昇圧コンバータ計算機：DC-DC昇圧設計

昇圧コンバータ（ステップアップコンバータとも呼ばれる）は、入力電圧より高い出力電圧を生成する DC-DC スイッチング電源トポロジです。電力変換回路における基本的な非絶縁型トポロジの 3 つのうちの 1 つで、ほかに降圧（buck）コンバータと昇降圧（buck-boost）コンバータがあります。昇圧コンバータは、バッテリー駆動機器、LED ドライバ、車載電子機器、太陽光発電システム、そして供給電圧が負荷電圧より低いあらゆる用途で広く使われています。 基本的な昇圧コンバータは、インダクタ、スイッチ（通常は MOSFET）、ダイオード、出力コンデンサ、制御回路で構成されます。スイッチのオン時間（D×T_s、D はデューティ比、T_s = 1/f はスイッチング周期）では、電流がインダクタに流れ込み、磁場としてエネルギーを蓄えます。オフ時間（(1−D)×T_s）では、スイッチが開き、インダクタは蓄えたエネルギーをダイオードを通して出力コンデンサと負荷へ放出し、電圧を入力より高く押し上げます。 連続導通モード（CCM）では、インダクタ電流がスイッチング周期中にゼロにならないため、理想的な電圧変換比は Vout/Vin = 1/(1−D) です。これを解くとデューティ比は D = 1 − Vin/Vout となります。たとえば 3.7 V を 5 V に昇圧する場合、デューティ比は 1 − 3.7/5 = 0.26、つまり 26% です。変換比が高くなるほどデューティ比は 1 に近づくため、スイッチングタイミングの制約や導通損失の増加により、非常に高い変換比は実用的でなくなります。 インダクタ電流リップル ΔIL = Vin × D / (L × f) は、インダクタ電流が平均値の周りでどの程度振動するかを示します。インダクタンス L を大きくするかスイッチング周波数 f を高くするとリップルが減り、効率向上と出力電圧リップル低減につながります。ピークインダクタ電流 IL_peak = Iin + ΔIL/2 は、インダクタの飽和電流定格を超えてはいけません。理想的な損失なしコンバータでは、入力電力 Pin = Vin × Iin と出力電力 Pout = Vout × Iout が等しいため、平均入力電流は Iin = Pout/Vin です。 実際のコンバータでは、MOSFET のオン抵抗、ダイオードの順方向電圧降下、インダクタの直列抵抗、スイッチング損失によって損失が発生するため、実効効率 η は 100% 未満になります。この計算機は理想部品を前提としています。実機の目安が必要な場合は、理想入力電流に 1/η を掛けてください。 このツールは、バッテリー管理、IoT 機器、LED 照明、再生可能エネルギー用途などの昇圧コンバータ回路を設計する電力電子エンジニア、ホビー用途の制作者、学生にとって有用です。