３．絶縁型

(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・ダブルフォワード型電源・フルブリッジ型電源・プッシュプル型電源

小山高専/群馬大学小堀康功

(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・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

メインスイッチ 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

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

・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

・トランスの極性が反対・２次側に整流ダイオード

＊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

Di

導通で電流供給・エネルギの放出

R^L

フライバック・トランス

(Flyback Transformer) PWM制御

回路

C^L

V^B 1次

巻線

2次巻線

図A SW ON 時図B SW OFF 時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

∴ Ｉ

２=0 → 2

次側回路が無いと等価

V^B

VB

V^DS I1

トランス：Ｌと等価

V^DS

I¹ V^B

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少なギャップを設ける

⇒

トランス構造が大きくなる

(7)

● メイン

SW OFF

の時

等価回路

＊メイン

SW

が

OFF

の時、

1

次側巻線が無いと等価

＊２次側には、ダイオードＤを通り、Ｉ

2

が流れる

RL

CL

V² I²

トランス：Ｌと等価

R^L C^L

V^B

OFF

V2

I¹

I2

V^DS

VB 0

0 V^DS

I2

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相違点

＊

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は連続

＊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。

＊制御回路には、起動回路が必要・・・

V^B

より

R

を介して供給

ただし、

V^B

は通常高電圧なので常時供給では、損失が大きい

＊３次巻線は、制御回路への電圧供給

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

(10)

（Ｂ）２次巻線と３次巻線の電圧関係

■ メイン

SW OFF

の時

2

次巻線と

3

次巻線のピーク電圧は、

比例する

RL

PWM制御回路

C^L

VB 2次

巻線起動回路

3次巻線

V2 V3

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

1次側 ON

(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

（Ａ）２次回路からの負帰還方式

RL

C^L V^B

PWM 制御回路

フォトカプラ

Vo

ツェナーＤｉフライバック・コンバータの負帰還回路例（２次側帰還）

(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

・トランスの極性は同じ

・２次側で降圧形電源を構成

＊トランスの動作１）

SW ON

時

１次側に励磁電流

２次側に正極電圧

V²

が発生

⇒ D¹

が

ON

して電流

I^2on

が流れる２）

SW OFF

時

２次側に逆電圧が発生

⇒ D¹

が

OFF で、トランス電流なし ⇒ D²

が

ON

して電流

I^2off

が流れる

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

I^L V^B

0

SW ON

I^2on 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

・トランスには

ON

期間のみ電流

⇒一方向電流：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

●側：＋であり、電流

Ir=0

２）

SW OFF

時

●側：－であり、リセットダイオード

ON

よって

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

■ 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

(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ストレス電圧

=

２

V^B

V^DS

2V^B

0 VB

0 -VB

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

(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

トランス鉄芯にエネルギ蓄積の必要性

電圧帰還回路の１次・2次絶縁分離の必要性

必要なし

トランスの小型・軽量可能

→中・大電力用途

必要あり

トランス大・重い →小電力用途

（微小ギャップも必要）

必要あり

２次側の最終出力からの電圧帰還が必要

必要なし→帰還回路がシンプル３次巻線電圧が２次側最終電圧と比例関係

(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

電圧波形

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次側回路に全波整流方式を採用

VB

Vc

(a) 全波整流方式１

◆フルブリッジ構成では

・コンダンサはばらつきが大きい ⇒ 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）２次回路の自己同期整流回路

＊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２重構成により、互いの出力電圧でSWゲートを相互にドライブ

（ｃ）電圧・電流波形 VF

ON

V^SH

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。

＊

SW

の耐圧は半分、電流はハーフブリッジの半分

＊サージ電圧は、反対側

Q

のボディ・ダイオードでクランプ＊出力電圧：

（２）フル・ブリッジ型電源

2次巻線 V^B

I^L1 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

(3-4)

n¹

フルブリッジ・コンバータ

(22)

●基本構成

＊Q

1

とQ

2

を交互に、少し間を空けて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

＊１次巻線を交互に逆方向に同期間励磁

＊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・ダイオードでクランプ＊出力電圧：

（３）プッシュ・プル型電源

V

o =２･D Vⁿ² B

(3-5)

n¹

Q1

D1

Q2

D² n¹ ： n²

VB

プッシュプル・コンバータ

３．絶縁型

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 ・ダブルフォワード型電源 ・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：～ 70W

（２）フォワード・コンバータ電源 中電力： 50W ～ 200W

（３）ハーフ・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

（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

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

・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

・トランスの極性が反対 ・２次側に整流ダイオード

＊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

導通で電流供給 ・エネルギの放出

3-2 フライバック・コンバータ電源

（１） 基本回路と動作

（Ｂ） 1 次／ 2 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 磁路内に微少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、

次側巻線が無いと等価

＊２次側には、ダイオードＤを 通り、Ｉ

が流れる

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相違点

＊

は、メイン

共 Ｌの値は同じ よって コイル電流は連続

＊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

昇圧形電源と等価

（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「

次巻線」で得る。

＊制御回路には、起動回路が必要・・・

より

を介して供給

・ハーフブリッジ型電源・ダブルフォワード型電源・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：～ 70W

（２）フォワード・コンバータ電源中電力： 50W ～ 200W

（３）ハーフ・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

（Ａ）基本的な方式： AC-DC コンバータにも適用可

（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

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

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

・トランスの極性が反対・２次側に整流ダイオード

時（図Ａ）

導通で電流供給・エネルギの放出

（１）基本回路と動作

（Ｂ） 1 次／ 2 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少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は連続

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「

（Ａ）３次巻線の動作

（Ｂ）２次巻線と３次巻線の電圧関係

次巻線のピーク電圧は、

（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

（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）