一次側 vs 二次側レギュレーション
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はじめに
フライバック電力コンバータは、現在、最も一般的なコンバータトポロジーの一つです。これは、設計が単純であることと、特に中レベルの電力範囲 (2W〜100W) で提供できる競争力のあるサイズ / コスト / 効率比とによるものです。
他のコンバータトポロジーと同様に、フライバックコンバータはパワーパスと制御パスで構成されます。パワーパスは、あるタイプから別のタイプへの電力変換を担当し、他のスイッチング電力コンバータと同じ要素 (2つのスイッチ (MOSFETとダイオード) 、コンデンサ、およびインダクタ) で構成されます。フライバックコンバータを他のコンバータトポロジーと区別するのは、インダクタが実際には結合インダクタのペアであるという事実です。これらのインダクタは、変換プロセスのために電力を蓄積することに加えて、コンバータの一次側と二次側の間に絶縁を追加します (図1を参照)。
図1 : フライバックコンバータの回路図
この記事はコンバータの制御パスを中心に説明しますが、便宜のためにパワーパスの動作の簡単な要約も含めます。フライバックコンバータには、2つの動作フェーズ、tONとtOFFがあり、これらは、MOSFETのスイッチング状態によって命名されたもので、それらによって制御されます。
tON間、MOSFETがオンになり、入力から一次インダクタを介して電流が流れ、結合インダクタを線形に充電し、その周囲に磁場を生成します (図2.bを参照)。二次インダクタでは、整流ダイオードが逆バイアスされています。これは、トランスが出力から切断されていることを意味します (図2.aを参照)。
図2 : a) MOSFETとダイオードの電圧 b) 一次コイルと二次コイルの電流
出力コンデンサに蓄積された電荷は、負荷で安定した電圧を維持する役割を果たします (図3を参照)。
図3 : フライバックコンバータの電流の図
tOFFの間、MOSFETは開いており、今、直接分極されている結合インダクタはダイオードを介して消磁を開始します。インダクタからの電流が出力コンデンサに給電し、負荷に電力を供給します。
パワーパスが変換プロセスを担当しますが、コンバータの設計で考慮すべき2番目の要素があり、それは制御ループです。この制御パスは、電源の変動や負荷の変化など、システムに摂動が存在するために必要です。制御システムの目標は、システムの摂動に関係なく、安定した動作を保証することです。
ほとんどのスイッチングコンバータと同様に、フライバックの出力電圧はMOSFETのデューティサイクルによって制御されます。これは、式 (1) を使用してフライバックコントローラの伝達関数を観察することで簡単に理解できます。
$$\frac {V_{OUT}}{V_{IN}} = \frac { n \times D}{1-D}$$式 (1) は、D (デューティサイクル) の値が増加すると、コンバータのゲインも増加し、出力電圧が増加することを示しています。したがって、コントローラは、MOSFETのゲートに送信する信号を変更して、コンバータの出力で検出した変化を補正します。
コンバータは、最初に出力電圧のこれらの変化を検知し、この電圧を正しく処理してから、それに応じてトランジスタのゲート電圧を調整する必要があります。より正確な制御のために、多くの制御パスには電流制御ループが含まれています。これはレギュレーションと力率を改善するのに役立つもので、一次インダクタを流れる電流を検出することにより行います。これは、最も一般的に使用されるフライバックコンバータ制御技術であるピーク電流制御モードの場合です(図4を参照)。
図4 : ピーク電流制御モードの概略図
一次側および二次側のレギュレーション
フライバックコンバータで発生する主な問題は、絶縁の維持です。前述のように、フライバックコンバータの主な利点の1つは、入力と出力の間に磁気絶縁が含まれていることです。これにより、回路が一次側と二次側と呼ばれる2つの部分に分割されます。絶縁は、出力に接続されているICを故障させ、エンドユーザーに害を及ぼす可能性のある電流リークから保護するために重要です。
したがって、絶縁を維持する必要があります。つまり、回路の一次側と二次側を接続する導通経路があってはなりません。ただし、これは絶対的なものではありません。電圧源変圧器は通常、最大10mAの漏れが許容され、少なくとも3kVの絶縁が必要です。ただし、一次側と二次側の間の漏れは可能な限り最小限に抑える必要があります。
これにはコントローラも含まれます。つまり、設計者は、絶縁バリアをバイパスせずにコンバーターの出力電圧を検出する方法を見つける必要があります。一次側のレギュレーションと二次側のレギュレーションの2つの調整方法を実装できます。
一次側レギュレーション
実際のアプリケーションでは、コントローラーICは、IC回路に供給するためにトランスからの補助出力を必要とします (図5を参照)。変圧器の特性により、この補助変圧器の出力はコンバータの出力電圧に直接関係しています。したがって、トランスの巻数比を知ることにより、この出力を使用してシステムを調整できます。これは一次側レギュレーション (PSR) と呼ばれ、この方法では、ごくわずかな部品を使用して出力を大まかに調整できます。ほとんどのPSR制御ICには、設計時間を大幅に短縮する補償回路も含まれています。
図5 : 一次側レギュレーションの回路図
一次側レギュレーションのもう1つの利点は、分離バリアを通過するパスの数を最小限に抑えることです。これは、部品の絶縁電圧要件を軽減し、総コストも削減するため、高電圧アプリケーションで特に役立ちます。
ただし、一次側レギュレーションにはいくつかの欠点があります。たとえば、補助巻線の反射出力電圧のサンプリングは、PWMサイクルごとに1回だけ行われます。PSRレギュレーションシステムは、多くの場合、インダクタ電流が最小値にあるときに電圧をサンプリングする方法であるニーポイントサンプリングを実装します。これにより、回路のリンギングが大幅に減少しますが、スイッチングサイクルの間に電圧値の監視が行われないことも意味します。したがって、過渡レギュレーションは、出力電圧が常に監視されている二次側システムよりも遅くなります。
さらに、複数の出力が実装されている場合、特に各巻線に接続されている負荷が大幅に異なる場合、レギュレーションの性能は低下します。これは、フィードバックを実装するために通常、最も重い負荷が選択され、それだけで制御ループの応答を決定します。
二次側レギュレーション
より正確な調整が必要な場合は、二次側レギュレーション (SSR) を実装できます (図6を参照)。この方法では、出力電圧を直接検出し、フォトカプラを介して信号をコンバータに送信し、一次側と二次側の間の絶縁バリアを破ることなく信号を送信します。二次側に1つ以上の出力がある場合でも、二次側のレギュレーションははるかに正確です。これは主に、さまざまな二次巻線間の相互調整が一次巻線と二次巻線間の相互調整よりもはるかに優れているためです。二次側レギュレーションでは、変圧器でのエスカレートされた巻線の使用や加重フィードバック技術など、レギュレーション性能を最適化するためのさまざまな技術の実装も可能です。
図6 : 二次側レギュレーションの回路図
ただし、二次側レギュレーションには独自のいくつかの欠点があります。たとえば、SSRレギュレーションループは、特に電圧がコンバータの一次側に配置されたコントローラに送信される前に二次側で補償される場合、より多くの部品を必要とします。これにより、コンバータのサイズとコストが増加すると同時に、フォトカプラの経時劣化による信頼性が低下します。
まとめ
コンバータの設計に制御ループを実装するには、一次側レギュレーションと二次側レギュレーション (それぞれPSRとSSR) と呼ばれる2つの異なる方法があります。それぞれの方法には、独自の長所と短所があります。これらについては、上記のセクションで説明し、以下に要約します (表1を参照))。
| 一次側レギュレーション | 二次側レギュレーション | |
| 待機電力 | 低 | 高 |
| 費用 | 低 | 高 (オプトカプラーなどの高価な部品) |
| 複雑さ | 低 (より少ない部品と統合された補償回路) | 高 |
| 絶縁 | 主に変圧器の絶縁に依存して、絶縁バリアを通過する部品がより少なくなる | トランスとフォトカプラの絶縁電圧の両方が絶縁を定義 |
| 出力レギュレーション | 悪い (複数の出力コンバータは不十分なレギュレーションの影響を受ける可能性あり) | 良い (高精度レギュレーション技術を実装でき、レギュレーションを改善) |
| 過渡応答 | 遅い (出力電圧はtOFF中にのみサンプリングされる) | 高速 (出力は常に検出される) |
| 信頼性 | 高 (少ない部品) | 低 (特にオプトカプラーに問題がある) |
MPSは、一次側と二次側の両方の調整に対応するさまざまなフライバックコンバータを提供します。MPX2001などの一部のSSRコントローラには、統合された絶縁が含まれているため、ボードスペースの使用量が少なくなり、設計プロセスがはるかに簡単になります。詳細については、MPS Webサイトで入手可能なリファレンスデザイン、ツール、ウェビナー、およびその他の寄稿文を参照してください。これらの記事では、フライバック制御回路に関するより詳細で実用的な情報を提供しています。
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