反転型昇降圧コンバータ計算機

反転型昇降圧（Inverting Buck-Boost）コンバータとは？

反転型昇降圧コンバータは、DC-DC変換回路の一種で、入力電圧よりも「高い電圧」も「低い電圧」も出力できる非常に柔軟なトポロジーです。また、その名の通り、入力に対して出力の「正負（極性）が逆転する」というユニークな特徴を持っています。

例えば、+12Vのバッテリーから、それよりも高い-15Vや、低い-5Vを作り出す必要がある回路（オペアンプの負電源供給など）で好んで使用されます。

基本動作の三要素：スイッチ、インダクタ、ダイオード

Buck-Boostコンバータのエネルギー変換は、スイッチのオン・オフという単純な繰り返しの間に展開されます。

1. スイッチON（エネルギー蓄積）： スイッチが閉じると、電流は入力電源からインダクタを通ってグラウンドへ流れます。この時、インダクタには磁気エネルギーが蓄えられます。出力側にはこの時、コンデンサから電流が供給されます。
2. スイッチOFF（エネルギー放出）： スイッチが開くと、インダクタは電流を流し続けようとする性質（誘導起電力）により、ダイオードを通じて出力コンデンサと負荷へエネルギーを放出します。この際、電流の向きがグラウンド方向から出力端子方向へ無理やり流れるため、出力端子の電圧は負（マイナス）になります。

設計に欠かせない計算公式

1. デューティ比 (Duty Cycle: D)

連続導通モード（CCM）におけるデューティ比は、入出力電圧の絶対値の関係から次式で求められます（ダイオードの順方向電圧降下などを無視した場合）。

Dが0.5（50%）のときに入出力電圧が等しくなり、Dが大きくなるほど昇圧され、小さくなるほど降圧されます。

2. 必要インダクタンス (L)

インダクタに流れるリップル電流 (ΔIL) を許容範囲内に抑えるためのインダクタ値は、以下の式で計算されます。

ここで、fs はスイッチング周波数です。リップル電流 ΔIL は、一般に出力電流の期待値の 20%〜40% 程度に設定するのが設計のセオリーです。

CCM（連続モード）とDCM（不連続モード）

DC-DCコンバータの設計において、インダクタの電流が常にゼロにならない状態をCCM (Continuous Conduction Mode)、一度ゼロになる状態をDCM (Discontinuous Conduction Mode)と呼びます。

• CCMのメリット： リップル電流が小さく、出力電圧の制御が比較的容易です。定格負荷での動作はこのモードを狙って設計するのが標準です。
• DCMのメリット： 負荷が非常に軽い場合に自然にこのモードに移行します。部品点数を減らしたり、制御ループを極めて単純化したい特定用途で使用されますが、ピーク電流が大きくなるデメリットがあります。

部品選定のポイント

• インダクタ： 本計算機で算出された「ピーク電流」に耐えられる定格（飽和電流）を持つものを選んでください。飽和するとインダクタンスが急減し、回路が破壊される恐れがあります。
• 出力コンデンサ： Buck-Boostは出力電流が断続的になるため、リップル電圧が大きくなりやすい傾向があります。低ESR（等価直列抵抗）のコンデンサを適切に選定することが重要です。
• スイッチ要素 (MOSFET)： Vinと|Vout|の「合計電圧」がオフ時にかかります。これに耐圧の余裕（マージン）を持たせた選定が必要です。

まとめ

反転型昇降圧コンバータは、その便利さの反面、リップル対策やノイズ管理が Buck（降圧）コンバータよりも難易度が高い傾向にあります。本計算機で算出した数値をベースに、実際のシミュレーションやプロトタイピングを行い、安定した電源回路を設計してください。

よくある質問 (FAQ)