導入
この入門記事では、スイッチング電源におけるインダクタの働きについて説明します。電源設計の初心者で、ダイオードが順方向バイアスされているように見えるのに、なぜ順方向バイアスされているように見えるのか疑問に思っている方は、おそらくインダクタが原因です。この記事はそんな方のために書かれたものです。
インダクタの理解
大学では当初、交流回路と直流回路の両方でインダクタを学びました。交流回路では、インダクタに正弦波を入力し、振幅と位相の変化を観察します。直流回路では、単位ステップ入力を与え、インダクタにかかる電流または電圧の変化を観察します。
ただし、スイッチングモード電源におけるインダクタの動作は、大学で学習する単純な AC 回路や DC 回路とは大きく異なります。
インダクタの基本原理
インダクタは常に電流を維持しようとします。電流の変化に対しては、逆起電力を発生させることで抵抗します。例えば、インダクタに1Aの電流が流れている状態で電流を変化させようとすると、インダクタはこの変化に抵抗するために逆起電力を発生させます。この原理は、重い車を静止状態から押し出すことに似ています。車は最初は動きにくく、一度動き出すと止まりにくくなります。
DC回路におけるインダクタ
1Vの電池、スイッチ、1Ωの抵抗、インダクタからなる単純な直流回路を考えてみましょう。最初はインダクタに電流は流れていません。スイッチが閉じると1Vが印加され、電流が流れ始めます。インダクタは、印加電圧（0V）に等しい逆起電力を発生させることで、1Aから1Aへの電流変化に抵抗します。これにより、インダクタを流れる電流は時間の経過とともに対数的に増加します。
スイッチング電源のインダクタ
電源では、抵抗はほぼゼロオームであり、電流は対数曲線を描かず、直線的に上昇し、三角形の電流波形を形成します。電流のオン/オフによってこの三角形が形成されるため、直線の式 (y = mx + c) を用いた解析が簡素化されます。
回路解析例
1V電源、スイッチ、1Ω抵抗、インダクタ、そして別のスイッチで制御される2Ω抵抗からなる回路を考えてみましょう。最初のスイッチが閉じると、電流は1Aに増加します。このスイッチが開き、同時に3つ目のスイッチが閉じると、インダクタは電流を3Ωの抵抗を持つ新しい経路に流し込み、1Aの電流を維持するためにXNUMXVの逆起電力を生成します。
機械式スイッチと半導体スイッチ
機械式スイッチは瞬時に開くため、高い逆起電力が発生し、空気をイオン化して火花を発生させる可能性があります。そのため、スイッチのAC定格電圧はDC定格よりも高くなっています。一方、半導体スイッチは開閉に一定の時間がかかるため、インダクタの挙動に影響を与えます。インダクタの逆起電力の標準的な式は、ファラデーの法則とレンツの法則から導かれるE = -L (di/dt)です。
実用電源におけるインダクタの挙動
実際の電源では、MOSFETの急速なスイッチングにより、高いdi/dt値のために大きな電圧スパイクが発生する可能性があります。例えば、10Aから0Aへのスイッチングは10ナノ秒で大きな逆起電力を発生させ、ノイズやスパイクとして現れます。
結論
この記事では、DC-DC スイッチ モード電源におけるインダクタの動作、三角波の電流形状、逆起電力の方向、および高 di/dt が電圧スパイクに与える影響について説明しました。
