電源回路の基礎知識(1) ～電源回路の分類～

インバータ

直流を単相交流または三相交流に変換する回路をインバータ(Inverter)と呼びます。また、ある周波数の交流を、別の周波数の交流に変換する回路もインバータに含めることもあります(厳密には、ある周波数の交流を直流にいったん変換し、その直流を別の周波数の交流に変換するため、コンバータ＋インバータで構成されていると言えます)。
インバータがもっとも使われているのがモーター制御の分野です。オン・オフのような単純な制御に比べて、モーターを駆動する交流の周波数を変えて回転をきめ細かく制御することで省エネなどのメリットが得られるからです。
インバータはハイブリッド車や電気自動車にも搭載されていて、大容量バッテリが出力する直流を、メインモーターの駆動に必要な三相交流に変換する役割を担っています。

コンバータ

ある直流電圧を別の直流電圧に変換する回路や、交流を直流に変換する回路をコンバータ(Converter)と呼びます。前者を「DC/DCコンバータ」や「DC-DCコンバータ」、後者を「AC/DCコンバータ」や「AC-DCコンバータ」と表記することもあります。
DC/DCコンバータは、マイコンやメモリ素子などが必要とする低電圧を供給する目的で、電子機器や家電製品をはじめ多くの機器に搭載されています。ちなみにDC/DCをカタカナ読みした「デコデコ」という呼び方が、エンジニアの間では愛称として使われています。
AC/DCコンバータでおなじみなのが、ノートパソコンやスマートフォンの充電に使われるACアダプタです。AC/DCコンバータは、回路の構成としては、ダイオードなどで構成した整流器にDC/DCコンバータを組み合わせたものとして扱うことができます。

リニア・レギュレータ

リニア・レギュレータは、抵抗分圧の原理で、入力電圧を負荷との間で分圧して出力電圧を得る電源回路です(図2)。ただし、通常の抵抗素子で構成すると分圧比が固定されてしまい、入力電圧の変動や負荷が変動したときに出力電圧も変化してしまうため、トランジスタやMOSFETを可変抵抗器として用い、出力電圧をモニターしながら出力電圧が一定になるように制御を行います。
リニア・レギュレータは、負荷電流が分圧抵抗(トランジスタまたはMOSFET)にそのまま流れるため、抵抗の両端電圧×負荷電流で求められる電力が損失となり、熱となって逃げていきます。そのため、後述するスイッチング・レギュレータに比べて、エネルギーの変換効率が低いというデメリットがあります。
一方で、リニア・レギュレータは、出力リップル(さざなみのような微小な変動)が少なく、かつ、電磁ノイズなどの放射が少ないといった特徴を持つため、きわめて微弱な信号を扱うアンプ段など、ノイズを嫌う回路の電源として使用されます。また、スイッチング・レギュレータと比較して基本的に低コストで実装できます。

可変抵抗と負荷抵抗によって分圧回路が構成され、分圧された電圧が負荷に供給される。
分圧抵抗に電流が流れるため損失(熱)が発生する。

スイッチング・レギュレータ

スイッチング・レギュレータは、入力電圧をスイッチ素子(パワーデバイス)でオン・オフさせてパルス波を作り、最後に出力段で平滑化して出力電圧を得る電源回路です(図3)。オンとオフの比率を変えて出力電圧を制御するのが基本的な原理です。

スイッチ素子で入力電圧をスイッチングしてパルス波形を作り、後段で平滑化して、出力電圧を得る。オンとオフの時間の比で出力電圧を制御できるのがポイント。スイッチング動作に伴って電磁ノイズ(EMIノイズ)が発生するのがデメリットになる。

スイッチング・レギュレータはきわめて自由度が高く、さまざまな回路構成が考案、実用化されています。
入力電圧と出力電圧の関係だけに着目すると、次のように基本的な3種類に分類されます。

降圧型：
入力電圧よりも出力電圧が低い電源回路で、スイッチング・レギュレータとしてもっとも一般的です。バック型(buck)とも呼ばれます。

昇圧型：
入力側にインダクタを置いて、スイッチ素子がオンのときにエネルギーをインダクタに蓄えておき、スイッチ素子がオフのときにインダクタからエネルギーを放出させることで、入力電圧よりも高い出力電圧を得る電源回路です。高電圧を必要とする液晶パネルやLEDの駆動用として使われています。

昇降圧型：
降圧動作と昇圧動作のいずれにも対応した電源回路で、主に入力電圧が大きく変動するような用途に用いられます。基本的な昇降圧回路では、出力の極性が逆になって負電圧が出力されます。なお、極性が反転する仕組みは少し複雑なので、いずれ回をあらためて説明します。極性の課題を解決して正電圧が得られるようにした回路も考案されています(SEPIC回路：Single Ended Primary Inductor Converter)。

スイッチング・レギュレータはリニア・レギュレータに比べてエネルギーの変換効率が高く、最新のコントローラICを使った場合、動作条件によっては98％前後に達する場合もあります。
一方で、入力を一旦パルス状の波形に変換するため、電磁ノイズ(EMIノイズ)やグランド・ノイズなどが発生してしまうという原理的な課題があります。また、回路設計が複雑というデメリットもあります。

表1. リニア・レギュレータとスイッチング・レギュレータの比較

次回は、電子回路に欠かせないスイッチング・レギュレータについて、詳しく説明します。