パワーエレクトロニクス工学論

(1)

３．絶縁型DC-DCコンバータ電源技術

3-1 絶縁型スイッチング電源の概要 3-2 フライバック・コンバータ電源

3-3 フォワード・コンバータ電源

3-4 その他のコンバータ電源

・ハーフブリッジ型電源・フルブリッジ型電源・プッシュプル型電源

パワーエレクトロニクス工学論

(2)

電源方式電力規模

（１）フライバック・コンバータ電源小電力：～

70W

（２）フォワード・コンバータ電源中電力：

50W

～

200W

（３）ハーフ／フル・ブリッジ電源

大電力：

100W

～数百

W

（４）プッシュ・プル電源大電力：～数

kW

（１）回路方式による分類

（Ａ）基本的な方式：

AC-DC

コンバータにも適用可

3-1 絶縁型スイッチング電源の種類と概要

３．絶縁型 DC-DC コンバータ電源技術

(3)

（Ｂ）基本構成と特徴

R^L 負荷

メイン PWM制御

回路

C^L

V^B=20～数100V 1次

巻線

2次

巻線 Vo

２次回路

●メリット：１）電圧変換率の改善：デューティの改善

・デューティの拡大：トランス巻数比で、２次電圧を低減２）メインスイッチの電流容量を低減

・トランス巻数比で、１次パルス電流を低減

●デメリット：１）メインスイッチにサージ電圧：高耐圧素子必要

２）電圧制御が複雑：フォトカプラ、３次巻線の利用

(4)

（２）各種電源方式

（ａ）フライバック方式（ｂ）フォワード方式

PWM制御回路

I1 Vc

I²

（ｃ）ハーフブリッジ方式

（ＣをＳＷにすると、フルブリッジ）（ｄ）プッシュプル方式

(5)

（Ａ）基本回路構成

＊構成上の特徴

・トランスの巻線は異極性・２次側に整流ダイオード昇圧形電源を形成

＊トランスの動作

１）

SW ON

時（図Ａ）

１次側に励磁電流

２次側は逆電圧で

OFF

・エネルギの蓄積

２）

SW OFF

時（図Ｂ）

２次側に反転電圧

RL

フライバック・トランス

(Flyback Transformer) PWM制御

回路

C^L

VB 1次

巻線

2次巻線

Ｉ1

V²

VB VB V²

3-2 フライバック・コンバータ電源

（１）基本回路と動作

(6)

（Ｂ）

1

次／

2

次側電圧・電流波形

● メイン

SW ON

の時

等価回路

＊メイン

SW

が

ON

の時、

2

次側巻線には負電圧発生：

OFF

∴ Ｉ

２=0 → 2

次側回路が無いのと等価

V^B

VB

I1

V^DS

トランス：Ｌと等価

V^DS

I¹ VB

0

電流・電圧波形

SW ON

R^L C^L

V^B

ON

V1 V²

I1

I²

VDS

この間、トランス内に電磁エネルギを蓄積磁路内に微尐なギャップを設ける

⇒

トランス構造が大きくなる

OFF

(7)

● メイン

SW OFF

の時

等価回路

＊メイン

SW

が

OFF

の時、

1

次側巻線が無いのと等価

＊２次側には、ダイオードＤを通り、Ｉ

2

が流れる

＊

L

はエネルギを放出

RL

CL

V² I²

トランス：Ｌと等価

R^L C^L

V^B

OFF

V2

I2

V^DS

VB 0

0 V^DS

I2

電流・電圧波形

SW OFF

１次換算電流

(8)

（Ｃ）等価回路

■フライバックコンバータと昇圧形コンバータの比較

＊昇圧形コンバータは、メイン

SW ON/OFF

共Ｌの値は同じよってコイル電流が連続

＊フライバック・コンバータはトランスなので、

・メイン

SW

が

ON

時には

1

次側インダクタンスで、

OFF

時には

2

次側インダクタンスで動作・トランス内部磁束が連続：

N¹

･

I¹=N²

･

I²

フライバック・トランスはＬとして機能

昇圧形電源と等価

C^L _RL

Vi= Vn2 B

n1

等価回路

(9)

（２）３次巻線の働き・動作

■ 「制御回路」に供給する電源は、一般的に「起動回路」と「

3

次巻線」で得る。

＊制御回路（

IC

）の電源：起動回路が必要・・・

V^B

より

R

を介して供給ただし、

VB

は通常高電圧なので常時供給では、損失が大きい

＊３次巻線の利用：制御回路への電圧供給。２次巻き線と同等の巻数

PWM制御回路

R^L C^L

V^B

起動回路 3次巻線

（Ａ）３次巻線の動作

2次巻線

(10)

■ ２次巻線と同等電圧波形を出力

⇒ V3

は、

V2

と同一電圧

V2 I2

0 0

V3 0

電流連続モード電流不連続モード

1次側 ON

RL

PWM制御回路

C^L 2次

3次巻線巻線

V2

V³

Vo

V^cc

（Ｂ）２次巻線と３次巻線の電圧関係

つまり、

Vcc

＝

Vo

Vcc

を制御

(3

次電圧を制御

)

(11)

（３）フライバック・コンバータのフィードバック例

＊１次－２次間で絶縁必要・・・一般にフォトカプラ使用

＊出力電圧は、ツェナーダイオード電圧でほぼ決まる

★ フォトカプラ：発光ダイオードと受光トランジスタの抱き合わせ

（Ａ）２次回路からの負帰還方式（正確な制御）

R^L CL

VB

PWM 制御回路

フォトカプラ

Vo

ツェナーＤｉ

(12)

（Ｂ）３次巻線による負帰還方式

＊１次側で回路処理・・・制御ＩＣ内に内蔵可能

＊通常のＰＷＭ制御方式と同様

R^L C^L

V^B

エラー

AMP PWM

制御回路

電圧帰還回路

Vo

(13)

＊構成上の特徴

・トランスの巻線は同極性

・２次側で降圧形電源を構成

＊トランスの動作１）

SW ON

時：

同時に２次側に正極電圧

V²

発生

⇒ D¹

が

ON

して電流

I^2on

が流れる２）

SW OFF

時

２次側に逆電圧：

D¹

が

OFF

⇒ D²

が

ON

して電流

I^2off

が流れる ★一般にインダクタンス

L

を使用

RL

フォワード・トランス

(Forward Transformer)

CL

VB L

n1 n2

VDS

IDS

V2

I2

Vo

I2on

D2 D1

I2off

（Ａ）基本回路構成

V^DS

IL

V^B 0

0

SW ON

I2on I2off

3-3 フォワード・コンバータ電源

（１）基本回路と動作

(14)

（Ｂ）全体回路

RL

C^L V^B

リセット巻線 L

リセットダイオード

nr1

n1 n2 V1

VDS

Ir

IDS

V2

I2

Vo

●構成・動作上の特徴

・トランス：一方向電流のみ

⇒一方向磁束：残留磁束が蓄積

⇒

磁束リセット回路が必要

＊リセット巻線の動作１）

SW ON

時

nr1

側

=

＋

⇒ Dr=OFF

、電流

Ir=0

２）

SW OFF

時

nr1

側

=

－

⇒ Dr=ON

残留磁束により

電流

Ir

が流れる

■

リセット巻線は、フライバックトランスのように動作

■ 1

次巻線数

[n1]

と、リセット巻線数

[nr1]

は同じ巻数（リセット時間は、

ON

時間と同等）

■ 残留磁束を確実にリセット ⇒ SWのデユーティ＜0.5

RL

CL

等価回路 Vi= Vn2 B

n1 D^r

(15)

＊一般に、「

Vo

」と「

V^IN

」は比例しないので

3

次巻線による電圧帰還はできない。

＊Ｓｗのストレス電圧

=

２

VB

V^DS

2VB

0 VB

0 -V^B V¹

I^DS

0 Ir

V² 0

I²

0

t¹

t^r

t1=tr t0 ON

（Ｃ）

1

次／

2

次側電圧・電流波形

SW電圧

１次電圧

SW電流

（１次電流）

ﾘｾｯﾄ電流２次電圧

２次電流

VB

(16)

（２）「フォワード形電源」と「フライバック形電源」の特徴比較

フォワード・コンバータフライバック・コンバータ

トランス鉄芯の

エネルギ蓄積

出力電圧の帰還

必要なし

トランス：小型・軽量 →中・大電力用途 必要あり

トランス：大・重い：小電力用（微小ギャップも必要）

昇圧形電源と類似（Di 1個のみ）

必要なし→３次巻線の利用

（場合により、右と同様）

2次側整流回路降圧形電源と類似

（L、Di×２必要）

1次側付加回路 なしリセット回路必要

フォトカプラによる負帰還ツェナーによる電圧設定

(17)

（Ａ）基本構成・動作

＊中間電源

Vc

に対して：ハイサイド／ローサイド

SW

で交互に駆動（ハーフブリッジ：

H

型構成の片側のみスイッチの構成）

＊１次側を交互駆動

⇒

２次側：フォワード電源動作

＊出力電圧：

＊２つの

SW

のデュティ（＜

0.5

）は同じ・・・偏磁は発生しない

3-4 その他のコンバータ電源

（１）ハーフブリッジ型電源

V^F

ON

VSH

V^SＬ

V

^F= n² n¹

V^B

2

V

o =2･D =D Vn² B

n1

V^B 2

n2

n¹

VB

SH

SL

VF Vo

VC

(3-1)

(18)

（B)１次側サージ電圧の吸収

・S

^H

がOFFすると、図の極性でコイルにサージ電圧発生

⇒ コンデンサC

L

と、S

^L

のボディ・ダイオードによりサージ電圧を吸収・同様に、S

L

がOFFする

と、コイルに逆極性のサージ電圧発生

⇒ コンデンサC

H

と、S

H

のボディ・ダイオードによりサージ電圧を吸収

サージ電圧の吸収 VB

SH

SL

＋ ^C^H

CL

（A) S^H:OFF時

－

VB SH

SL ＋

CH

CL

（B) S^L:OFF時

(19)

（C) 構成例

ａ）２次側回路：１巻線＋全波整流方式

VB

Vc

(a) 全波整流方式１

◆ハーフ・ブリッジ構成

・コンダンサのばらつきが大きい ⇒ Vcの電圧がずれる・トランスの直流電流差が発生

⇒

偏磁

◆２次側回路例１

・全波整流回路

⇒ ２次側巻線１つ

(20)

ｂ）自己同期整流回路

＊２次側の動作: SW：NMOS⇒ VG>0 でON ・VSH:ON のとき（赤矢印）

V2A ＞0 、V2B ＜0、

ゲート電圧： VGB=V2A＞0 ⇒ SW2B:ON VGA=V2B＜0 ⇒ SW2A:OFF ・VSL:ON のとき（青矢印）

V2A ＜0 、V2B ＞0、

VGB=V2A＜0 ⇒ SW2B:OFF VGA=V2B＞0 ⇒ SW2A:ON ・VSH:OFF、 VSL:OFF のとき、

V2A =V2B =0 ⇒ SW2A=SW2B:OFF

■ ２次側のクロス構成により、

互いの出力電圧で、

反対側のSWゲートを駆動

（ｃ）電圧波形 V^F

ON

VSH

V^SＬ

V^2A

V^SＬ

(ｂ) 自己同期整流方式

Vin

V2A

V2B

SW2A

SW2B VF

(21)

● 基本構成・動作

＊トランスの１次側両端を、

４個のＳＷで

駆動

＊Q

1

とQ

3

が同時にON／OFFし、Q

2

とQ

4

が同時にON／OFFし、

これらのON期間は互いに等しく、交互に繰り返される。

＊サージ電圧は、反対側

Q

のボディ・ダイオードで回生＊出力電圧：

（２）フル・ブリッジ型電源

2次巻線 V^B

IL1

Q¹

Q⁴

Q²

Q³

V^B

I1

I²

２次回路負荷回路

２次回路構成は多数あり

V

^o=２･D Vⁿ² B

(3-2)

n¹

(22)

●基本構成

＊Q

1

とQ

2

を交互に、尐し間を空けてON/OFF

＊２つの１次巻線は同じ巻数、２つの２次巻線も

同じ巻数

＊Q

1

が ONで D

1

が導通、Q

2

が ONで D

2

が導通

＊サージ電圧は、反対側 Qのボディ・ダイオードで回生＊出力電圧：

（３）プッシュ・プル型電源

V

o =２･D Vⁿ² B

(3-3)

n¹

Q1

D1

Q2

D² n¹ ： n²

VB

プッシュプル・コンバータ

(23)

(24)

パワーエレクトロニクス工学論

３．絶縁型DC-DCコンバータ電源技術

3-1 絶縁型スイッチング電源の概要 3-2 フライバック・コンバータ電源

3-3 フォワード・コンバータ電源

3-4 その他のコンバータ電源

・ハーフブリッジ型電源 ・フルブリッジ型電源 ・プッシュプル型電源

パワーエレクトロニクス工学論

電源方式 電力規模

（１）フライバック・コンバータ電源 小電力：～

（２）フォワード・コンバータ電源 中電力：

～

（３）ハーフ／フル・ブリッジ電源

大電力：

～数百

（４）プッシュ・プル電源 大電力：～数

（１）回路方式による分類

（Ａ） 基本的な方式：

コンバータにも適用可

3-1 絶縁型スイッチング電源の種類と概要

３．絶縁型 DC-DC コンバータ電源技術

（Ｂ） 基本構成と特徴

●メリット：１）電圧変換率の改善：デューティの改善

・デューティの拡大：トランス巻数比で、２次電圧を低減 ２）メインスイッチの電流容量を低減

・トランス巻数比で、１次パルス電流を低減

●デメリット：１）メインスイッチにサージ電圧：高耐圧素子必要

２）電圧制御が複雑：フォトカプラ、３次巻線の利用

（２） 各種電源方式

（Ａ） 基本回路構成

＊構成上の特徴

・トランスの巻線は異極性 ・２次側に整流ダイオード 昇圧形電源を形成

＊トランスの動作

１）

時 （図Ａ）

１次側に励磁電流

２次側は逆電圧で

・エネルギの蓄積

２）

時（図Ｂ）

２次側に反転電圧

3-2 フライバック・コンバータ電源

（１） 基本回路と動作

（Ｂ）

次／

次側 電圧・電流波形

● メイン

の時

＊メイン

が

の時、

次側巻線には負電圧発生：

∴ Ｉ

次側回路が無いのと等価

トランス：Ｌ と等価

この間、トランス内に電磁エネルギを蓄積 磁路内に微尐なギャップを設ける

トランス構造が大きくなる

● メイン

の時

＊メイン

が

の時、

次側巻線が無いのと等価

＊２次側には、ダイオードＤを 通り、Ｉ

が流れる

＊

はエネルギを放出

トランス：Ｌ と等価

（Ｃ） 等価回路

■フライバックコンバータと昇圧形コンバータの比較

＊昇圧形コンバータは、メイン

共 Ｌの値は同じ よって コイル電流が連続

＊フライバック・コンバータはトランスなので、

・メイン

が

時には

次側インダクタンスで、

時には

次側インダクタンスで動作 ・トランス内部磁束が連続：

･

･

フライバック・トランスは Ｌ として機能

・ハーフブリッジ型電源・フルブリッジ型電源・プッシュプル型電源

電源方式電力規模

（１）フライバック・コンバータ電源小電力：～

（２）フォワード・コンバータ電源中電力：

（４）プッシュ・プル電源大電力：～数

（Ａ）基本的な方式：

（Ｂ）基本構成と特徴

・デューティの拡大：トランス巻数比で、２次電圧を低減２）メインスイッチの電流容量を低減

（２）各種電源方式

（Ａ）基本回路構成

・トランスの巻線は異極性・２次側に整流ダイオード昇圧形電源を形成

時（図Ａ）

（１）基本回路と動作

次側電圧・電流波形

トランス：Ｌと等価

この間、トランス内に電磁エネルギを蓄積磁路内に微尐なギャップを設ける

＊２次側には、ダイオードＤを通り、Ｉ

トランス：Ｌと等価

（Ｃ）等価回路

共Ｌの値は同じよってコイル電流が連続

次側インダクタンスで動作・トランス内部磁束が連続：

フライバック・トランスはＬとして機能

（２）３次巻線の働き・動作

■ 「制御回路」に供給する電源は、一般的に「起動回路」と「

を介して供給ただし、

（Ａ）３次巻線の動作

（Ｂ）２次巻線と３次巻線の電圧関係

（３）フライバック・コンバータのフィードバック例

＊１次－２次間で絶縁必要・・・一般にフォトカプラ使用

（Ａ）２次回路からの負帰還方式（正確な制御）

（Ｂ）３次巻線による負帰還方式

＊１次側で回路処理・・・制御ＩＣ内に内蔵可能

・２次側で降圧形電源を構成

＊トランスの動作１）

が流れる２）

（Ａ）基本回路構成

（１）基本回路と動作

（Ｂ）全体回路

＊リセット巻線の動作１）