コンバータ回路入門 — DC-DCの昇圧・降圧と絶縁

0. この記事で分かること

• スイッチング周期のデューティ比が、降圧・昇圧電圧を決める理由。
• 非絶縁型Buck/Boostと、トランスを使うFlyback/LLC/DABの違い。
• インダクタ電流、リップル、効率、絶縁、安全を含む設計手順。

1. まず結論：DC-DCコンバータとは何か

DC-DCコンバータは、直流を一度スイッチで刻み、インダクタやトランスへエネルギーを蓄えて、別の直流電圧・電流へ変換する回路である。抵抗で落とす方式と異なり、理想的には電力をほぼ保存したまま電圧と電流を交換する。

2. Buck：降圧

Buckではスイッチがオンの間に入力からインダクタへエネルギーを送り、オフの間はフリーホイール経路で電流を流す。連続電流モードの理想平均は

である。Dはデューティ比、Lはインダクタ、f_sは周波数。負荷が軽くなると不連続電流モードへ移り、同じDでも電圧関係が変わる。

3. Boost：昇圧と制御の難しさ

Boostはオン時にインダクタへ蓄え、オフ時に入力とインダクタを直列にして出力へ送る。

Dを大きくすると理想電圧は急増するが、スイッチ耐圧、インダクタ飽和、ダイオード逆回復、制御帯域が先に限界になる。Boostは右半平面零点を持つ動作条件があり、単純な高ゲイン補償では不安定化する。

4. 基本構成

図1 — スイッチング周期のエネルギーをL・トランス・Cへ受け渡し、フィードバックで出力を一定にする。

5. 絶縁型：Flyback・LLC・DAB

Flybackはトランスの磁化インダクタンスへ蓄えたエネルギーを、スイッチオフ時に二次側へ渡す。小電力のACアダプタや補助電源に向くが、漏れインダクタンスのスパイクとスイッチング周波数のピーク電流が課題になる。Forwardはオン期間に二次へ直接伝えるため、リセット巻線やクランプが必要になる。

LLC共振コンバータは漏れインダクタンス・磁化インダクタンス・コンデンサの共振周波数を使い、スイッチ電圧または電流がゼロに近いタイミングで切り替える（ソフトスイッチング）。高効率・高周波に向くが、入力・負荷範囲を外れると制御と磁気設計が難しい。DAB（Dual Active Bridge）は一次・二次のフルブリッジ位相差で双方向に電力を送れ、電池充電器やDC配電で使われる。

6. リップル・損失・熱

出力コンデンサの電圧リップルを容量成分だけで近似すると

となる。小さなリップルを狙ってCやf_sを増やすと、体積、ESR発熱、スイッチング損失、EMIが増える。インダクタの銅損I^2Rとコア損、トランスの漏れ、ダイオードの逆回復を同じ負荷プロファイルで測る必要がある。

7. トポロジー比較

8. 苦手な条件と安全

入力電圧の急変、短絡、負荷の突入、部品の飽和は制御器を外れた状態にする。サイクルごとの電流制限、過電圧・低電圧ロックアウト、ソフトスタート、ヒューズ、絶縁監視、温度保護を重ねる。絶縁型では沿面距離・空間距離、トランスの耐圧、一次二次の故障時エネルギーを規格に合わせる。

9. 実用上の選び方

• 電池から12/48 Vを作る：Buckまたは多相Buck。入力範囲、連続電流、過渡応答、インダクタ温度を確認する。
• PV・燃料電池からDCリンクへ：BoostまたはインターリーブBoost。MPPT、入力電流リップル、最大デューティを評価する。
• ACアダプタ：Flyback（小電力）またはLLC（高電力）。絶縁、待機電力、EMI、規格を優先する。
• EV急速充電・DC配電：双方向DABや絶縁型多相構成。回生、故障時の電力方向、冷却を含めて選ぶ。

10. まとめ（3行で復習）

DC-DCコンバータは、スイッチング周期のエネルギーをL・トランス・Cへ移して電圧を変える。
Buck/Boostの式は連続電流モードの入口であり、実機ではリップル、モード遷移、補償、磁気損失が効く。
絶縁・短絡・熱・EMIを含む保護設計が、理想効率を製品の信頼性へ変える。

参考リンク

• Texas Instruments Power Supply Design
• Infineon Power Conversion
• IEC 62368-1 audio/video and ICT equipment safety
• IEEE Power Electronics Society