DC-DCコンバータ – 日本の辞書

DC-to-DC_converter

DC-DCコンバータは、直流（DC）源をある電圧レベルから別の電圧レベルに変換する電子回路または電気機械装置です。電力変換器の一種です。電力レベルは、非常に低い（小さなバッテリー）から非常に高い（高電圧送電）までの範囲です。

コンテンツ
1 歴史
2 用途
3 電子変換
3.1 磁気 3.2 双方向DC-DCコンバーター 3.3 容量性
4 電気機械変換
5 電気化学的変換
6 カオス的振る舞い8 も参照してください
9 参考文献
10 外部リンク

歴史
参照：
アンティークラジオ§カーラジオ
パワー半導体が開発される前は、低電力アプリケーションでDC電源の電圧をより高い電圧に変換する方法の1つは、バイブレーターを使用してACに変換し、次に昇圧トランスを使用して、最後に整流器。より高い電力が必要な場合、モータージェネレーターユニットはよく使用され、電気モーターが発電機を駆動して目的の電圧を生成しました。（モーターと発電機は別々のデバイスにすることも、外部電源シャフトのない単一の「ダイナモーター」ユニットに組み合わせることができます。）これらの比較的非効率的で高価な設計は、カーラジオに電力を供給するための代替手段がない場合にのみ使用されました。（その後、6または12 Vの自動車用バッテリーから得られるよりもはるかに高い電圧を必要とする熱イオンバルブ（チューブ）を使用しました）。パワー半導体と集積回路の導入により、以下に説明する手法を使用して経済的に実行可能になりました。たとえば、最初は、変圧器の入力としてDC電源を高周波ACに変換することです。これは、高周波のために小さく、軽く、安価です。これにより、整流されてDCに戻る電圧が変化します。 1976年までに、トランジスタ車の無線受信機は高電圧を必要としませんでしたが、一部のアマチュア無線家は、トランジスタ電源が利用可能であったにもかかわらず、高電圧を必要とするモバイルトランシーバーにバイブレーター電源とダイナモーターを使用し続けました。
リニアレギュレータまたは抵抗器を使用して、より高い電圧からより低い電圧を引き出すことは可能でしたが、これらの方法は過剰を熱として放散しました。エネルギー効率の高い変換は、ソリッドステートスイッチモード回路でのみ可能になりました。

用途
参照：
高電圧直流
DC-DCコンバーターは、主にバッテリーから電力が供給される携帯電話やラップトップコンピューターなどの携帯型電子機器で使用されます。このような電子デバイスには、多くの場合、いくつかのサブ回路が含まれ、それぞれがバッテリーまたは外部電源によって供給されるものとは異なる独自の電圧レベル要件を持っています（場合によっては電源電圧よりも高いまたは低い）。さらに、蓄えられたエネルギーが排出されるにつれて、バッテリー電圧は低下します。スイッチドDCからDCへのコンバーターは、部分的に下げられたバッテリー電圧から電圧を上げる方法を提供し、同じことを達成するために複数のバッテリーを使用する代わりにスペースを節約します。
ほとんどのDC-DCコンバータ回路は、出力電圧も調整します。いくつかの例外には、LEDを流れる電流を調整する一種のDC-DCコンバータである高効率LED電源、および出力電圧を2倍または3倍にする単純なチャージポンプが含まれます。
太陽光発電システムおよび風力タービンのエネルギー収穫を最大化するように設計されたDC-DCコンバーターは、電力オプティマイザーと呼ばれます。
50〜60 Hzの主電源周波数での電圧変換に使用される変圧器は、数ワットを超える電力に対して大きくて重い必要がこれはそれらを高価にし、それらはそれらの巻線におけるエネルギー損失およびそれらのコアにおける渦電流によるものとなる。トランスまたはインダクタを使用するDC-DC技術は、はるかに高い周波数で機能し、必要なのははるかに小さく、軽く、安価な巻線部品のみです。したがって、これらの技術は、主電源変圧器を使用できる場合でも使用されます。たとえば、家庭用電子機器の場合、主電源電圧をDCに整流し、スイッチモード技術を使用して目的の電圧で高周波ACに変換してから、通常はDCに整流することが望ましいです。複雑な回路全体は、同じ出力の単純な主変圧器回路よりも安価で効率的です。DC-DCコンバータは、さまざまな電圧レベルのコンテキストで、DCマイクログリッドアプリケーションに広く使用されています。

電子変換
実用的な電子コンバーターは、スイッチング技術を使用します。スイッチモードDC-DCコンバータは、入力エネルギーを一時的に保存し、そのエネルギーを別の電圧で出力に放出することにより、あるDC電圧レベルを別のDC電圧レベルに変換します。貯蔵は、磁場貯蔵構成要素（インダクター、変圧器）または電場貯蔵構成要素（コンデンサー）のいずれかにあり得る。この変換方法では、電圧を増減できます。スイッチング変換は、多くの場合、不要な電力を熱として放散する線形電圧調整よりも電力効率が高くなります（通常の効率は75％から98％です）。効率を上げるには、高速の半導体デバイスの立ち上がり時間と立ち下がり時間が必要です。ただし、これらの高速遷移はレイアウト寄生効果と組み合わされて、回路設計を困難にします。スイッチモードコンバータの効率が高いと、必要なヒートシンクが減り、ポータブル機器のバッテリ耐久性が向上します。パワーFETの使用により、効率は1980年代後半から向上しました。パワーFETは、パワーバイポーラトランジスタよりも高い周波数でより低いスイッチング損失でより効率的にスイッチングでき、より複雑でない駆動回路を使用します。DC-DCコンバータのもう1つの重要な改善点は、フライバックダイオードをパワーFETを使用した同期整流に置き換えることです。パワーFETの「オン抵抗」ははるかに低く、スイッチング損失が減少します。パワー半導体が広く利用できるようになる前は、低電力DC-DC同期コンバーターは、電気機械式バイブレーターと、それに続く真空管または半導体整流器に給電する電圧昇圧トランス、またはバイブレーター上の同期整流器接点で構成されていました。
ほとんどのDC-DCコンバータは、専用の入力から出力まで、電力を一方向にのみ移動するように設計されています。ただし、すべてのスイッチングレギュレータトポロジを双方向にし、すべてのダイオードを独立して制御されるアクティブ整流に置き換えることで、電力をどちらの方向にも移動させることができます。双方向コンバータは、たとえば、車両の回生ブレーキが必要なアプリケーションで役立ちます。この場合、運転中は車輪に電力が供給されますが、ブレーキをかけるときは車輪から電力が供給されます。
必要なコンポーネントはほとんどありませんが、スイッチングコンバータは電子的に複雑です。すべての高周波回路と同様に、安定した動作を実現し、スイッチングノイズ（EMI / RFI）を許容レベルに保つために、それらのコンポーネントを慎重に指定し、物理的に配置する必要がそれらのコストは、電圧降下アプリケーションのリニアレギュレータよりも高くなりますが、チップ設計の進歩に伴いコストは低下しています。
DC-DCコンバータは、追加のコンポーネントをほとんど必要としない集積回路（IC）として利用できます。コンバーターは、電子アセンブリ内ですぐに使用できる完全なハイブリッド回路モジュールとしても入手できます。
過剰なボルトアンペアを熱として放散することにより、入力電圧や出力負荷に依存しない安定したDCを出力するために使用されるリニアレギュレータは、文字通りDC-DCコンバータとして説明できますが、これは通常ではありません。利用方法。（次の電圧レギュレータまたはツェナーダイオードによって安定化されているかどうかに関係なく、単純な電圧降下抵抗についても同じことが言えます。）
ダイオードとコンデンサを使用してDC電圧に整数値を乗算する単純な容量性電圧ダブラとディクソン乗算器回路もあり、通常は小さな電流しか供給しません。

磁気
これらのDC-DCコンバータでは、エネルギーはインダクタまたはトランスの磁場内に周期的に蓄積され、磁場から放出されます。通常、周波数範囲は300 kHz〜10MHzです。充電電圧のデューティサイクル（つまり、オン/オフ時間の比率）を調整することにより、負荷に転送される電力量をより簡単に制御できますが、この制御は入力電流にも適用できます。出力電流、または一定の電力を維持します。トランスベースのコンバータは、入力と出力を分離する場合が一般に、DC-DCコンバータという用語は、これらのスイッチングコンバータの1つを指します。これらの回路は、スイッチモード電源の心臓部です。多くのトポロジが存在します。この表は、最も一般的なものを示しています。
フォワード（磁場を介したエネルギー伝達）フライバック（エネルギーは磁場に蓄えられます）
変圧器なし（非絶縁）
降圧（降圧） -出力電圧が入力電圧より低く、同じ極性です。
非反転：出力電圧は入力と同じ極性です。
ステップアップ（ブースト） -出力電圧が入力電圧よりも高くなっています。
SEPIC-出力電圧は入力より低くても高くてもかまいません。
反転：出力電圧は入力と反対の極性です。
反転（バックブースト）。
Ćuk-出力電流は連続的です。
真の昇降圧-出力電圧は入力と同じ極性であり、低くても高くてもかまいません。
Split-pi（ブーストバック） -出力電圧を入力と同じ極性で双方向の電圧変換を可能にし、より低くまたはより高くすることができます。
トランス付き（分離可能）
順方向-1または2トランジスタドライブ。
プッシュプル（ハーフブリッジ） -2つのトランジスタが駆動します。
フルブリッジ-4トランジスタドライブ。
フライバック-1トランジスタドライブ。
さらに、各トポロジは次のようになります。
ハードスイッチ
全電圧と全電流の両方にさらされている間、トランジスタはすばやく切り替わります
レゾナント
LC回路は、トランジスタ両端の電圧とトランジスタを流れる電流を形成し、電圧または電流のいずれかがゼロのときにトランジスタが切り替わるようにします。
磁気DC-DCコンバータは、その主要な磁気コンポーネント（インダクタまたはトランス）の電流に応じて、2つのモードで動作する場合が
連続
電流は変動しますが、ゼロになることはありません
不連続
電流はサイクル中に変動し、各サイクルの終了時または終了前にゼロに低下します
コンバータは、高電力では連続モードで動作し、低電力では不連続モードで動作するように設計できます。
ハーフブリッジとフライバックのトポロジは、コアが飽和しないように、磁気コアに蓄積されたエネルギーを放散する必要があるという点で類似しています。フライバック回路の電力伝送は、コアに蓄積できるエネルギー量によって制限されますが、フォワード回路は通常、スイッチのI / V特性によって制限されます。
MOSFETスイッチは同時の全電流と電圧に耐えることができますが（熱応力とエレクトロマイグレーションによりMTBFが短くなる可能性があります）、バイポーラスイッチは一般にスナバ（または2つ）の使用を必要としません。
大電流システムは、インターリーブコンバータとも呼ばれる多相コンバータを使用することがよく多相レギュレータは、単相レギュレータよりもリップルと応答時間が優れている可能性が
多くのラップトップおよびデスクトップマザーボードには、電圧レギュレータモジュールとしてインターリーブバックレギュレータが含まれています。

双方向DC-DCコンバーター

非絶縁型スイッチングDC-DCコンバータトポロジの比較： Buck、Boost、 Buck-Boost、 Ćuk。入力は左側、負荷のある出力は右側です。スイッチは通常、 MOSFET、 IGBT、または
BJTトランジスタです。

独立したモーターと発電機を備えたモーター発電機。
これらのコンバーターに特有なのは、エネルギーがコンバーターの両方向に流れることです。これらのコンバーターはさまざまなアプリケーションで一般的に使用され、エネルギーが1つのレベルから別のレベルに転送される2つのレベルのDC電圧の間に接続されます。
ブースト双方向DC-DCコンバータ
降圧双方向DC-DCコンバータ
ブーストバック非反転双方向DC-DCコンバータ
ブーストバック反転双方向DC-DCコンバータ
SEPIC双方向DC-DCコンバータ
CUK双方向DC-DCコンバータ
ガルバニック絶縁が必要な場合は、複数の絶縁型双方向DC-DCコンバータも一般的に使用されます。
双方向フライバック
孤立したĆUK＆SEPIC / ZETA
押し引き
フォワード
デュアルアクティブブリッジ（DAB）
デュアルハーフブリッジ
ハーフフルブリッジ
マルチポートDAB

容量性
チャージポンプ
スイッチトキャパシタコンバータは、さまざまなトポロジでコンデンサを入力と出力に交互に接続することに依存しています。たとえば、スイッチトキャパシタ低減コンバータは、2つのコンデンサを直列に充電してから、並列に放電する場合がこれにより、理想的には、入力電圧の半分と電流の2倍で、同じ出力電力（100％未満の効率まで失われることはありません）が生成されます。これらは個別の電荷量で動作するため、チャージポンプコンバータと呼ばれることもこれらは通常、比較的小さな電流を必要とするアプリケーションで使用されます。これは、電流が大きいほど効率が向上し、スイッチモードコンバータのサイズが小さくなるため、より適切な選択になるためです。磁気がそのような電圧で破壊するので、それらは非常に高い電圧でも使用されます。

電気機械変換
モータージェネレーター
主に歴史的に関心のあるモーターと発電機のセットは、電気モーターと発電機を組み合わせて構成されています。ダイナモーターは、両方の機能を1つのユニットに組み合わせ、モーターと発電機の両方の機能を1つのローターに巻き付けたコイルを備えています。両方のコイルは同じ外部界磁コイルまたは磁石を共有します。通常、モーターコイルは、発電機コイルがシャフトのもう一方の端にある別の整流子に出力されるときに、シャフトの一方の端にある整流子から駆動されます。ローターとシャフトのアセンブリ全体は、一対の機械よりもサイズが小さく、ドライブシャフトが露出していない場合が
モータージェネレーターは、DCおよびAC電圧と位相標準の任意の組み合わせの間で変換できます。大型のモータージェネレーターセットは工業用の電力を変換するために広く使用され、小型のユニットはバッテリー電力（6、12、または24 V DC）を真空管（熱電子バルブ）機器の操作に必要な高DC電圧に変換するために使用されました。
車両のバッテリーから供給される電圧よりも高い電圧での低電力要件には、バイブレーターまたは「ブザー」電源が使用されました。バイブレーターは機械的に振動し、バッテリーの極性を1秒間に何度も切り替える接点を使用して、DCを方形波ACに効果的に変換し、必要な出力電圧の変圧器に供給することができます。特徴的なブーンという音がしました。

電気化学的変換
キロワットからメガワットの範囲でのＤＣからＤＣへの変換のさらなる手段は、バナジウムレドックス電池などのレドックスフロー電池を使用することによって提示される。

カオス的振る舞い
DC-DCコンバータは、分岐、危機、間欠性など、さまざまなタイプのカオスダイナミクスの影響を受けます。

用語
降圧
出力電圧が入力電圧よりも低いコンバーター（降圧コンバーターなど）。
ステップアップ
入力電圧よりも高い電圧を出力するコンバーター（ブーストコンバーターなど）。
連続電流モード
電流、したがって誘導エネルギー貯蔵の磁場がゼロに達することはありません。
不連続電流モード
電流、したがって誘導エネルギー貯蔵の磁場は、ゼロに達するか、ゼロを超える可能性が
ノイズ
不要な電気および電磁
信号ノイズ、通常はスイッチングアーチファクト。
RFノイズ
スイッチングコンバータは、本質的
にスイッチング周波数とその高調波で電波を放射します。Split-Pi、
順方向コンバータ、または
連続電流モードのĆukコンバータなど、三角スイッチング電流を生成するスイッチングコンバータは
、他のスイッチングコンバータよりも高調波ノイズを生成しません。
RFノイズは
電磁干渉（EMI）を引き起こします。許容レベルは要件によって異なります。たとえば、RF回路に近接している場合は、単に規制を満たすよりも抑制が必要です。
コイル一体型DC / DCコンバーター
これらには、電力制御IC、コイル、コンデンサ、および抵抗が含まれる場合が単一の統合ソリューションで少数のコンポーネントを使用して取り付けスペースを削減します。
入力ノイズ
入力電圧には無視できないノイズが含まれている可能性がさらに、コンバータが鋭い負荷エッジで入力に負荷をかけると、コンバータは供給電力線からRFノイズを放出する可能性がこれは、コンバーターの入力ステージで適切にフィルタリングすることで防止する必要が
出力ノイズ
理想的なDC-DCコンバータの出力は、フラットで一定の出力電圧です。ただし、実際のコンバータはDC出力を生成し、その上にある程度の電気的ノイズが重畳されます。スイッチングコンバータは、スイッチング周波数とその高調波でスイッチングノイズを生成します。さらに、すべての電子回路には
熱雑音が一部の高感度の無線周波数およびアナログ回路は、ノイズが非常に少ない電源を必要とするため、リニアレギュレータでしか供給できません。
比較的低ノイズの電源を必要とする一部のアナログ回路は、たとえば方形波ではなく連続三角波形を使用するなど、ノイズの少ないスイッチングコンバータの一部に耐えることができます。

も参照してください
昇降圧コンバータ
コンバインドチャージングシステム
スイッチモード電源

参考文献
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外部リンク
電気/ハイブリッド電気自動車用のDC-DCコンバータ技術
パワーエレクトロニクスの本
LCD電源用スイッチングレギュレータアプリケーションノート”