降圧コンバータの動作シミュレーション

はじめに
降圧コンバータのシミュレーション
まとめ

はじめに

降圧コンバータの動作原理を別ページで記述しました。このページでは、Simscape Electricalを用いて、動作確認を行います。

/https://electric-study-note.com/buckconverter-principle/

降圧コンバータのシミュレーション

降圧コンバータの動作を理解するためにステップバイステップでモデルを作成していきます。どのような考えで、降圧コンバータの回路となっているのか理解します。

半導体スイッチにより矩形波を生成するモデル

電源の電圧をチョッピングすることで矩形波を生成し、平均電圧を下げるモデルです。想定どおりに矩形波状の電圧を出力できているか確認します。モデルは図１のとおりです。入力電圧は10V, Dutyは0.5に設定しています。

このモデルにおいてシミュレーションを実行します。出力波形は図２のとおりとなります。

想定どおりに矩形波が出力されています。10Vの直流電圧入力に対して、出力電圧は\(10 \times 0.5 = 5 V \)となります。（0.5はオン時間の比率。）これで狙った電圧が出ているので問題ないかというとそういうわけではありません。回路には寄生インダクタンス成分が含まれます。この寄生インダクタンス成分が含まれた場合にどのような影響があるか調べてみます。

寄生インダクタンスを模擬したモデル

回路にインダクタンス成分が存在する場合、インダクタ成分による電流を流し続ける効果とスイッチによる電流を遮断しようとする効果が競合します。これらが存在する場合にはどのような応答になるか、シミュレーションで確認します。シミュレーションモデルでは、図３のとおり寄生インダクタンスとして1uHを与えます。寄生インダクタンスが存在した場合、どのような回路応答になるかを確認します。

このモデルにおいてシミュレーションを実行すると出力波形は図４のとおりとなります。

t = 0.009s や t = 0.0095 s 付近において非常に大きな電圧が発生していることが分かります。なぜ発生しているかというと、インダクタンス成分が電流を流し続けようとする一方、スイッチにより電流が遮断されているためです。この問題を解決するために瞬間的に電流変化を発生させる必要があります。その結果、インダクタンス成分の電圧は非常に大きなものになります。これをスパイク電圧などと呼んだりします。

なお、本出力波形上はt = 0.0005sなどのスイッチングのタイミングではスパイク電圧が発生していないように見えますが、実際はスパイク電圧が発生しています。出力波形上に見えないのは、t = 0.009やt = 0.0095 sのオーダーと異なるためです。

以上から、寄生インダクタンスがある状態でスイッチを遮断すると、電圧スパイクが発生すること、その発生原因が電流の逃げ道がないことがわかります。そこで、何らかの方法で電流の逃げ道を作ることを考えます。

ダイオードにより、還流回路を設けたモデル

前記の電流の逃げ道の解決策として、図５のとおりダイオードが利用されます。ダイオードにより、スイッチがOFFになったときにも電流経路が確保されます。また、ダイオードは逆止弁のはたらきをするため、スイッチONの時に回路に悪影響をもたらしません。ダイオードを追加した場合、どのような回路応答になるか確認します。