DC-DCコンバータ

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監修者プロフィール

山本 真義（やまもと まさよし）

名古屋大学 未来材料・システム研究所 教授

2003年山口大学理工学研究科博士取得後、サンケン電気株式会社、島根大学総合理工学部講師を経て、2011年より島根大学総合理工学部准教授着任。2017年より名古屋大学未来材料・システム研究所教授着任。パワーエレクトロニクス全般(磁気、制御、回路方式、半導体駆動)に関する研究に従事。博士(工学)。

IEEE、電気学会、電子情報通信学会会員。応用は航空機電動化、自動車電動化、ワイヤレス給電の三本柱。日本の大学研究室としては珍しく、共同研究企業は40社を超え、海外の完成車メーカーとも強いコネクションを持つ。

産学連携活動を強力に推進しており、企業との共同特許出願数も多数。共同研究だけでなく、各企業の戦略コンサルタントも請け負い、技術顧問としての活動も幅広い。

名古屋大学 パワーエレクトロニクス研究所 HP

DC-DCコンバータとは？ 設計原理と4タイプの特徴

コンバータにも種類がいくつかありますが、DC-DCコンバータとは、直流電圧を別の直流電圧に変換する装置のことです。DC-DCコンバータは、電子機器の中で様々な電圧レベルを必要とする部品に適切な電力を供給するために重要な役割を果たします。

2種類の基本構造

DC-DCコンバータは基本的に絶縁型と非絶縁型の2つに分けられます。絶縁型は、入力と出力の間にトランスを用いて電気的に絶縁することで、高い昇降圧比や安全性を実現します。非絶縁型は、トランスを用いないことで、小型かつ低コストで高効率な電力供給を実現します。

DC-DCコンバータの回路技術は、スイッチング素子やインダクタ、コンデンサなどのパッシブ部品を用いて、電圧や電流を制御する方法によって様々な種類があります。

絶縁型と非絶縁型の差異をテーブルとして簡潔にまとめると、次のようになります。

絶縁型DC-DCコンバータ

絶縁型DC-DCコンバータの代表的な回路は、フライバック回路、フォワード回路、プッシュプル回路、ハーフブリッジ回路などがあります。これらの回路は、トランスの一次側にスイッチング素子（MOSFETやトランジスタなど）を配置し、高周波のパルス電流を発生させます。

このパルス電流がトランスの一次巻線に流れると、トランスの二次巻線に電圧が誘導されます。この電圧は、整流素子（ダイオードやMOSFETなど）と平滑コンデンサによって直流に変換され、出力電圧となります。

絶縁型DC-DCコンバータは、その特性から特に安全性や信頼性が重要視される機械に使用されることが多いです。たとえば、医療機器（患者の安全確保のため）や制御システム（センサーシステムなど）、通信機器（ノイズの分離と安全な電力供給のため）などに用いられています。

非絶縁型DC-DCコンバータ

一方で非絶縁型DC-DCコンバータの代表的な回路は、バック回路、ブースト回路、バックブースト回路、セプティック回路などがあります。これらの回路は、トランスの代わりにチョークコイルを用いて電圧を昇降圧します。チョークコイルは、電流の変化に対して電圧を発生させるという性質があります。

スイッチング素子がオンになると、入力電圧がチョークコイルに印加され、チョークコイルに電流が蓄えられます。スイッチング素子がオフになると、チョークコイルに蓄えられた電流が放出され、整流素子と平滑コンデンサによって直流に変換され、出力電圧になります。

非絶縁型DC-DCは、コンパクトさ、コスト効率の良さ、シンプルな設計から、様々な機械で用いられています。たとえば、ポータブル音楽プレーヤーなどの一般的な消費者電子製品や、コンピュータの電力供給装置、自動車のナビゲーションシステムなどに使用されているます。

ここまで、DC-DCコンバータの基本的な仕組みと基本構造を紹介しました。次の章では、機能的特徴で捉えたときの代表的なDC-DCコンバータと概要、用途などの基本情報をテーブルにして紹介します。

基本的な情報を捉えた上で、下記各「DC-DCコンバータのメリット・デメリットと使い分け」を読むと、深い理解を得られます。ぜひ続けてお読みください。

2種類の機能的特徴

構造的特性とは別の側面で、機能的特性の違いからDC-DCコンバータを考えることもできます。リニアレギュレータ型とスイッチングレギュレータ型はその代表的な2例です。

前者はデュアルトラッキングレギュレータ、後者は共振型など、それぞれの派生型も存在しますが、基本型はこの2つになります。

両者の違いを平たく述べると、電圧の変換方法が異なります。以上の構造や機能と特徴の関連を把握しているか否かで、貴社の製品に使用した際のメリット・デメリットに対する理解度も変わってきます。テーブルにまとめると次のとおりです。

リニアレギュレータ型DC-DCコンバータ

リニアレギュレータ型とは、必要な電圧を入力電圧から抵抗によって降圧する方式のことを指します。

その他の特徴として、回路がシンプルであり、入出力間の絶縁が不要という場合での使用に適しています。

スイッチングレギュレータ型DC-DCコンバータ

スイッチングレギュレータ型とは、入力電圧をスイッチング素子でパルス化し、インダクタやコンデンサで平滑化（ノイズを平均化処理によってなくすこと）する方式のことを指します。

その他の特徴として、変換効率が高いため、入出力電圧の比に関係なく使用できることが挙げられます。

ここまで、DC-DCコンバータの設計原理と種類、特徴、そして使い方を説明してきました。次の章では、DC-DCコンバータとインダクタなど他の回路部品との比較を説明します。DC-DCコンバータがなぜ必要なのかがわかるので、次の章も是非お読みください。

ICなど他の回路部品とDC-DCコンバータのメリット・デメリット比較

前章では、DC-DCコンバータの設計原理と種類、特徴、使い方を説明しました。ここからは、インダクタやコンデンサ、ICなど、他にも数多くある回路部品とDC-DCコンバータを比較することで、DC-DCコンバータ一般のメリットとデメリットを解説します。

メリット

DC-DCコンバータを使用するメリットは以下の3つです。

電源効率の向上

DC-DCコンバータは、入力される電力を必要な電圧に効率的に変換します。これにより、エネルギーの損失が減り、たとえばバッテリー駆動の機器では使用時間を長くすることができます。

また、効率的な電力変換は、発熱を減らし、機器の安全性を向上させる効果もあります。たとえば、データセンターのサーバーは、高い稼働率と大量のデータ処理に伴い、電力消費が大きくなるため、効率的な電力供給が可能なDC-DCコンバータが求められます。

電源の小型化・軽量化の実現

現在のDC-DCコンバータは、高度な半導体技術と小型コンポーネントを使用して設計されています。そのため、従来よりもはるかに小さく軽量な電源ユニットが製作可能で、結果として機器自体も小型化、軽量化ができます。

これは特に、ポータブルデバイスやウェアラブルテクノロジーにおいて重要な特徴です。たとえば、スマートウォッチやフィットネストラッカーなど、身につけるデバイスでは、こうした軽量化や小型化が重要になってきます。

電源の多様化・柔軟化の実現

DC-DCコンバータは、異なる入力電圧で安定して動作し、必要な出力電圧を提供できます。これにより、様々な入力電源を使っても、安定した性能を維持することができます。

異なる国の電源規格や太陽光発電といった再生可能エネルギーにも対応可能です。特に自動車や車載機器は、稼働状況によって車両の電圧状況が変わるため、こうした柔軟性が求められることが多いです。

デメリット

DC-DCコンバータを使用するデメリットは主に以下の3つです。デメリットの把握は、DC-DCコンバータを製品に使用するとなったときに悪影響を与えないかを検討するための重要な情報です。

高周波ノイズやスイッチングノイズの発生

DC-DCコンバータは、電力を高速でオン/オフすることによって動作します。この高速スイッチングは高周波ノイズやスイッチングノイズを発生させる可能性があり、これが周囲の電子機器に干渉、場合によっては故障する原因となることがあります。

対策として、追加のフィルタリングやシールディングを必要とする場合があります。

電源設計・開発の複雑化

電源設計・開発の際にノイズの低減、効率の最適化、熱管理など、多くの要素を考慮に入れる必要が出てきます。これにより、設計プロセスが複雑になり、場合によっては開発期間が長くなることがあります。

対策としては、コンバータを使用したプロトタイピングと広範なテストを行い、コンバータの特性を早い段階で把握し修正することが挙げられます。また、以上を踏まえて、DC-DCコンバータの基礎的な知識と、製品の電源に使用する場合考慮しなければならない事項を把握する必要もあります。

電源コストの上昇

小型で高性能なコンポーネント、高度な制御回路、ノイズ対策などを含むDC-DCコンバータの製造には、コストがかかります。特に最先端の技術や材料を使用する場合、製品の全体のコストを上昇させる要因となることがあります。

ただし、大量生産によるコスト削減や技術進歩により、このコストは時間とともに低下する傾向にあるのも事実です。

ここまで、DC-DCコンバータ一般の使用メリット・デメリットを説明しました。次の章では、DC-DCコンバータ各種のメリットとデメリット、そして使い分けをどうすれば良いかについて説明します。ぜひ続けてお読みください。

各DC-DCコンバータの強み・弱みと使い分け

前章では、DC-DCコンバータ一般の使用メリット・デメリットを紹介しました。ここでは、上記で説明したコンバータ各種の強み、弱み、そしてそれぞれどのように使い分ければ良いのかを解説します。

この章の要点は以下の通りです。

まず、DC-DCコンバータ全般に関係する、電圧ごとの設置場所の違いについて説明します。

DC-DCコンバータは出力電圧がどれほどになるかによって、コンバータを設置したほうが良い場所が異なります。

低電圧（5V以下）

出力リップル電圧やノイズの影響を受けやすいため、出力側の負荷に近い場所に設置することが望ましいです。また、入力側の電源にも近い場所に設置することで、入力リップル電流を低減できます。

中電圧（5V～12V）

出力リップル電圧やノイズの影響を適度に抑えることができるため、出力側の負荷から遠くても問題ない場合が多いです。ただし、出力電流が大きい場合は、出力側の配線抵抗やインダクタンスによる電圧降下を考慮する必要があります。

高電圧（12V以上）

出力リップル電圧やノイズの影響を受けにくいため、出力側の負荷から離れた場所に設置しても問題ない場合が多いです。しかし、出力電流が大きい場合や、絶縁型DC-DCコンバータを使用する場合は、出力側の配線抵抗やインダクタンス、漏れ磁束などに注意する必要があります。

以上に加えて、種類によって強みと弱み、そして使い分け方が異なるので、それを説明します。

絶縁型

絶縁型DC-DCコンバータは、入力と出力の間に電気的な絶縁を持つDC-DCコンバータのことです。絶縁は、トランスやフォトカプラなどの部品を用いて実現されます。

強みと弱み

絶縁型DC-DCコンバータの強みは以下の3点を挙げられます。

反対に弱みは以下の3点を挙げられます。

他のコンバータとの使い分け

強みと弱みを踏まえた上で、次のような場合には、絶縁型DC-DCコンバータを選ぶのがおすすめです。

非絶縁型

非絶縁型DC-DCコンバータは、入力電圧を切り替えるスイッチング素子と、出力電圧を平滑化するインダクタやコンデンサなどのパッシブ素子で構成される電気回路です。入力と出力は電気的に接続されており、トランスなどの絶縁素子は使用されないのが特徴です。

強みと弱み

非絶縁型DC-DCコンバータの強みは以下の3点を挙げられます。

反対に弱みは以下の3点を挙げられます。

他のコンバータとの使い分け

強みと弱みを踏まえた上で、次のような場合には、非絶縁型DC-DCコンバータを選ぶのがおすすめです。

リニアレギュレータ型

リニアレギュレータ型DC-DCコンバータとは、入力された直流電圧を別の直流電圧に変換する回路の一種です。入力と出力の関係が線形動作していることから、リニアレギュレータと呼ばれます。

入力と出力間に直列に制御素子が入っており、そのON抵抗を制御することで必要な電圧を得るのが特徴です。

強みと弱み

リニアレギュレータ型DC-DCコンバータの強みは以下の3点を挙げられます。

反対に弱みは以下の3点を挙げられます。

他のコンバータとの使い分け

強みと弱みを踏まえた上で、次のような場合には、リニアレギュレータ型DC-DCコンバータを選ぶのがおすすめです。

スイッチングレギュレータ型

スイッチングレギュレータ型DC-DCコンバータは、直流電圧を高効率で別の直流電圧に変換する電源装置です。

スイッチング素子を高速でON/OFFさせてパルス波を生成し、インダクタやコンデンサなどのパッシブ素子で平滑化して出力電圧を得るのが特徴です。

強みと弱み

スイッチングレギュレータ型DC-DCコンバータの強みは以下の3点を挙げられます。

反対に弱みは以下の3点を挙げられます。

他のコンバータとの使い分け

強みと弱みを踏まえた上で、次のような場合には、スイッチングレギュレータ型DC-DCコンバータを選ぶのがおすすめです。

以上、各DC-DCコンバータごとの強みと弱み、そして使い分けの仕方を紹介しました。次の章では、DC-DCコンバータ一般から選ぶ際に重要となる機能基準を5点説明します。

種類別の強みと弱み、使い分け方を把握することは重要ですが、実際に数多あるDC-DCコンバータ一般の中から、貴社の求めているものを一つ選択するという、難しさが残ります。その際に着目すると良い機能基準を解説しますので、次の章も併せてお読みください。

何を軸に選べば良い？ DC-DCコンバータの選定基準5点

前章では、DC-DCコンバータ各種の強みと弱み、そしてそれぞれの使い分け方を説明しましたが、実際市場には様々なDC-DCコンバータが存在します。貴社が購入するとなった場合、その途方もなさに圧倒されないためには、選ぶ基準を押さえることが重要です。

ここでは、DC-DCコンバータを選ぶ際に検討すべき事項を以下5点確認します。

貴社で求められている用途を把握した上で、下記情報を参照してください。

リスク対リソースバランス

単に安いものを買い求めたり、反対に安全性だけを重視すると片手落ちになってしまいます。使用環境に応じて求められる安全性を特定し、その上でコストを把握し絶縁型または非絶縁型を選択しましょう。

安全性やノイズの分離が重要な場合は絶縁型を選択するのが良いです。絶縁型DC-DCコンバータは、入力と出力の間にトランスを用いることで、電気的に絶縁するものです。これにより、入力電圧と出力電圧が接触しても電気的ショックは受けません。

安全性やノイズ対策の観点から人体などへの影響を考えて、医療機器やスマートフォン、タブレットなどの携帯機器で、絶縁型のDC-DCコンバータが採用されるケースが多いです。

コストやサイズが重要な場合は、非絶縁型を選択するのが良いです。非絶縁型DC-DCコンバータは、入力と出力の間にトランスを用いないことで電気的には絶縁しないものです。これにより、小型化や低コスト化、高効率化を実現することができます。

小型化や高効率化の観点から、電気自動車やハイブリッド車などの車載機器で非絶縁型DC-DCコンバータを採用するケースが増えています。

効率対ノイズバランス

DC-DCコンバータの用途が効率重視か低ノイズ重視かで、選択する型がリニアレギュレータ型かスイッチングレギュレータ型に分けられます。

リニアレギュレータ型DC-DCコンバータに比べて、スイッチングレギュレータ型DC-DCコンバータは高効率という特徴があります。これは、スイッチング動作によって、入力電力のうち、より多くの電力を出力電力に変換できるためです。

例えば、ノートパソコンやサーバなどの高効率化が求められる機器では、スイッチングレギュレータ型DC-DCコンバータがよく使用されています。

スイッチングレギュレータ型DC-DCコンバータに比べて、リニアレギュレータ型DC-DCコンバータは低ノイズという特徴があります。これは、スイッチング動作を行わないことから、スイッチングノイズが発生しないためです。

例えば、オーディオ機器や無線機器、医療機器などでは、ノイズに敏感な機器が多く使用されます。そのため、これらの機器では、リニアレギュレータ型DC-DCコンバータがよく使用されています。

入力電圧

入力電圧が変動すると、出力電圧の安定性が変わります。

たとえば、入力電圧が低くなると、コンバータのオン・デューティ（スイッチング素子がONになる時間比）が大きくなります。このオン・デューティが変化すると、フィードバック回路との関係で、出力電圧の安定性が低下するなど影響が及びます。

また、入力電圧の変動によって、効率と発熱も変わります。

たとえば、入力電圧が低くなると、スイッチング素子に流れる電流が大きくなります。スイッチング素子に流れる電流が大きくなるほど、スイッチング素子の損失が大きくなります。これが原因となり、コンバータの効率が低下、発熱が増加することがあります。

入力範囲は通常最大電圧と最小電圧の比率で表されることが多いです。一般的な絶縁型DC-DCコンバータは、2：1または4：1の入力電圧範囲で動作します。業界によって異なりますが、産業用途の場合は高い入力電圧（24V-72V）を扱うこともあれば、小型デバイスなどには低い入力電圧（1V-5V）が求められることもあります。

貴社で扱う製品の入力電圧はどれほどを想定しているのかを確認しましょう。そして、どのDC-DCコンバータであれば安定性やコンバータの寿命を損なうことなく、かつ効率的に電力変換が行えるのかを検討すると良いです。

出力電圧

出力電圧が変動すると、DC-DCコンバータの性能や信頼性に影響が出る可能性があります。出力電圧の変動は、主に入力電圧の変動、負荷電流の変動、スイッチングノイズ、温度変化などによって引き起こされます。

DC-DCコンバータは電流の変換を行いますが、この変換によって出力電圧には微妙な上下の波が生じます。リップル電圧は電気が安定していないというサインで、この波が大きいほど、電源の品質に悪影響を及ぼします。

一方で、出力電圧が高いということは、同じ出力容量の場合、出力コンデンサの容量は小さく済ませられるので、回路の実装面積やコストは削減できます。

設計と用途によって異なりますが、消費者向け電子機器や産業用機器、車載機器などで使用されるDC-DCコンバータの一般的な出力電圧範囲は、1V-24Vになります。特定の工業用途になると、48Vなどより高い電圧出力が求められることもあります。

どれほどの出力電圧を要しているか、そしてどれほど出力の安定性・精度を求めているかによって、検討すべきDC-DCコンバータの種類は変わってきます。

出力抵抗

出力抵抗とは、DC-DCコンバータの出力側に接続される負荷抵抗値のことです。出力抵抗が変動すると、出力電圧や出力電流、効率などのコンバータの性能は変わります。

出力抵抗が高いと、出力電流が小さくなるため、スイッチング素子の損失や発熱が減少し、寿命や信頼性が向上しますが、出力電圧が入力電圧に近づくため、降圧率が低下し、目的の出力電圧を得られない場合があります。

出力抵抗の範囲は、性能が高いものだと約10ミリオーム（0.01オーム）以下、低コストの場合だと約100ミリオーム（0.1）以上のことが多いです。

たとえば、精密な測定機器や高品質のオーディオ機器などは、出力電圧に安定性が求められることもあり、出力抵抗の値が重要になってきます。

特に変換効率と安定性についてどれほどのアウトプットを求める必要があるのかを確認しましょう。逆に絶対に超えてはいけない閾値（しきいち）があるのかを確認し、それが検討中のDC-DCコンバータに適合しているのかを把握するも重要です。

監修者コメント

山本 真義（やまもと まさよし）

名古屋大学 未来材料・システム研究所 教授

この記事には医療用等の使用環境ではDC-DCコンバータは低ノイズ性能が求められると指摘されていますが、熱の視点においても使用環境によっても選定戦略が変わってきます。

使用環境が高温である場合、他の冷却系が使用できる場合、その冷却系が空冷か水冷か等によって、許容できる損失がどのくらいになるかが決まり、それによって大まかな効率の仕様も決定されることになります。

もちろん、コストをかければ高効率なDC-DCコンバータを選ぶことができますが、外部環境での冷却を上手く使えるのなら、コストを抑えながら安定したDC-DCコンバータの性能を獲得することができるかも知れません。

使用条件における温度環境を想定して、余裕を持った設計のDC-DCコンバータを選定することが肝要です。

ここまで、DC-DCコンバータを選ぶ際に検討すべき5点を確認しました。次の章では、DC-DCコンバータを製造しているメーカーを紹介します。この章で紹介した選び方の大枠を踏まえて次の章を読むと、貴社にとって適切なメーカーの判別がつきますので、是非ご一読ください。

DC-DCコンバータを製造しているおすすめのメーカー

前章では、DC-DCコンバータを選ぶ際に検討すべき5点を紹介しました。貴社の導入条件を整理して、5点を確認した後は、実際にDC-DCコンバータを製造している企業を探しましょう。

ここでは、DC-DCコンバータの代表的なメーカーを紹介します。気になるメーカーがあれば、是非実際に問い合わせていただけたらと思います。

JET-Globalに問い合わせる

※JET-Globalの問い合わせフォームに遷移します。
一部の会社とは正式な提携がない場合がありますが、皆さまに最適なご案内ができるよう努めています。

• ティーディーケー ラムダ / TDK-Lambda
• コーセル / COSEL
• 村田製作所 / Murata Manufacturing
• ローム / ROHM
• ルネサスエレクトロニクス / Renesas Electronics

※クリックで各メーカーの詳細に飛びます。

ティーディーケー ラムダ / TDK-Lambda

ティーディーケー ラムダは、医療・産業向けの安全規格に対応した豊富なDC-DCコンバータと高信頼設計を強みに持つメーカーです。

代表製品はCCGシリーズ、PH-A280シリーズ、i6Aシリーズです。医療規格対応や高絶縁・低ノイズ設計により、EMIと安全性を確保できる点が強みです。

導入事例は公表されていませんが、医療機器や産業機器に広く採用されています。

コーセル / COSEL

コーセルは、高絶縁・高信頼のDC-DCコンバータとEMI技術を得意とし、医療や産業機器向けの設計ノウハウを蓄積しています。

代表製品はMHFSシリーズ、MH3シリーズ、MGSシリーズです。絶縁耐圧や医療用グレード対応など、信頼性要件を満たす点に強みがあります。

導入事例は公開されていませんが、医療・通信・産業設備で広く使用されています。

村田製作所 / Murata Manufacturing

村田製作所は、小型・高効率の基板実装型DC-DCや非絶縁レギュレータの選択肢が豊富で、設計の自由度が高いのが魅力です。

代表製品はOKI-78SRシリーズ、MEE1Sシリーズ、MEJ2シリーズです。小型SIPやSMDで置換が容易な設計と、幅広い入力電圧オプションを備えています。

導入事例は公表されていませんが、通信機器や産業機器の電源に多く採用されています。

ローム / ROHM

ロームは、車載対応を含む幅広い入力電圧帯に対応するDC-DCコンバータICを提供し、パワーデバイスとの総合力を活かした製品開発を行っています。

代表製品はBD9G341AEFJ、BD9E302EFJ、BD9G500EFJです。低消費電力・高効率設計やAEC-Q100対応品の充実が特徴です。

導入事例は公開されていませんが、車載や産業機器に数多く使用されています。

ルネサスエレクトロニクス / Renesas Electronics

ルネサスエレクトロニクスは、旧Intersil由来の技術を含む幅広い電源IC群と設計ツールを提供し、開発者の設計立ち上げを支援しています。

代表製品はISL85410、ISL81801、RAA211412です。高電圧・高効率品の充実と、周辺ツールによる開発容易性が魅力です。

導入事例は公開されていませんが、車載や産業システムの設計現場で広く利用されています。