DC-DCコンバータ｜基礎編

入出力電圧と部品定数による最大出力電流 昇圧電源の過負荷時の負荷電流 対 出力電圧 特性

2023.03.21

この記事のポイント

・降圧型DC-DCコンバータは過電流時に電圧が垂下するので異常時にも安全である。

・昇圧型DC-DCコンバータは過負荷時に入力が定電力となり、出力電圧低下に伴い出力電流は増加するので注意が必要となる。

・出力電圧の低下に伴いインダクタ平均電流は増加し、ハイサイドスイッチのオン時間は長くなるので、ハイサイドスイッチで発生する導通損失は大幅に増加する。

・出力電圧がさらに低下しVIN＞VOUTの状態になると電流制御不能となり無制限に電流が流せる状態となるので非常に危険となる。

目次 [閉じる]

はじめに

DC-DCコンバータにはほとんどの製品に過電流制限回路によるスイッチ素子の保護機能を持っており、過負荷時に過大電流によるスイッチ素子の焼損を防止できます。しかし、降圧型と昇圧型では過電流制限による動作が異なり、過負荷時に負荷回路に流れる電流の状態は異なり昇圧型では過負荷時の動作が問題となります。

降圧型DC-DCコンバータの過負荷時の負荷電流特性

降圧型DC-DCコンバータはほとんどの製品がハイサイドスイッチの電流制限機能によりインダクタのピーク電流を制限することにより出力電流が定電流動作状態となります。出力電圧VOUTは、VOUT=定電流値×負荷インピーダンス、負荷での消費電力POUTは　POUT＝定電流値２×負荷インピーダンス　となります。負荷インピーダンスが低くなるほど電圧は低下し、電力損失も小さくなります。電流が増加しないので配線の焼損なども発生せず、負荷異常により低インピーダンス化しても安全となります。
ただしハイサイドスイッチが電流制限制御できていることが前提となります。またハイサイドスイッチとインダクタには定電流値が流れ続けます。特にインダクタは定電流値よりも定格値が大きいものを選定する必要があります。

降圧型DC-DCコンバータの過負荷時の出力特性

昇圧型DC-DCコンバータの過負荷時の出力電圧特性

昇圧型DC-DCコンバータではローサイドスイッチによる電流制限は入力電流制限となり、過負荷状態では入力電流はほぼ一定となる定電流状態となります（出力電圧の低下でインダクタリップル電流が減少し、入力電流は減少による平均値の増加はあります）。このため過負荷状態では入力電力PINはVIN×定電流値となり多少増加しますが、ほぼ一定の入力電力となります。出力電力は変換効率により入力電力より低下しますがやはりほぼ一定値となります。この結果、出力電流IOUTはおおむね　IOUT= PIN ×効率η÷VOUTとなり、効率の変化にもよりますが、過負荷状態で出力電圧が低下するとその時点の出力電圧に逆比例して電流が増加してゆきます。このため降圧型と異なり、過負荷状態により負荷インピーダンスが低下しても負荷で発生する損失は低下せず、定常動作時よりも電流が増加してゆきます。I2Rで増加する導通損により、基板のパターン配線の焼損などの2次災害が発生してトラブルが深刻化する可能性があります。

昇圧型DC-DCコンバータの過負荷時の出力特性

過負荷状態での昇圧型DC-DCコンバータの動作

過負荷時の昇圧型DC-DCコンバータの動作を解説します。インダクタに流れる電流はローサイドスイッチがオンの間はVIN÷Lのランプ速度で電流が増加、ハイサイドスイッチがオンの間は
（VOUT－VIN）÷Lのランプ速度で電流が減少します。過負荷状態になると出力電圧を維持できなくなり出力低下します。この結果、ハイサイドスイッチがオン時の電流ランプ速度（VOUT －VIN）÷L　が低下し、インダクタ電流の減少量が小さくなります。次のローサイドスイッチのオンではインダクタ電流が大きい状態から始まるので早期に過電流制限値に達し、ローサイドスイッチがオフとなりオン時間は短くなります。この時出力電圧は設定電圧より低いので負帰還制御系としてはオン時間を広げて電流増加させようとします。しかし、過電流制限が早期にオフするので負帰還によるＰＷＭ制御ではなく、クロックでオン、過電流制限でオフするオン／オフ動作となります。

出力電圧低下によるハイサイドスイッチに流れる電流１

負荷インピーダンスがさらに低下して出力電圧が下がるとインダクタ電流の減少量も低下するのでローサイドスイッチによる電流増加量も減少し、ローサイドスイッチのオン時間は短くなりハイサイドスイッチのオン時間は増加します。ローサイドスイッチのオン時間が短くなるためにローサイドスイッチでの導通損は減少しますが、ハイサイドスイッチはオン時間が長くなり導通損により定格動作時よりも発熱が増加します。熱設計に充分な余裕がない場合は温度上昇によりハイサイドスイッチがダメージを受けて最悪では焼損に至る場合もあります。

さらなる負荷電流増加で出力電圧がVINより低くなった時

出力電圧低下によるハイサイドスイッチに流れる電流2

出力電圧がさらに低下してVIN＞VOUTとなると、ハイサイドスイッチがダイオードの場合と同期整流でFETに寄生ダイオードがある場合、VIN⇒インダクタ⇒（寄生）ダイオード⇒VOUT　による電流経路ができるので供給電源から直接負荷に電流供給されるようになります。この電流経路に何らかの電流制限回路が追加されていない場合、電流制限することができないので供給電源の最大電流能力まで流すことが可能となります。この電流は定格動作時の出力電流よりもはるかに大きいために、インダクタやハイサイドスイッチ素子だけではなく出力の銅配線なども焼損するなどの問題が発生することがあります。

VIN＞VOUT時の電流経路

瞬間的な過負荷状態を見込んだ回路設計が必要

ローサイドスイッチは過負荷時でも自身の過電流制限機能により保護されますが、ハイサイドスイッチやインダクタの過電流を制限する機能は一部の製品以外はほとんど持っていません。昇圧型DC-DCコンバータでモータを駆動する場合、モータ起動時の突入電流は定常動作時の数倍に達する電流を必要とします。降圧型DC-DCコンバータでは過電流制限による電圧低下でモータの起動不全が発生しますが、昇圧型DC-DCコンバータでは電圧は低下しても電流供給は増加するので、駆動可能となる可能性は大きくなります。しかし定格以上の電流による焼損の危険性はありますので、ハイサイドスイッチ素子やインダクタに過大電流に対応できるだけの許容電流能力を持たせた設計を行う必要があります。

【資料ダウンロード】 リニアレギュレータの基礎

リニアレギュレータの基礎として、動作原理、分類、回路構成による特徴、長所・短所を理解するためのハンドブックです。加えて、リニアレギュレータの代表的な仕様（規格値）と、効率と熱計算に関しても解説しています。

昇圧電源の過負荷時の負荷電流 対 出力電圧 特性

DC-DCコンバータ

基礎編

設計編

評価編

応用編

製品紹介

FAQ