パワーエレクトロニクス・ワールド

第3回 DC-DCコンバータの回路技術

過去の記事を整理・一部リライトして再掲載したものです。 古い技術情報や、 現在、TDKで扱っていない製品情報なども含まれています。

直流電圧を別の直流電圧に変換するのがDC-DCコンバータの役割。変換効率にすぐれるスイッチング方式のDC-DCコンバータは、電子機器の省電力化や小型・軽量化に貢献。高機能化が進む携帯電話などのモバイル機器にも、多数の小型DC-DCコンバータが搭載されて回路を駆動しています。

電子機器の進歩とともに電源はますます多様化

前号で紹介したように、直流電圧の変換には三端子ICなどを用いたリニア方式のものもありますが、DC-DCコンバータといえばスイッチング方式が主流です。リニア方式は電力の一部を熱として捨てて必要な電圧の直流出力を得る方式。かたやスイッチング方式は、入力された直流をスイッチング素子によってパルス電流に細分し、それらをつなぎ合わせて必要な電圧の直流出力を得る方式です。たとえていえば、リニア方式は丸太をカットしてムクの板材を得るようなもので、どうしても多くの端材がロスとして出てしまうばかりでなく、板幅は丸太の直径以下にかぎられます。一方、スイッチング方式は多数の木片をつなぎあわせた集成材のようなもので、材料を無駄なく使えるうえ、自由な寸法のものが得られるなどのメリットをもちます。リニア方式の変換効率は約30〜50%からせいぜい70%程度にとどまるのに対して、スイッチング方式では80〜90%以上にも及ぶのはこのためです。ユニット型のスイッチング電源には、交流から直流への整流回路とDC-DCコンバータがいっしょに組み込まれ、単一あるいは複数の電圧の直流が出力されます。しかし、電子機器の多機能化・デジタル化が進むにつれ、回路を駆動するためのさまざまな直流電圧(12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.3V、1.0V、0.8V…など)を得るために、独立したDC-DCコンバータが機器内に複数搭載されるようになりました。さらに近年は、効率化やノイズ対策などの点から、IC近くに小型のDC-DCコンバータが数多く分散配置されるようになっています。このように電子機器の進歩とともに、電源は著しく多様化しています。とりわけDC-DCコンバータはパワーエレクトロニクスの世界で膨大な製品群を形成していて、ざっとタイプ分けするだけでも多岐にわたるため、よくよく整理しながら理解していかないと混乱に陥ります。そこで、まずはDC-DCコンバータの降圧・昇圧の基本原理から説明します。たとえば図のように、バッテリにつないだランプのスイッチを素早くON/OFFさせると明るさが落ちます。点滅の平均の明るさとして見えるわけですが、これは電圧が低下したことと同等です。したがって、ON/OFF周期の時間を調節すれば、電圧をコントロールすることができます。ごく簡単にいえば、これがDC-DCコンバータの電圧変換の原理。電流をON/OFFするスイッチング素子として、トランジスタやMOSFETなどの半導体素子が用いられます。

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