スイッチング電源の効率について

質問

お世話になります。
電子機器などに使われているスイッチング方式の電源についてですが、電源の効率は接続する負荷によって変わり、一般的には定格負荷の７０～８０％程度の時に最も効率がよく、負荷が軽いと効率が悪いと聞きました。これは具体的にはどういった理由なのでしょうか？スイッチング方式が関係しているのでしょうか？
お教えいただけると助かります。よろしくお願いします。

回答No.4

foobar

変換器の損失は大きく分けて二通りあります。

1. 負荷電流の大小に関わらず、ほぼ一定量生じる損失
2. 負荷電流が大きくなるにつれて、増える損失

2. の代表的なのは、配線の抵抗による損失や、スイッチング素子の電圧降下による損失、スイッチング素子が電流をOFFするときに生じる損失（単純にスイッチ動作によって出る損失以外に、回路の浮遊インダクタンスに蓄えられるエネルギーの充放出に起因するものもあります）です。

1.の代表的なものとしては、先の回答にもあるような、スイッチング素子を駆動するために必要な電力や、制御回路を動かすのに必要な電力以外にも、電圧をON/OFFする際に生じる損失（回路内の浮遊コンデンサに充放電する際に生じる損失）があります。

軽負荷時には、１.の一定損失が効いて来て、効率が下がります。
また、負荷が大きくなって来ると、１の損失による効率低下は相対的に下がり、効率が上がります。さらに負荷を増やすと、2.の損失が増えて来ます。（特に配線の抵抗損失や配線のインダクタンスに起因するものは電流の２乗に比例するので、電流が増えると急速に増えます。）このため、負荷の大きなところでは、効率が再度低下します。

回答No.3

takepon256

＃１です。ちょっと説明が間違っていたかも・・・。
またもや専門的な説明になってしまうかもしれませんが、ご勘弁を。。。

負荷が重いとき：
FETのON抵抗（FETを完全にONさせても完全には抵抗成分は０Ωにはならない）と「線」の抵抗成分が無視できなくなり、熱として電力が逃げてしまいます。

負荷が軽いとき：
先に述べたスイッチング損失が原因で効率が落ちます。
FETをONするためにはゲートに電圧を印加しますが、内部的にある程度の容量成分を持っていますので完全な矩形波にはなりません。
ゲート電圧がなだらかに立ち上がるとFETの抵抗値も徐々に変化することになり、この抵抗成分が損失の元となります。
負荷が軽いとFETのON時間も短くなり、より矩形波から外れてしまいます。
ですから負荷が軽いほど効率が悪いのです。

こんな設計的な知識で説明になってるのかなぁ・・・。

回答No.2

mtld

負荷が軽いと効率が悪いと～　について
電子回路を動かすにはそれなりの電流を流さなければいけないので負荷が有る無しに関わらず幾らか電力を消費しますが
取り出す電力が小さければ小さな消費電力で良いのですが大きければ大きい方に合せて作る事になります
つまり小は大を兼ねませんが大は小を兼ねる　です

つまりはゲタを履く事になりますので結果として負荷が軽いと効率が悪くなるのです
負荷　対　効率　曲線は徐々に上がっていって最大負荷時で少し下がる　が普通です
原因は電子回路素子の理想特性からの　ズレ　と　そもそも動作させるにはそれなりのエネルギーが必要だからです　更に部品コストの関係
詳しくはトランジスターFET等の特性を勉強されるしか～　スイッチング特性によります

でも最近のは効率が上がりました　ICで最大効率90％を超えるものもあります　以前は70～80％％位でしたから　おまけに小型です

回答No.1

takepon256

軽い負荷のときはFETのゲートの電荷、寄生容量が大きいためロスが発生して効率が落ちます。
高い負荷のときはFETのスイッチングロスが増加しますので効率が落ちます。

スイッチングロスよりもゲート電荷の方が影響が大きいのでより効率が悪くなっています。

DC-DCスイッチング電源はFETもしくはパワートランジスタをON/OFF制御して矩形波を作成して、後段でコイルとコンデンサのローパスフィルタを通してやることで低電圧に変換します。
AC-DCもトランスが使われますが、基本原理はほぼ同じでしょう。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%82%A4%E3%83%83%E3%83%81%E3%83%B3%E3%82%B0%E9%9B%BB%E6%BA%90

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%82%A4%E3%83%83%E3%83%81%E3%83%B3%E3%82%B0%E9%9B%BB%E6%BA%90

お礼

ご回答ありがとうございます。

>軽い負荷のときはFETのゲートの電荷、寄生容量が大きいためロスが発生して効率が落ちます。
>スイッチングロスよりもゲート電荷の方が影響が大きいのでより効率が悪くなっています。

すいません、「スイッチングロス」、「ゲート電荷」の影響とは、どういうことなのか詳しくお教えいただければ幸いです。
よろしくお願いいたします。