コントローラの設計と安定性解析

コントローラは、システムの動的応答、安定性、および性能を制御するDC/DCコンバータの設計において重要な要素です。コントローラの主な機能は、コンバータが必要な量の電力を負荷に供給できるように、出力電圧または電流を調整することです。このセクションでは、DC/DCコンバータ設計の重要な側面であるコントローラの設計と安定性の解析について説明します。

コントローラの設計

DC/DCコンバータは、アナログコントローラとデジタルコントローラの両方を使用できます。その単純さと使いやすさから、電圧モード制御 (VMC) や電流モード制御 (CMC) のようなアナログコントローラが広く使用されています。最近では、デジタルコントローラが人気を集め、プログラマビリティ、柔軟性、パフォーマンスの向上といった利点を提供しています。コントローラタイプの選択は、アプリケーション固有の要件と必要なパフォーマンス特性によって異なります。一般的に、コントローラの設計プロセスには以下のステップが含まれます。

• 制御戦略の選択 (VMCまたはCMCなど)
• 補償器およびフィードバックネットワークを含む制御ループの設計
• 必要な動的応答と安定性マージンを達成するためのコントローラパラメータの調整

安定性分析

コントローラ設計の重要な要素は、安定性解析です。これにより、動作条件の変化や負荷の変動に直面しても、コンバータが安定した状態を維持できることが保証されます。適切に設計されたコントローラは、安定性を維持し、発振や好ましくない過渡反応を回避するために十分な位相と利得マージンを提供する必要があります。

DC/DCコンバータの安定性は、時間領域技術、周波数領域技術、状態空間分析など、さまざまな方法を使用して検証できます。最も一般的なテクニックは次のとおりです。

ボード線図 : ボード線図は、コンバータの制御ループのオープンループゲインと位相をグラフィカルに表現します。ボード線図を分析することで、エンジニアは安定性マージンを評価し、安定性を確保するための適切な補償器設計を決定できます。

根軌跡解析 : この手法では、コンバータの制御ループの特性方程式の根を、ループ利得などの可変パラメータの関数としてプロットします。根軌跡解析は、安定性特性を明らかにし、全動作範囲にわたって安定性を維持するようにコントローラを設計するのに役立ちます。

状態空間分析 : 状態空間解析は、状態変数と状態方程式を使用してコンバータの動態を表す数学的手法です。このアプローチにより、システムの安定性と動的応答を包括的に解析できるため、より高度なコントローラと補償器の設計が可能になります。

ソフトスイッチングトポロジー

ソフトスイッチング技術は、効率の向上、電磁障害 (EMI) の低減、スイッチング損失の最小化に役立つため、高度なDC/DCコンバータ設計の重要な側面です。コンバータ部品のエネルギー損失とストレスを最小限に抑えるために、ソフトスイッチング方式では、通常、電圧または電流ストレスを最小限に抑えてオンとオフの間でスイッチを切り替えようとします。このセクションでは、DC/DCコンバータにおけるソフトスイッチング方式の基本的な考え方と実用的な応用について説明します。

ソフトスイッチング技術のタイプ

ソフトスイッチング技術は、大きく2つのタイプに分類できます。ゼロ電圧スイッチング (ZVS) とゼロ電流スイッチング (ZCS) です。

ゼロ電圧スイッチング (ZVS) : ZVSでは、スイッチの電圧がゼロまたはゼロに近いときに、スイッチはオフからオンに遷移します。この技術は、スイッチをオンにしたときにスイッチを横切る電圧がほとんど、またはまったく無いため、スイッチのスイッチング損失とストレスを低減します。

ゼロ電流スイッチング (ZCS) : ZCSでは、スイッチを通る電流がゼロまたはゼロに近いときに、スイッチはオンからオフ状態に遷移します。その結果、スイッチをオフにしたときに電流がないため、スイッチのスイッチング損失とストレスが最小限に抑えられます。

ソフトスイッチング技術の実装

ソフトスイッチング技術は、コンバータのトポロジーと必要な性能特性に応じて、さまざまな方法で実装できます。一般的なアプローチには以下が含まれます。

共振コンバータ : 共振コンバータは、指定された共振周波数で機能するように構成されているため、ソフトスイッチングが可能です。インダクタやコンデンサなどの共振素子を使用することで、ZVSまたはZCS動作を実現し、スイッチング損失を低減し、効率を向上させることができます。

補助回路 : 補助回路をプライマリコンバータ回路に追加して、ソフトスイッチング動作を簡単にすることができます。スイッチング遷移中にエネルギーが輸送される共振経路を提供するために、これらの回路には多くの場合、追加のスイッチ、ダイオード、および受動部品が含まれています。

位相シフト制御 : ソフトスイッチング動作を実現するために、フルブリッジコンバータは位相シフト制御技術を使用します。ZVS動作は、一次側スイッチのゲート駆動信号の相対位相を変更することにより、スイッチング損失を低減し、効率を向上することができます。

利点と課題

ソフトスイッチング技術の主な利点は、スイッチング損失の低減、効率の向上、およびEMIの最小化です。しかし、ソフトスイッチング技術の実装には、回路の複雑化、受動部品の追加、制御方式の高度化などの課題が伴います。

絶縁型DC/DCコンバータ

パワーエレクトロニクスシステムでは、絶縁型DC/DCコンバータが不可欠です。特に、コンバータの入力側と出力側の間にガルバニック絶縁が必要な場合に重要です。この絶縁により、安全性、ノイズ耐性、および入力と出力の間に直接電気的接続を行うことなく電圧をステップアップまたはステップダウンする機能が提供されます。このセクションでは、絶縁型DC/DCコンバータの原理、トポロジー、および設計上の考慮事項について説明します。

絶縁の原理

DC/DCコンバータでは、コンバータの設計にトランスを含めることで絶縁が行われることがよくあります。トランスは、入力回路と出力回路の間でエネルギーを伝送するために、直接的な電気接続ではなく磁気カップリングを使用してガルバニック絶縁を作ります。この絶縁により、入力回路と出力回路間の高周波ノイズやコモンモード電圧の流れを防ぎ、異なる電圧レベルで動作する回路間の直流経路を防ぐことで安全性を確保します。

一般的な絶縁コンバータトポロジー

絶縁型DC/DCコンバータには、一般的に使用されるトポロジーがいくつかあり、それぞれ独自の機能とアプリケーションを備えています。

フライバックコンバータ : フライバックコンバータは、そのシンプルさと部品数が少ないことにより、低消費電力から中消費電力のアプリケーションに広く使用されています。スイッチオンの間にトランスの磁場にエネルギーを蓄え、スイッチオフの間にそのエネルギーを出力回路に伝達します。

順方向コンバータ : 順方向コンバータはフライバックコンバータに似ていますが、出力側に別のインダクタを使用してエネルギーを蓄えるため、効率が高く、出力電圧リップルが低減されます。このトポロジーは中電力用のアプリケーションに適しています。

プッシュプルコンバータ : プッシュプルコンバータは、交互に動作する2つのスイッチを利用して、トランスを介して出力にエネルギーを伝達します。このトポロジーは、フライバックおよび順方向コンバータよりも高い電力能力と低い出力電圧リップルを提供します。

フルブリッジおよびハーフブリッジコンバータ : これらのトポロジーは、高電力アプリケーションに使用され、シンメトリーな動作により高効率を提供します。4つのスイッチ (フルブリッジ) または2つのスイッチと2つのダイオード (ハーフブリッジ) を使用してトランスの一次側で方形波を生成し、出力側への効率的なエネルギー伝達を実現します。

設計上の考慮事項

絶縁型DC/DCコンバータの開発中に最高の性能を得るには、以下のようないくつかの基準を考慮する必要があります。

トランスの設計 : 絶縁コンバータの絶縁レベル、効率、および電力伝送能力はすべてトランスの設計によって決まります。アプリケーションのニーズに基づいて、コア材料、巻線比、巻線方法などのパラメータを慎重に選択する必要があります。

制御とフィードバック : 絶縁型コンバータの出力電圧を制御するには、フィードバック機構が必要です。このフィードバックは、情報の転送中に絶縁を提供するフォトカプラ、または専用の絶縁アンプまたはデジタルアイソレータを使用して実現できます。

スイッチング周波数と効率 : トランスやその他の受動素子のサイズ、およびコンバータの全体的な効率は、使用するスイッチング周波数の影響を受けます。より小さなトランスは、より高い周波数で可能ですが、スイッチング損失と EMIが上昇する可能性があります。

保護機能 : 異常な状況での安全な動作を確保するために、絶縁型コンバータには過電圧、過電流、過熱保護などの保護機能が必要です。

マルチ出力コンバータ

マルチ出力コンバータは、さまざまな負荷や部品に電力を供給するために複数の電圧レベルを必要とするパワーエレクトロニクスシステムの重要な要素です。これらのコンバータは、単一の入力ソースから多くの出力電圧を生成することを可能にし、システム効率を高め、複雑さを低減します。このセクションでは、マルチ出力コンバータの基礎、一般的なトポロジー、および設計上の考慮事項について説明します。

マルチ出力コンバータの利点

マルチ出力コンバータを使用すると、各電圧レベルに個別のシングル出力コンバータを使用する場合と比較して、いくつかの利点があります。

部品数の削減 : マルチ出力コンバータでは、必要な部品数が少なく、小型で、コスト効率の高い設計が可能です。

効率の向上 : 共通の部品を共有し、単一の入力ソースから動作することにより、マルチ出力コンバータは、複数の絶縁された単一出力コンバータよりもより良い全体的効率を達成できます。

制御とモニタリングの簡素化 : 1つのコントローラで複数の出力電圧を管理できるため、制御回路とモニタリング回路の複雑さを軽減できます。

強化されたロードレギュレーション : マルチ出力コンバータの出力電圧は厳密に調整されるように設計でき、さまざまな負荷への安定した電力供給を保証します。

マルチ出力コンバータの一般的なトポロジー

マルチ出力コンバータの実装には、さまざまなトポロジーを使用できます。最も一般的なトポロジーには、次のようなものがあります。

複数出力のフライバックコンバータ : フライバックコンバータは、トランスとフィルタに二次巻線を追加することで、複数の出力電圧を供給するように簡単に調整できます。望みの出力電圧を生成するために、各二次巻線は異なる出力整流器に結合されます。

複数出力の順方向コンバータ : フライバックコンバータと同様に、順方向コンバータはトランスに二次巻線を追加することで、多数の出力電圧を供給することができます。各出力は、出力インダクタを使用してエネルギーを蓄積し、電圧リップルを低くします。

降圧派生マルチ出力コンバータ : このトポロジーでは、1つの降圧コンバータを一次段として使用し、追加の降圧または昇降圧コンバータを一次段の出力に並列に接続して、必要な出力電圧を生成します。

Ćuk派生マルチ出力コンバータ : 追加のĆukコンバータ段を一次段と直列に接続することにより、Ćukコンバータは複数の出力を提供するように設計することができます。各段で独立した出力電圧が生成されます。

マルチ出力コンバータの設計上の考慮事項

エンジニアは、最大の性能と信頼性の高い動作を保証するために、マルチ出力コンバータを構築する際に、いくつかの基準を考慮する必要があります。

出力電圧レギュレーション : 1つの出力電圧が変化すると、他の出力電圧に影響を与える可能性があるため、クロスレギュレーションはマルチ出力コンバータの一般的な問題です。クロスレギュレーションの影響を低減するには、コンバータを適切なフィードバックおよび制御メカニズムで設計する必要があります。

ロードバランシング : コンバータは、さまざまな出力のさまざまな負荷状況に対応するように構築する必要があります。各出力の負荷は、ロードバランシング技術を使用して均等に分散できます。

トランスの設計 : マルチ出力コンバータの性能は、コア材料、巻線比、巻線方式などのトランスの設計に大きく影響されます。

制御戦略 : 厳格なレギュレーションと安定性を確保するためには、出力ごとに効果的な制御技術を実装することが不可欠です。アプリケーションのニーズに応じて、単一のコントローラを使用してすべての出力を管理するか、出力ごとに個別のコントローラを使用することができます。

EMIおよびノイズ低減技術

電磁障害 (EMI) とノイズは、パワーエレクトロニクスシステム、特にDC/DCコンバータでは重要な問題です。これらの現象により、システムの部品が損傷したり、不安定な動作をしたり、機能が低下したりする可能性があります。このパートでは、DC/DCコンバータのEMIとノイズの起源と、それらを低減および軽減するためのいくつかの方法について説明します。

DC/DCコンバータのEMIおよびノイズの発生源

DC/DCコンバータには、次のような多くのEMIおよびノイズの原因があります。

• スイッチングの過渡現象は、パワー半導体デバイスが迅速に切り替わるときに発生し、伝導電磁障害 (EMI) と放射電磁障害 (EMI) の両方を発生させます。
• 寄生要素 : 寄生抵抗、インダクタンス、および静電容量はコンバータ内のノイズ生成に寄与する可能性があり、インダクタ、コンデンサ、さらにはPCBのトレースにも見られます。
• 負荷の変動 : 負荷が突然変化すると、過渡の電圧や電流が変動し、EMIやノイズが発生する可能性があります。
• グラウンドループ : 意図しないグランドループは、循環電流を発生させ、不要なノイズや干渉を引き起こす可能性があります。

EMIおよびノイズ低減用技術

EMIおよびノイズを低減するために、いくつかの技術を使用することができます。

• 入出力フィルタ : インダクタとコンデンサを備えたローパスフィルタを含む受動フィルタをコンバータの入出力に実装し、高周波ノイズとEMIを減衰させることができます。
• シールド : 金属製エンクロージャなどの導電性材料を使用してコンバータをシールドすることで、放射EMIが他の部品やシステムに影響を与えるのを防ぐことができます。
• 適切な接地 : スター結線の接地を含む適切な接地方式を実装することで、グランドループを最小限に抑え、ノイズ結合を低減できます。
• スナバ回路 : 抵抗とコンデンサで構成されるスナバ回路は、パワーデバイスのスイッチングに伴う電圧や電流の過渡を抑制するために使用できます。
• スペクトラム拡散技術 : コンバータのスイッチング周波数を変調すると、EMIエネルギーがより広い周波数幅に広がり、全体的なピークEMIレベルが減少する可能性があります。
• ソフトスイッチングトポロジー : ゼロ電圧スイッチング (ZVS) やゼロ電流スイッチング (ZCS)などのソフトスイッチング技術を実装することで、高周波スイッチング過渡とEMIの発生を低減できます。
• PCBレイアウトの例 : 部品の配置、トレースの経路、ループ面積の最小化など、PCBレイアウトを適切に設計することで、EMIとノイズ結合を大幅に削減できます。

EMI規格とコンプライアンス

電子機器の安全で信頼性の高い動作を保証するために、多くの規制機関がEMI規格と推奨事項を作成しています。これらの仕様では、EMIの許容限度とテスト方法が規定されており、コンプライアンスを保証します。CISPR、FCC、およびIEC規格は、広く使用されているEMI規格のいくつかの例です。DC/DCコンバータは、該当するアプリケーションに必要なEMI要件を満たすように設計する必要があります。