昇降圧（Buck-Boost）とCuk・SEPIC・Zeta変換の系譜

入出力電圧が交差する用途に何が要るか

電池駆動の機器では、満充電のリチウムイオン（4.2V）から放電末期（3.0V）まで電源電圧が動く一方、負荷は3.3Vを一定で要求する——つまり入力が出力より高い時間帯と低い時間帯が交差します。降圧（buck）だけでも昇圧（boost）だけでも足りず、1つの回路で昇降圧の両方をこなす必要があります。この要求に応えるのが反転Buck-Boost・Cuk・SEPIC・Zeta、そして4スイッチBuck-Boostの系譜です。基本3形の位置づけは /power/dcdc-topology-map/、昇圧側の数理は /power/boost-converter-analysis/ を前提とします。

ここで決定的なのは、4つの昇降圧形はいずれも変換比の大きさが同じだという事実です。連続導通モード（CCM）で |Vout/Vin| = D/(1−D)。D が 0.5 未満なら降圧、0.5 を超えれば昇圧になります。同じ比なら何で選ぶのか——答えは変換比ではなく、出力極性・入出力電流の連続性・結合インダクタの有無・部品数という二次的な性質です。本稿はこの4軸で系譜を貫きます。

4つの昇降圧形に共通する変換比（CCM, 理想）
  |Vout / Vin| = D / (1 − D)      （0 < D < 1）

    D < 0.5 : 降圧側（|Vout| < Vin）
    D = 0.5 : Vout の大きさ = Vin
    D > 0.5 : 昇圧側（|Vout| > Vin）

  → 変換比は同じ。選定は「極性・電流連続性・部品数」で決まる

反転Buck-Boost ── 最少部品だが両端が脈動する原器

反転Buck-Boostは、インダクタ1個・スイッチ1個・ダイオード1個・出力コンデンサ1個という最少構成の昇降圧器です。ON相で入力がインダクタを充電し、OFF相でインダクタが出力だけに放電します。入力と出力が直接つながる瞬間がないため、出力は入力と逆極性になり Vout = −Vin・D/(1−D)（導出は /power/boost-converter-analysis/）。

弱点は2つ。第一に出力反転——正電圧入力から正電圧出力が欲しい一般用途には使いにくい。第二に入力電流も出力電流も断続です。入力電流はON相だけ流入し、出力電流はダイオードがOFF相だけ運ぶ。両端が脈動するため、入力フィルタと出力コンデンサのリプル電流ストレスがともに大きく、EMIも悪化します（/power/output-capacitor-esr-esl/）。この2つの弱点をどう逃がすかが、Cuk・SEPIC・Zetaの分岐を生みます。

Cuk・SEPIC・Zeta ── 結合コンデンサで電力を運ぶ三兄弟

この3つは共通してインダクタ2個・結合（伝達）コンデンサ1個・スイッチ1個・ダイオード1個という同一部品構成を持ちます。反転Buck-Boostがインダクタ「磁界」にエネルギーを溜めて運ぶのに対し、これらはコンデンサの電界を介して入力側から出力側へ電力を受け渡すのが原理上の特徴です。違いは素子の配置とグラウンドの取り方だけで、結果として極性と電流連続性が変わります。

Cukは boost を入力段、buck を出力段として縦続接続し、間を結合コンデンサで畳み込んだ構造です。入力側と出力側の両方にインダクタがあるため、入力電流・出力電流とも連続——これが最大の長所で、両端のリプルが小さくEMIに有利です。ただし出力は反転します。SEPICはCukを組み替えて非反転にしたもので、入力電流は連続だが出力電流はダイオードを通るため断続。Zetaはその双対で、入力電流は断続だが出力電流は連続、しかも非反転です。

結合コンデンサが信頼性とDC遮断を握る

Cuk・SEPIC・Zetaの心臓は結合コンデンサです。入力から出力へ電力の全量がこのコンデンサを通って流れるため、大きなリプル電流が定常的に流れ続けます。したがって低ESRで高リプル耐量の部品が必須で、ここの選定を誤ると発熱と寿命がボトルネックになります。一方で副次的な利点として、結合コンデンサが直流を遮断するため、出力短絡時に入力から出力への直流貫通が起きにくい（SEPIC/Zetaが過電流保護で有利とされる理由）。反転Buck-Boostやboostにはこの特性がありません。

結合コンデンサ Cc の定常電圧（理想, CCM）
  Cuk   : V(Cc) = Vin + |Vout|     （両インダクタ電圧の差を支える）
  SEPIC : V(Cc) = Vin              （入力電圧に等しい）
  Zeta  : V(Cc) = |Vout|           （出力電圧に等しい）

  → Cc には大リプル電流が常時流れる。低ESR・高リプル耐量が選定の要
  → DC遮断により出力短絡が入力へ貫通しにくい（SEPIC/Zetaの保護上の利点）

設計判断 ── どれを選ぶか

選定はまず非反転が要るかで大きく分かれます。正入力から正出力が前提の一般用途では反転Buck-BoostとCukは脱落し、SEPIC・Zeta・4スイッチBuck-Boostが候補になります。次にどちらの端子の電流を連続にしたいか。力率改善や入力EMIが厳しいなら入力電流連続のSEPIC、出力リプルを抑えたいなら出力電流連続のZeta、両方欲しければCuk（反転を許せる場合）か4スイッチBuck-Boostです。

最後が部品数と効率の総合判断です。4スイッチBuck-Boostはダイオードを同期整流スイッチに置き換えた4石構成で、結合コンデンサもなく変換段が1つのため効率が最も高く、現代の電池機器の主流です。降圧領域では2石を常時オフ・オン固定して純buckとして、昇圧領域では純boostとして動かし、交差点付近だけ4石を切り替えます。制御は複雑ですが、Cuk/SEPIC/Zetaが抱える結合コンデンサのリプル損失と、boost由来の右半平面ゼロ（/power/pwm-feedback-control/）を巧みに避けられます。

まとめ

• 反転Buck-Boost・Cuk・SEPIC・Zetaは変換比の大きさがすべて D/(1−D) で同じ。差は出力極性・入出力電流連続性・結合インダクタの有無・部品数にある。
• 反転Buck-Boostは最少部品だが出力反転かつ入出力とも断続。これを補うのがCuk（両端連続だが反転）・SEPIC（非反転・入力連続）・Zeta（非反転・出力連続）の三兄弟で、いずれも結合コンデンサで電力を運ぶ。
• 結合コンデンサは大リプル電流が常時流れ低ESRが必須だが、DC遮断により出力短絡の貫通を防ぐ保護上の利点を持つ。2インダクタは結合インダクタ化してリプル打ち消しに使える。
• 選定は非反転の要否 → どの端子を電流連続にするか → 部品数と効率、の順。非反転・高効率の現代的解は4スイッチBuck-Boostで、結合コンデンサ損失と右半平面ゼロを避けられる。
• 基本3形の系統は /power/dcdc-topology-map/、昇圧の数理は /power/boost-converter-analysis/、補償設計は /power/pwm-feedback-control/ を参照。