【LTspice】昇圧回路（DCDCコンバーター・チョッパ回路）のシミュレーション

LTspiceで昇圧回路（DCDCコンバーター・チョッパ回路）のシミュレーションみたのまとめました。

【はじめに】昇圧回路（DCDCコンバーター）の原理
【LTspice】昇圧回路（DCDCコンバーター）のシミュレーション

【はじめに】昇圧回路（DCDCコンバーター）の原理

昇圧回路とは、その名の通り、電源の電圧を上げる回路です。
最も簡単な昇圧回路は、コイルを用いることで作成できます。
そのような回路を「DC-DCコンバータ」「チョッパ回路」「コイルブースター回路」ともいいます。

コイルを利用した昇圧回路の基本図は以下の通りです。

次の1, 2のようにスイッチのON/OFFを高速に切換えることで出力電圧Voを上昇させることができます。

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1	スイッチをONすると、入力電圧Viからコイルを介してGNDへの電流が序々に増加します（コイルは電流の「増加」を妨げようとする働きがあり、初期電流から徐々に増加する）。このときコイルに電流が流れることで、コイルにエネルギーが蓄積されます。
2	スイッチをOFFにすると、コイルは電流を流しつづけようとするため、蓄積したエネルギーを電流として放出します。この電流によって出力コンデンサが充電され出力電圧Voは上昇します。コンデンサは、OFFの間はコンデンサから回路に電流を供給し、スイッチの「ON」「OFF」の間に発生する電圧の谷間を埋めます（平滑化）。このとき、ダイオードDがあるので逆バイアスとなり、コンデンサCの電荷はスイッチの左側には放電されません。コイルは平滑化には寄与しておらず、平滑化の役割はコンデンサのみが担っているたため、比較的大きな容量のコンデンサが必要になります。

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スイッチをONすると、入力電圧Viからコイルを介してGNDへの電流が序々に増加します（コイルは電流の「増加」を妨げようとする働きがあり、初期電流から徐々に増加する）。このときコイルに電流が流れることで、コイルにエネルギーが蓄積されます。

スイッチをOFFにすると、コイルは電流を流しつづけようとするため、蓄積したエネルギーを電流として放出します。この電流によって出力コンデンサが充電され出力電圧Voは上昇します。コンデンサは、OFFの間はコンデンサから回路に電流を供給し、スイッチの「ON」「OFF」の間に発生する電圧の谷間を埋めます（平滑化）。このとき、ダイオードDがあるので逆バイアスとなり、コンデンサCの電荷はスイッチの左側には放電されません。コイルは平滑化には寄与しておらず、平滑化の役割はコンデンサのみが担っているたため、比較的大きな容量のコンデンサが必要になります。

また、スイッチON～OFFの間（TonからToff期間）にわたって入力電圧Vinが供給する平均電流をIin、Toff期間に出力電圧Voutが出力する電流をIoutとすると、その関係式は以下のとおりになります。

(1) $\begin{eqnarray*} V_{out}&=&\frac{1}{1-D}V_{in}\\ V_{in}\times I_{in} &=& V_{out} \times I_{out} \end{eqnarray*}$

※D：スイッチがONするデューティ比 Ton/(Ton+Toff)

よって、昇圧比（入力電圧と出力電圧の比）が大きくなると、昇圧幅も大きくなり、その分だけ最大出力電流が低下します。

【DC-DCコンバータ】コイル・ブースター回路による昇圧の原理

コイルを用いて電圧を上げるDC-DCコンバータ(チョッパ回路・コイルブースター回路）の原理を解説します。

【LTspice】昇圧回路（DCDCコンバーター）のシミュレーション

LTspiceで昇圧回路（DCDCコンバーター）のシミュレーションを作成した結果が以下のとおりです。
スイッチをパルス電源で高速にスイッチングして昇圧しています。
また、パルスの立ち上がり時間Trを3パターン用意し、それぞれの場合の出力電圧のグラフを描いています。
入力電圧Vinは10Vで、スイッチング制御パルスのTonは0.007ms、Ton+Toff(1周期)は0.05msです。