一次側のリンギングを制御する

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はじめに

フライバック電源は、最も一般的に使用されるトポロジーの1つです。通常、トランスの漏れインダクタンスにより一次側にリンギングが発生し、MOSFETに損傷を与える電圧スパイクが発生します。リンギングを制御するには、トランスとMOSFETの部品を設計することが不可欠です。MPSは、漏れインダクタンスを低減するためにRCDクランプ回路設計戦略を導入しました。この回路について、以下で詳細を説明します。

RCDクランプ回路設計

フライバック回路では、MOSFETがオフになると、トランスが一次側のエネルギーを二次側に伝えます。ただし、漏れインダクタンスのエネルギーは伝えられません。これにより、回路内の浮遊コンデンサでリンギングが発生します。漏れインダクタンスはリンギングの根本的な原因ですが、完全に排除することはできず、全体のインダクタンスの1％から5％程度です。その代わり、漏れインダクタンスは巻線方式でのみ減らすことができます。

図1は、漏れインダクタンスを低減するために使用される従来のアプローチであるサンドイッチ巻線方式を示しています。サンドイッチを作るプロセスと同様に、一次巻線 (N_P) を2つに分割し、次に二次巻線 (N_S) を、N_Pの半分、補助巻線、およびN_Pの残りの半分に巻きます。

図1 : 漏れインダクタンスを低減するサンドイッチ巻線方式

図2は、MOSFETがオフになった後の反転回路を示しています。この場合、両端の電圧は、最大入力電圧 (V_INMAX)、二次屈折電圧 (V_OR = n x V_O)、およびリンギングによって発生するピーク電圧 (V_SPIKE) の3つの部分で構成されています。入出力電圧で比率 (n) とMOSFETが選択された場合、MOSFETがストレス範囲内で動作するように、V_SPIKEは可能な限り抑制されなければなりません。リンギングを抑制するために、技術者は通常、そのシンプルな設計、低コスト、および電圧スパイクを効果的に抑制する能力によってRCDクランプ回路を選択します。

図2 : MOSがストレス範囲内で動作することを保証するためのピーク電圧の抑制

最適でない抵抗とコンデンサの値はMOSFETのストレスまたは回路の消費電力を増加させるため、RCDクランプ回路を正しく選択することが重要です。図3は、MOSFETがオンになると、エネルギーが励磁インダクタンス (L_M) および漏れインダクタンス (L_S)に蓄えられることを示しています。MOSFETがオフになると、L_Mのエネルギーが二次側に移動しますが、漏れインダクタンスのエネルギーは残ります。次に、漏れインダクタンスが解放されてD₁がオンになり、C₁が帯電します。帯電電圧がV_CLAMPに達すると、D₁がオフになり、C₁がR₁を介して放電します。

図3 : MOSFETがオン / オフするときのエネルギー伝達

R₁は、選択時に抵抗値の1/3まで引き下げる必要があります。エネルギー保存の法則によると、R₁は 式 (1)で計算できます。

クランプコンデンサの容量 (C₁) は、漏れインダクタンスのエネルギーを吸収しながら、低い脈動電圧を実現するのに十分な大きさである必要があります。脈動電圧を計算すると、通常、クランプ電圧の5％〜10％の範囲になります。C₁の最小値を決定するには、RとLの間でより小さい寄生容量を選択します。このC₁の最小値は、式 (2) を使用して計算できます。

MPSソリューション

MPSは、一次側レギュレーション (PSR) を最適化するための優れた電源ソリューションを提供します。MPX2002は、統合された一次側駆動回路、二次側コントローラ、同期整流ドライバ、および安全なコンプライアンスフィードバックを備えたオールインワンのフライバックコントローラです。デバイスの同期整流器 (SR) は、一次側MOSFETの駆動信号を整合させることにより、連続導通モード (CCM) で安全に動作できます。MPX2002出力が不十分な場合でも、ローサイドのSR MOSFETを駆動するための補助巻線は必要ありません。これは、図1にある従来のサンドイッチ巻き方式を改善します。

MP8017は、IEEE 802.3af互換のパワー・オーバー・イーサーネット (PoE) 受電デバイス (PD) です。これは、フライバックトポロジーのアクティブクランプPSR用に特別に設計されています。このICは、フォトカプラを二次側に配置することにより、アクティブクランプ・フライバックトポロジーの二次側レギュレーション (SSR) に設定することもできます。

結論

結論として、RCD回路設計は、フライバックの一次側リンギングを制御するための単純で効果的な抑制方法として使用できます。抵抗とコンデンサを注意深く選択することにより、クランプ回路は漏れインダクタンスのエネルギーをよりよく吸収することができます。さらに、RCDクランプ回路は中心的な励磁インダクタンス容量を消費せず、ピーク電圧と電源デバイスのスイッチングストレスの両方を低減します。

RCD回路設計の詳細については、アクティブクランプフォワードコンバータの設計に関する寄稿文パートIとパートIIのシリーズをお読みください。

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