新しいフライバックコンバータ用同期整流器の進歩
はじめに
フライバックトポロジーは、そのシンプルさと広い動作範囲にわたる堅牢性により、数十年にわたって低電力AC/DCアプリケーションを支配してきました。近年、効率を大幅に改善するために、同期整流器 (SR) がフライバックベース電源の従来のショットキーダイオードに取って代わりました。
効率と電力密度に対する要求が年々高まっているため、フライバックコンバータは従来のフライバックトポロジーから進化し続けなければなりません。ゼロ電圧スイッチング (ZVS) フライバック、アクティブクランプフライバック (ACF)、ハイブリッドフライバックなど、いくつかのバリエーションがAC/DCアプリケーションに実装されており、スイッチング損失を低減しながらZVSを実現しています。これにより効率が向上し、スイッチング周波数が高くなります。これは、高電力密度の設計にとって重要です。
ただし、これらの新しいフライバックの変更での異なる動作原理は、SR制御に新たな課題をもたらします。特に、同期整流器は通常、ゼロ電圧スイッチングを実現する追加のスイッチングパルスにより、1つのスイッチングサイクルで2回ターンオンします。同期整流器の2回目のターンオンサイクルは、多くの既存のSRコントローラに重大なシュートスルーを引き起こす可能性があります。本稿では、同期整流を備えた新しいフライバックの変更を設計する際の重大なシュートスルーのリスクに対処するためのソリューションを提案します。
ZVSを使用したバリアントフライバックトポロジーのタイプ
一般的に、フライバックコンバータのゼロ電圧スイッチングは、磁化インダクタンスを負の極性にバイアスすることによって実現され、一次スイッチがオンになる前にインダクタ電流によって電圧がゼロに引き下げられます。
図1は、現在市場で入手可能な標準ZVSフライバックである、補助巻線ベースのZVSフライバックトポロジーを示しています。
図1 : 補助巻線ベースのZVSフライバックトポロジー
図2は、ZVSフライバックコントローラの標準的な動作波形を示しています。
図2 : ZVSフライバックコントローラの代表的な動作波形
プライマリMOSFET (QP) およびSR MOSFET (QS) に加え、 ZVS実装をサポートする補助MOSFET (QA) があります。各スイッチングサイクルでQPがターンオンする前に、QAがまず短い間ターンオンになり、トランスの補助巻線を介して磁化インダクタンスを負の極性にバイアスします。このプロセスは、QPがオンになる前にQPドレイン - ソース間電圧 (VDS_QP) を0Vに引き下げ、ゼロ電圧スイッチングが実現されます。
QAは通常、QPとともに一次側グランドに配置されます。そのため、QAとQPは プライマリ フライバックコントローラによって制御され、正確な同期を実現します。SRコントローラは2次側グランドに配置され、QSドレイン - ソース間電圧 (VDS_QS) の極性のみに基づいてターンオンのタイミングを決定します。QPがターンオフすると、磁化電流は二次側に強制的に流れるため、出力に効率的に電力を供給するために、QSはVDS_QSが負になるとすぐにターンオンする必要があります。QAがターンオンすると、トランスの補助巻線と二次巻線が同じ極性を共有するため、VDS_QSも負になります。
その結果、一次側コントローラへの通信経路がない場合に、SRコントローラがQPのターンオフとQAのターンオンの区別が難しくなる場合があります。これにより、ほとんどの既存のSRコントローラで2回目のターンオンイベントが発生する可能性があります。QAのオンタイムは非常に短くなる傾向があり、QAに続いてQPがすぐにターンオンするので 、SRコントローラは、この最小オン時間モードの間も動作を継続し、すぐにオフにすることはできません。この状況では、一次側と二次側の間でシュートスルーが発生する可能性があり、電力コンバータの信頼性の問題が生じます。
図3は非相補動作モードでのACFトポロジーを示しています。これは不連続導通モード (DCM) を使用して、相補モードと比較して軽負荷効率を向上させます。
図3 : ACFトポロジー
図4は、ACFトポロジーの代表的な動作波形を示しています。このトポロジーでは、QPをターンオンする前に、クランプMOSFET (QC) を再度ターンオンすることでゼロ電圧スイッチングを実現します。これにより、シュートスルーの潜在的なリスクを伴う2番目のSRゲートも発生します。
図4 : 非相補モードでのACFトポロジーの代表的な動作波形
図5は、DCMのハイブリッドフライバックトポロジーを示しています。ハイブリッドフライバックトポロジーでは、共振コンデンサを利用し、トランスを介して余分な電力を出力し、ハイサイドMOSFET (QH) とローサイドMOSFET (QL) の両方でZVSを実現します。したがって、ハイブリッドフライバックトポロジーは、従来のフライバックトポロジーと比較して、より高電力のアプリケーションに適しています。
図5 : ハイブリッドフライバックトポロジー
図6は、ハイブリッドフライバック トポロジーの代表的な動作波形を示しています。DCMでは、QHは 短期間でQLをターンオンすることでZVSを実現します。その結果、ハイブリッドフライバックトポロジーでも、2番目のSRゲートとシュートスルーが発生する可能性があります。
図6 : DCMのハイブリッドフライバック トポロジーの代表的な動作波形
ZVSフライバックトポロジー向けの信頼性の高いSR制御
前のセクションで説明したように、ほとんどの既存のSRコントローラは、ドレイン - ソース間電圧を特定の電圧しきい値と比較するだけで、ターンオンとターンオフのタイミングを決定します。これにより、同期整流器が各スイッチングサイクルで2回オンになる可能性があり、最小オン時間ロジックと対立し、シュートスルーのリスクが高まる可能性があります。各スイッチングサイクルでの1番目と2番目のターンオン発生を区別し、あらゆる動作条件下でのシュートスルーを防止するには、高度な同期整流器制御方式が必要です。
MP6951は、MPSの最新のSRコントローラであり、インテリジェントな制御スキームを採用して、ターンオンイベントを区別し、シュートスルーのリスクを管理します。MP6951は、ドレイン - ソース間電圧の変化する極性をモニタするだけでなく、ハイレベルのパルスの振幅と持続時間をモニタします。
図7は、MP6951がドレインのソースのピーク電圧に基づいて、電圧しきい値 (VP) を発生するところを示しています。各スイッチングサイクルで、ドレイン - ソース間電圧がVPとリアルタイムで比較されます。完全なターンオンロジックは、正のパルスが設定可能な時間 (tW) より長く続く場合のみ有効になり、同期整流器は、ドレインとソースの極性が反転するとすぐにオンになります。
図7 : MP6951の電源投入条件
さもないと、ドレインからソースへの極性が反転した場合でも、ターンオンロジックが無効になるか遅延します。同期整流器は、ドレイン - ソース間電圧がVPを超えない、または正のパルスの持続時間がtWを超えないためゼロ電圧スイッチングのための2番目のパルス中にオンになりません。さらに、MP6951は、入力電圧と出力電圧のさまざまな組み合わせに基づき、内部でtWロジックを内部で調整します。その結果、同期整流器は常に最適なタイミングでターンオンできます。
図8に、ZVSフライバックトポロジーを使用した場合のMP6951の動作波形を示します。通常、SRゲートは一次側MOSFETがオフになるとすぐにオンになります。ただし、他のスイッチ (QA、QC、QLを含む) がゼロ電圧スイッチングのためにオンする場合は、SRゲートはオンになりません。そのため、シュートスルーのリスクは完全に排除されます。
図8 : ZVSフライバックコンバータにおけるMP6951の動作波形
結論
より高い電力密度と効率に対する市場の要求を満たすために、新しいフライバックのバリエーションが急速に開発され、実装されています。実際のアプリケーションでは、より多くのゼロ電圧スイッチングのバリエーションが採用されているため、SRコントローラも適応させる必要があります。同期整流器市場のリーダーとして、MPSはMP6951を用いて、比類のないレベルの堅牢で信頼性の高いSR動作を提供します。既存のSRコントローラと比較して、MP6951は、ZVS動作中のシュートスルーのリスクを排除するという重要な利点を備えた、あらゆるフライバックの変更に完全に適合できます。さらに、最先端のアダプタ製品の中でMP6951の制御方式の有効性は、理論と製造において十分に検証されています。
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