に許可される、目的の降圧コンバータアプリケーションの実行が可能になります。

これは、入力ソースからの巨大な方形波ではなく、小さなリップル波形の形で見られる場合があります。

上記のセクションでは、バックコンバーターがどのように機能するかを正確に学習しました。次の説明では、バックコンバーターに関連するさまざまなパラメーターを決定するための関連式について詳しく説明します。

降圧コンバータ回路の降圧電圧を計算するための式

上記の決定から、L1内の最大蓄積電流はトランジスタのオン時間に依存する、またはL1の逆起電力はLのオン時間とオフ時間を適切に測定することで測定できると結論付けることができます。これは、出力も意味します。降圧コンバータの電圧は、T1のオン時間を計算することで事前に決定できます。

降圧コンバータの出力を表す式は、以下の関係で確認できます。

V（out）= {V（in）x t（ON）} / T

ここで、V（in）はソース電圧、t（ON）はトランジスタのオン時間です。

Tは、「周期時間」またはPWMの1つの完全なサイクルの期間、つまり1つの完全なオン時間+1つの完全なオフ時間を完了するのにかかる時間です。

解決例：

解決した例を使用して、上記の式を理解してみましょう。

降圧コンバータがV（in）= 24Vで動作している状況を想定しましょう

T = 2ms + 2ms（オン時間+オフ時間）

t（ON）= 1ms

これらを上記の式に代入すると、次のようになります。

V（出力）= 24 x 0.001 / 0.004 = 6V

したがって、V（out）= 6V

ここで、t（ON）= 1.5msにして、トランジスタ時間を増やしましょう。

したがって、V（out）= 24 x 0.0015 / 0.004 = 9V

上記の例から、降圧コンバータでは、トランジスタのスイッチング時間t（ON）が出力電圧または必要な降圧電圧を制御することがかなり明らかになります。したがって、0〜V（in）の任意の値は、適切な寸法を設定するだけで実現できます。スイッチングトランジスタのオン時間。

負電源用バックコンバータ

これまでに説明した降圧コンバータ回路は、出力が入力グランドを基準にして正の電位を生成できるため、正の電源アプリケーションに適合するように設計されています。

ただし、負の電源を必要とする可能性のあるアプリケーションの場合、設計をわずかに変更して、そのようなアプリケーションと互換性を持たせることができます。

上の図は、インダクタとダイオードの位置を入れ替えるだけで、利用可能な共通グランド入力に対して、降圧コンバータからの出力を反転または負にすることができることを示しています。