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PoE-btアプリケーション用アクティブクランプ方式フォワードコンバータの設計 (パートII)

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はじめに

この記事は、PoE-btアプリケーション用にアクティブクランプ方式コントローラを設計する方法をご紹介する2部構成のシリーズの後半です。パートIでは、PoEアプリケーションのほか、フォワードコンバータ・トポロジとアクティブクランプの基本について説明します。パートIIでは、さらに詳しく説明し、二次側同期整流MOSFET、二次スパイク吸収回路、およびPoE-btアプリケーションの効率検証プロセスについて説明します。

同期整流

フォワード回路の二次側には、通常、励起インダクタンスと出力インダクタンス用に2つのフリーホイール・ダイオードが必要です。これらのダイオードは、高電流出力下でのフリーホイール・プロセス中にかなりの損失につながります。そのため、効率を向上させるために、ダイオードの代わりにMOSFETトランジスタがよく使用されます。フォワードコンバータのプライマリ側メインスイッチは、インダクタンスと出力インダクタの環流で動作するプロセスに対応します。その結果、二次側トランスのスイッチング電圧は、二次側同期整流 (SR) MOSFETを駆動することができます。

環流で動作するMOSFETは、SR MOSFETのドレインソース電圧 (VDS) によって修正されるゲートソース間電圧 (VGS) を有します。インダクタンスと出力インダクタ電流が両方とも低い場合、出力電圧はトランスを通して整流器MOSFETをオンにします。二次側は強制連続伝導モード (FCCM) で動作し、従来のダイオード整流トポロジよりも高い非負荷損失を引き起こします。

出力電圧が高い場合、三極電圧レギュレータ回路は、二次側MOSFETのVGSが高電圧に達するのを防ぎます (図1参照)。一方、エミッタに接続されているMOSFETゲートの場合、駆動電圧はトランジスタのベース電圧の変化に従います。トランジスタのコレクタ端子は、トランスまたは出力電圧から電力を取ることができます。

図1：三極電圧レギュレータ回路

MOSFETトランジスタ駆動回路は、さらなる損失につながります。出力電圧とMOSFETトランジスタで駆動されるクランプ電圧の差が大きいほど、駆動回路の損失が大きくなります。そのため、フォワードトポロジは低電圧と高電流のアプリケーションに適しています。

二次スパイク吸収回路

二次側整流器 MOSFET (QR) がシャットダウンし、二次惰性動作 MOSFET (QF) が開くと、トランス漏洩インダクタンスが発生する場合があります。漏洩インダクタンスは、QRドレインソース間容量 (CDS) に影響を与え、リンギングはVDSに重ねられます。スパイクが高いほど、フォワードコンバータの効率に影響します。従来のRC吸収回路はQRでのVDSのリンギングを抑制できますが、比較的大きな電力損失を招きます。

RCD吸収回路は、電力損失を低減するために推奨されます(図8参照)。QRが始まると、ダイオード(D)を介して、漏洩インダクタンスエネルギーをコンデンサ(C)に蓄えることができます。QRがシャットダウンすると、コンデンサに蓄えられたエネルギーを、抵抗(R)を通して出力コンデンサと負荷に転送することができます。値が大きいコンデンサの場合は、振幅が小さくなります。一方、大きな値の抵抗器は、電力損失とリンギング振幅を低減します。

図8: RCD吸収回路

図9は、ショットキーダイオード(D)を添加して、リングピークが20%減少する様子を示します。このシナリオでは、キャパシタンス(C)を2.2nFに設定し、抵抗(R)を20kΩに設定することができます

図9: ショットキーダイオードの実装前後の呼び出し期間

効率検証

フォワードコンバータ設計を検証するために、出力電圧5V / 3.3Vの異なる電力レベルでのフォワードおよびフライバックトポロジを比較しました。アクティブクランプ方式フォワードトポロジでは、メインスイッチが起動してから補助スイッチが始動するまでの遅延時間により、補助スイッチはゼロ・スイッチング (ZVS) で動作します。ZVSはメインスイッチと複雑になることに注意してください。

切り替える前に、補助スイッチと同期整流MOSFETが開いています。補助スイッチがオフになると、次の処理が行われます。

  • メインスイッチが落ちることによる電流フロー
  • 整流MOSFETの電圧降下
  • フリーホイールMOSFETの電圧降下
  • DS容量低下
  • メインスイッチのVDSがドロップし始める

インダクタ電流は整流器MOSFETのボディダイオードを通って流れ、低電圧振幅で変圧器を横切って電圧をクランプし、メインスイッチのVDSがさらに落下するのを防ぎます。メインMOSFETがオンになると、VDSは入力電圧とほぼ同じで、起動損失につながる可能性があります。

出力が3.3V / 50Wの場合に電力損失を計算して解析することで、補助スイッチはZVSと小さな励起電流を検出するため、電力損失は小さくなります。メインスイッチの損失は、主に部分的な起動損失と伝導損失で構成されています。トランス損失は磁気損失と銅損失から成り立っています。二次側整流器MOSFETの損失は、スイッチング損失、伝導損失、および振動によるダイオード損失で構成されています。出力インダクタ損失は、磁気損失と銅損失で構成されます。

図10は、プロトタイプ効率曲線を示します。出力電力が増加すると、PoEアプリケーションの熱管理が向上するため、通常、出力電力レベルが高いフライバックコンバータよりもフォワードコンバータの効率が優れています。

図10: 効率曲線

結論

本稿では、MOSFETトランジスタとRCD吸収回路が、アクティブクランプ方式フォワードコンバータの効率を向上させる方法を検討し、その理論を検証しました。全体的に、アクティブクランプフォワードコンバータを使用したPoEソリューションは、より高い効率を提供し、RCDクランプ回路の欠点を克服し、PoE-btアプリケーションの機能をさらに強化します。

 

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