理想ダイオードという半導体をご存知でしょうか。
バッテリーやアダプタと電子機器を接続する際の、電源回路部分で用いられていますが、一般的なディスクリート半導体と比較して電圧・電力の損失がきわめて低いことが特徴です。
さらに高機能とあって、言葉通りまさに「理想的」な素子と言えますね。
とは言え、「ダイオード」と呼びながらも実際はMOS FETで構成されている等、ややわかりづらい面も多い素子でもあります。
そこでこの記事では、理想ダイオードおよびそれを用いた理想ダイオード回路について解説いたします。
目次
1. 理想ダイオードが用いられる電源回路ってどんな回路？
電源回路とは、電子機器に電圧・電力を供給する時に形成される回路を指します。
通常、家庭や商業施設のコンセントから出てくる電流はきわめて高圧の交流です。
国や地域によって電圧は異なりますが、日本国内では100Vがスタンダードです。
一方、多くの電子機器は0.8V～20V程の直流で稼働する仕様となっています。
つまり、コンセントと電子機器を直接つないでそのまま供給された電流を使う、ということはできないどころか、機器の破損や漏電に繋がり、きわめて危険です。
そこで活躍するのが電源回路です。
電源回路は、簡単に言うと「コンセントから供給された電流を電子機器に適した電流へと変換する」ための装置です。
電源回路は基本的に変圧回路・整流回路・平滑回路・安定化回路で構成されます。
交流電流を直流電流にしようと思った時、まず変圧回路で100V(日本国内)に及ぶ高圧を下げ、整流回路で直流に変換し、平滑回路でまだ直流になりきっていない脈流をならします。
さらに安定化回路で安定した直流を作り出す、という一連の流れを行うことで、精密な電子機器でもスムーズな稼働を可能にしてきました。
理想ダイオードは、必ずしもこの電源回路だけで使われるというわけではありません。
しかしながら後述する「保護」という役割から、電子機器の根幹となる電源回路を守ってくれる大切な素子。
そのため、理想ダイオードを理解するためにも、電源回路については頭に入れておきましょう。
2. 理想ダイオードとは？どんな回路を形成する？
理想ダイオードはダイオードORコントローラーやパワーパスコントローラーなどと呼ばれることもあります。
詳しく解説いたします。
① なぜ理想ダイオードが必要なのか
前述した電源回路での用途が有名ですが、ダイオード自体が整流作用があるため、やはり電源回路の中の「整流回路」で用いられてきましたね。
では、なぜ通常のダイオードではなく、理想ダイオードを使うのでしょうか。
その答えは、ダイオードが持つ弱点「電圧降下」にあります。
ダイオードはアノード側(陽極)からカソード側(陰極)へ電圧印加を行うと電流を流す特性を持ちます。
これを順方向電圧と呼び、逆にカソード側からアノード側への逆方向電圧を印加したとしても、電流は流れません。
しかしながらこの順方向に電流が流れている時、抵抗が働いて電圧が下がってしまいます。
これが電圧降下と呼ばれる現象です。
つまり、実際に印加した電圧のいくらかは、働いた抵抗によって無駄に、つまり損失しているということを意味します。
通常、この電圧降下は0.6V～0.7Vほどと言われています。
効率を考えるなら、ダイオード回路の抵抗はゼロで損失がゼロが望ましいところ。
そこで用いられるのがショットキーバリアダイオードです。
ショットキーバリアダイオードは通常のダイオードがp型半導体とn型半導体で接合されていることに対し、ある金属とn型半導体を接合させて用いる素子です。
電圧降下が小さいため、上記のダイオードの弱点を補うことができるのですが、そのさらに上をいく高性能・高機能を持つのが理想ダイオードなのです。
と言うのもショットキーバリアダイオードも低いとは言え電圧降下はあります。
そこで、このショットキーバリアダイオードをさらに改善させた理想ダイオードを用います。
冒頭でも述べたように、理想ダイオードは通常のダイオードと異なりトランジスタの一種となるMOS FETで構成されています。
MOS FETは電圧駆動であるため基本的には電力損失が発生せず、オン抵抗は低いと言えます。
また、高速スイッチングが可能となります。
また、通常のダイオードに比べて小型・軽量化が容易なため、近年ますますダウンサイジングする電子機器においては、とても重宝する代物です。
このMOS FETはダイオードに既に実装されている場合もあれば、外付けで用いることもあります。
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② 理想ダイオードの役割
理想ダイオードはMOS FETなので、スイッチング制御が主な役割となります。
では、何を制御するかと言うと入出力電圧が挙げられます。
入力された電圧が高い場合にスイッチをオンにして出力側へ電流を流し、出力側の電圧が高くなった場合はオフにすることで入力側へと逆電圧が流れるのを防ぎます。
この一連の動作は「監視」と言った呼び方をします。
つまり、回路に過剰な電圧が流れるのを防ぐ、「保護」の役割を果たしてくれます。
さらに言うと、逆方向に電流が流れることも阻止してくれるため、逆流防止措置としても有効です。
加えて理想ダイオードの特性から低損失・低商品電力を望むことができ、燃費の良い回路の実現にも繋がりますね。
また、電力損失が低減されるということは、損失分から発生する熱を抑えることにも繋がります。
前述した通りMOS FETは小型軽量化が容易ですが、加えてヒートシンクを用いなくて済むこととなり、さらなるボリュームダウンが可能となりました。
3. 理想ダイオードの使用シーン
基本的に理想ダイオードは様々な使用シーンが考えられます。
入出力電圧を監視してくれるので、電源回路を保護したい時はもちろん、携帯電話や自動車のバッテリー，あるいはアンプリファイヤ等でスイッチング回路としても使うことができます。
高額電子機器での保護や、高性能機器での高性能素子としても活躍していますね。
また、冗長電源と呼ばれる回路でも用いられます。
電源ユニットを複数搭載することを冗長化と言い、冗長電源回路を有することとなります。
一つの電源ユニットが何らかの要因で動作しなくなった場合でも、他の電源ユニットが動作することで、電源供給をストップさせずに済む・稼働効率が上がるというメリットが冗長電源にはあります。
この冗長電源はサーバー等で用いられるのですが、理想ダイオードを使用することで高効率な機器を実現することができるのです。
4. まとめ
理想ダイオードと、その回路について解説いたしました。
理想ダイオードとは厳密にはMOS FETを用いて構成される半導体で、スイッチング制御によって入出力電圧を制御するものであること。
ここで言う制御とは「監視」で、電圧の多寡によってスイッチのオンオフを行い、出力側へ電流を流したり逆電圧を防いだりするものであること。
通常のダイオードよりも損失が少なく、高効率であったり高性能・高機能であったりといった魅力を持つことなどをご理解いただけたでしょうか。
近年の高額電子機器や精密電子機器では主流となっている半導体素子であるため、ぜひこの機会にチェックしておきましょう！
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