スイッチング電源とは？

スイッチング電源とは？というテーマで、基本的な解説である、スイッチング電源の回路設計の種類や、スイッチング電源の歴史を、わかりやすく全般的に解説しています。

そもそもスイッチング電源って何ですか？

一般的にスイッチング電源とは、効率よく電力を変換するためのスイッチングレギュレータを搭載した電源装置の事を指し、小型・軽量・高効率を特徴としています。スイッチングレギュレーターとは、DC/DCコンバータ、発振器からなります。また、電力を変換することができるスイッチング素子を搭載した電源装置のことをスイッチング電源とも表現されます。商用電源の電力を変換する装置とも言えるでしょう。広い意味では、電子デバイス用の直流電源装置から電動機制御器、高周波用回路までスイッチング電源と言えます。

数ワットの一般的に家庭で使われるポータブルな電子機器や、数100ワットあたりまでの家庭用電子機器に用いられるのは、直流電源と言い、MOSFET(いわゆるモス)をスイッチング素子として使用することがほとんどです。

スイッチング電源は、リニア電源とは性質が異なります。スイッチング電源のパストランジスタは、低い消費電力でオン/オフが断続的に切り替わるので、無駄なエネルギーを最小限に抑えることが可能です。スイッチング電源の電圧の安定化は、オン/オフの切り替えの時間を調整することによって安定化が行えます。リニア電源の電圧の安定化は、パストランジスタの電力を消費し続けることにより電圧を調整します。

冒頭で、小型、軽量、高効率が特徴と書きましたが、スイッチング電源の非常に高い効率は非常に高いメリットです。また、リニア電源に比べてトランスが小さく済むので、サイズが圧倒的に小型です。

スイッチング電源の回路方式の種類

昇降圧型(バックブーストコンバータ)回路

昇降圧型の絶縁方式は非絶縁型で、昇降圧が可能なタイプの回路方式です。入力電圧と極性が反対した出力電圧を得るために用いられる回路でスイッチがオンの時、インダクターにエネルギーが流れ、スイッチがオフの時には、インダクタからダイオードを通してエネルギーが放出されます。降圧型と比べると、コンデンサ(出力のフィルタ用)に大きな電流が通電されます。

降圧型方式(バックコンバータ)回路

降圧型方式の入出力絶縁は、トランスを回路に使用してないので非絶縁型です。バックコンバータは入力電圧が出力電圧よりも低い時に用いられ、入力電圧にスイッチがオンの時の時間比率を乗じることにより、出力電圧が抑えられます。ステップダウン方式(降圧型チョッパー方式)とも呼ばれ、とは入力から出力まで電圧を降圧させるDC-DCコンバータに採用される一般的な回路方式です。スイッチ素子がオンの時には、インダクタ・コイルにエネルギーを貯蓄しながら送り出し、スイッチがオフの時には、インダクタからダイオードやMOSFETなどのスイッチ素子を通じてエネルギーを放出します。回路構成が比較的簡単であるので、コストも比較的低いのがメリットです。

昇圧型方式(ブーストコンバーター)回路

昇圧型方式の回路は、チョッパ方式極性反対型とも呼ばれ、入力電圧より高い出力電圧が欲しい時に利用され、MOSFETなどのスイッチング素子がオンの時、インダクタにてエネルギーを溜めて、オフの時はインダクタからダイオードを通して負荷にエネルギーが放たれます。コイルに溜まったエネルギーに入力電圧のエネルギーが加えられるので、入力よりも高出力電圧となります。

プッシュプル方式

プッシュプル型コンバータを例にあげると、基本スイッチアーム数が多石式のコンバータで、トランスの一次側のコイル(等しい巻き数のもの)を二つ直列に繋げ、中間点を電源のプラス側へ、両端をそれぞれのローサイドスイッチを挟み、マイナス側に繋げます。そして、これを交互にon/offすることにより、トランスのコアに、交流の磁界が生まれます。二次側の変換周波数が一次側の２倍になるので、フィルタの小型化が望めます。このプッシュプル型のコンバータには、電流型と電圧型の２種類があり、比較的容量の大きい電源に向いています。

フォワード方式

フォワード型コンバータを例にあげると、基本スイッチアーム数が一石式のon on型のコンバーターの一種のことで、主に数１００W程度までの小容量の電源から、中容量の電源に用いられることが多いです。一次側のスイッチング素子がオンの期間に、介在させたトランスにて二次側に電力を通す方式です。トランスの巻線は一次、二次とも同じ極性でつながれています。トランスとチョークコイルの２つの部品を要しますが、高効率です。

フライバック方式

フライバック型コンバータを例にあげると、基本スイッチアーム数が一石式のon off型のコンバーターの一種のことで、スイッチング素子がオンの時に、トランスの一次巻線に側にエネルギーが蓄えられ、スイッチング素子がオフの時に、この蓄積されたエネルギーが、トランスの二次巻線から、ダイオードを通り放出され、これを整流回路で整流、平滑回路で平滑することにより、DC電圧を生み出します。この特徴から、on/of型と呼ばれることもあります。トランスの設計がやや複雑になり、サイズが比較的大きく、コンデンサに大きい電流が流れます。チョークコイルを省略できる方式です。

フルブリッジ方式

基本スイッチアーム数が多石式で、直列に繋いだスイッチング素子を直流入力に並列で繋げ、それぞれの中間点にトランスの巻線(一次)を配置し、スイッチング素子を交互にon/offさせる方式のことです。比較的大きな容量の電源に向いている方式と言われており、最近では計算機が大きな電流を必要とする傾向にあるため、計算機器向けPOLとしても使われています。

ハーフブリッジ方式

ハーフブリッジ方式とは、直流の入力をコンデンサー二つで分圧して、２個のスイッチング素子を直列し、コンデンサーへ並列で繋げ、これらのスイッチング素子、コンデンサーの中間点にトランスを配置した変換方式のことです。トランスの効率が高く、高い入力電圧に優れた回路方式です。

上記のうち、降圧型方式(バックコンバータ)回路、昇圧型方式(ブーストコンバーター)回路、昇降圧型(バックブーストコンバータ)回路が非絶縁型となり、フォワード方式、フライバック方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式が絶縁型となります。絶縁型のスイッチング電源の回路方式は、他にもロイヤー方式、ジェンセン方式というものがあります。

スイッチング電源の歴史

スイッチング電源の歴史は、今からさかのぼる事1800年代より始まっています。

世界で最初のスイッチング電源を開発したのは、1958年にIBMという説もあるようです。当時IBM社によって設計されたスイッチング電源は真空管技術に基づくものであったようです。GM社からは同時期に、同様の特許が、トランジスタの発振として申請されており、この技術革新によって、機器設計者の選択肢が劇的に広がったと言われています。1960年代というと、宇宙分野、通信分野、から、エレクトロニクス、コンピュータ分野まで全体的に非常に盛んな時代です。

さて、平成が終わり、令和になった現代、最新のスイッチング電源とはどのようなものか、当社精鋭の技術者が開発した最新の標準スイッチング電源製品は下記よりご覧ください。

現在サンプルの受付を開始しておりますので、併せてご検討いただければ幸いです。

関連コンテンツ