スイッチング電源の用途、利点、および動作原理

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電源とは?

電源は、電力源からの電流を、モータや電子機器など、負荷に電力を供給するために必要な電圧値に変換する電気機器です。

電源には、リニア電源とスイッチング電源の2つの主要な設計があります。

  • リニア : リニア電源の設計では、トランスを使用して入力電圧を降圧します。次に、電圧が整流されて直流電圧に変換され、波形品質を向上させるためにフィルタリングされます。リニア電源は、リニアレギュレータを使用して出力の電圧を一定に保ちます。これらのリニアレギュレータは、余分なエネルギーを熱の形で放散します。
  • スイッチング : 変圧器のサイズや電圧調整など、リニアまたは従来のAC/DC電源の設計に関連する問題の多くを解決するために新しい設計手法が開発されました。スイッチング電源の設計では、入力電圧は低下させません。代わりに、入力で整流およびフィルタリングされます。次に、DC電圧はチョッパーを通過し、チョッパーが電圧を高周波パルス列に変換します。電圧が出力に達する前に、それは再びフィルタリングされ、整流されます。

スイッチング電源はどのように機能するのか?

長年にわたり、リニアAC/DC電源は、ユーティリティグリッドからのAC電力を家電製品や照明を実行するためのDC電圧に変換してきました。高電力アプリケーション用のより小さな電源の必要性は、リニア電源が特定の産業および医療用途に追いやられていることを意味します。しかし、スイッチング電源は、より小さく、より効率的で、高電力を処理できるため、引き継がれています。 図1は、スイッチング電源における交流 (AC) から直流 (DC) への一般的な変換を示しています。

isolated switched mode ac dc power supply

図1 : 絶縁型スイッチモードAC/DC電源

入力整流

整流は、AC電圧をDC電圧に変換するプロセスです。入力信号の整流は、スイッチモードAC/DC電源の最初のステップです。

DC電圧は、バッテリから出てくるタイプのように、定電圧の直線で揺るぎない線であると一般に考えられています。ただし、直流 (DC) を定義するのは、一方向の電荷の流れです。これは、電圧が同じ方向に流れるが、必ずしも一定ではないことを意味します。

正弦波は交流 (AC) の最も一般的な波形であり、最初の半サイクルでは正ですが、残りのサイクルでは負です。負の半サイクルが逆になるかなくなると、電流は交互に止まり、直流になります。これは、整流と呼ばれるプロセスによって実現できます。

整流は、パッシブハーフブリッジ整流器により、ダイオードを使用して正弦波の負の半分を除去することで実現できます (図2を参照)。ダイオードは、波の正の半分の間に電流が流れることを可能にしますが、反対方向に流れるときには電流をブロックします。

half bridge rectifier

図2 : ハーフブリッジ整流器

整流後、結果として生じる正弦波の平均電力は低くなり、デバイスに効率的に電力を供給することができなくなります。はるかに効率的な方法は、負の半波の極性を変更して正にすることです。この方法は全波整流と呼ばれ、ブリッジ構成で必要なダイオードは4つだけです (図3を参照)。この配置は、入力電圧の極性に関係なく、安定した電流の流れ方向を維持します。

full-bridge rectifier

図3 : フルブリッジ整流器

完全に整流された波は、ハーフブリッジ整流器によって生成されるものよりも高い平均出力電圧を持っていますが、それでも電子デバイスに電力を供給するために必要な一定のDC波形とはほど遠いです。これはDC波ですが、電圧波の形状が非常に迅速かつ頻繁に値を変更するため、これを使用してデバイスに電力を供給することは非効率的です。--このDC電圧の周期的な変化はリップルと呼ばれ、リップルを低減または排除することは効率的な電源にとって非常に重要です。

リップル低減に使用する最もシンプルで一般的な方法は、整流出力に平滑コンデンサまたは平滑化フィルタと呼ばれる大きなコンデンサを用いることです。 (図4を参照)

コンデンサは、波形のピーク時に電圧を溜め込み、上昇中の電圧が整流電圧波形より低くなるまで電流として負荷を供給します。結果として現れる波形は望ましい形に非常に近くなり、AC部品がない場合でもDC電圧を利用できるようになります。最終的な電圧波形は、電源DCデバイスに用います。

Full-Bridge Rectifier with Smoothing Filter

図4 : 平滑化フィルタ付きフルブリッジ整流器

パッシブ整流は、制御されていないスイッチとして半導体ダイオードを使用し、AC波を整流する最も簡単な方法ですが、最も効率的ではありません。

ダイオードは比較的効率的なスイッチです。最小限の電力損失ですばやくオンとオフを切り替えることができます。半導体ダイオードの唯一の問題は、0.5Vから1Vの順方向バイアス電圧降下があり、効率が低下することです。

アクティブ整流は、ダイオードをMOSFETやBJTトランジスタなどの制御されたスイッチに置き換えます (図5を参照)。これの利点は2つあります。まず、トランジスタベースの整流器は、半導体ダイオードに関連する固定の0.5V〜1Vの電圧降下を排除します。これは、それらの抵抗を任意に小さくすることができ、その結果、電圧降下が小さいためです。第2に、トランジスタは制御されたスイッチです。つまり、スイッチング周波数を制御して最適化することができます。

欠点は、アクティブ整流器がその目的を達成するためにより複雑な制御回路を必要とし、それが追加部品を必要とし、その結果それらをより高価にすることです。

Full-Bridge Active Rectifier

図5:フルブリッジアクティブ整流器

力率補正 (PFC)

スイッチング電源設計の第2段階は、力率補正 (PFC) です。

PFC回路は、AC電源からDC電源への実際の変換とはほとんど関係がありませんが、ほとんどの商用電源の重要な部品です。

Voltage and Current Waveforms at the Rectifier Output

図6 : 整流器出力の電圧および電流波形

整流器のリザーバコンデンサの電流波形を観察すると (図6を参照)、非常に短い時間、特にコンデンサの入力の電圧が整流された信号のピークに対するコンデンサの電荷よりも大きくなります。これにより、コンデンサに一連の短い電流スパイクが生成されるため、電源だけでなく、これらの電流スパイクがグリッドに注入する大量の高調波のために、電力グリッド全体に重大な問題が発生します。高調波は、グリッドに接続されている他の電源やデバイスに影響を与える歪みを生成する可能性があります。

スイッチング電源の設計での、力率補正回路の目標は、これらの高調波をフィルタで除去することによって最小化することです。そのためには、アクティブ力率補正とパッシブ力率補正の2つのオプションがあります。

  • パッシブPFC回路は、高周波高調波の除去を狙うパッシブローパスフィルタで構成されています。ただし、特に高出力アプリケーションの電源は、パッシブPFCのみを使用しただけでは高調波ノイズに関する国際規制に準拠できません。代わりに、アクティブ電力補正を適用する必要があります。
  • アクティブPFCは、電流波形の形状を変更し、電圧に追従させます。このようにして、高調波ははるかに高い周波数に移動し、フィルタアウトがはるかに容易になります。これらの場合に最も広く使用されている回路は、ステップアップコンバータとも呼ばれる昇圧コンバータです。

分離絶縁型 対 非絶縁型のスイッチング電源

PFC回路が存在するかどうかに関係なく、電力変換の最後のステップは、整流されたDC電圧を目的のアプリケーションに適した大きさに降圧することです。

入力AC波形は入力で整流されているため、DC電圧出力は高くなります。PFCがない場合、整流器からの出力DC電圧は約320Vになります。アクティブなPFC回路がある場合、昇圧コンバータの出力は400V以上の安定したDC電圧になります。

どちらのシナリオも非常に危険であり、通常は大幅に低い電圧を必要とするほとんどのアプリケーションでは役に立ちません。表1は、適切な分離トポロジーを選択する際に考慮すべきいくつかのコンバータとアプリケーションの側面を示しています。

絶縁型AC/DC電源 非絶縁型AC/DC電源
トポロジー フライバックコンバータ 降圧コンバータ
安全性 ガルバニック絶縁により、ユーザーの安全性が向上します 潜在的な電流リークは、ユーザーまたは負荷に重大な害を及ぼす可能性があります
サイズと効率 トランスフォーマーはサイズと重量を追加します 必要なインダクタは1つだけで、回路ははるかに小さいです
効率 変圧器の鉄損と銅損は効率に影響します 単一のインダクタは、トランス全体よりもはるかに効率的です
複雑さ 両方に制御回路が必要です


表1:絶縁型 対 非絶縁型のAC/DC電源

使用する降圧方法を選択する際の主な懸念事項は安全性です。

電源は入力のAC電源に接続されています。つまり、出力に電流漏れがあった場合、この規模の感電により、重傷を負ったり死亡したりする危険性があり、出力に接続されているデバイスが損傷する可能性があります。

安全性は、主電源に接続されたAC/DC電源の入力回路と出力回路を磁気的に絶縁することで実現できます。絶縁型AC/DC電源で最も広く使用されている回路は、フライバックコンバータと共振LLCコンバータであり、それはそれぞれ流電的または磁気絶縁を備えているためです (図7を参照)

Figure 7: Flyback Converter (Left) and LLC Resonant Converter (Right)

図7 : フライバックコンバータ (左) とLLC共振コンバータ (右)

変圧器を使用するということは、信号はフラットなDC電圧ではあり得ないということです。代わりに、誘導結合を介して変圧器の一方の側からもう一方の側にエネルギーを転送するために、電圧の変動、したがって変動する電流が必要です。その結果、フライバックコンバータとLLCコンバータの両方が、入力DC電圧を方形波に「チョップ」します。方形波はトランスを介して降圧できます。次に、出力に行く前に、出力波を再度整流する必要があります。

フライバックコンバータは、主に低電力アプリケーションに使用されます。フライバックコンバータは絶縁型昇降圧コンバータです。つまり、一次巻線と二次巻線の間のトランスの巻数比に応じて、出力電圧を入力電圧よりも高くすることも低くすることもできます。

フライバックコンバータの動作は、昇圧コンバータの動作と非常によく似ています。

スイッチが閉じると、一次コイルが入力によって充電され、磁場が発生します。スイッチが開いていると、一次インダクタの電荷が二次巻線に転送され、回路に電流が注入されて負荷に電力が供給されます。

フライバックコンバータは設計が比較的簡単で、他のコンバータよりも必要な部品が少なくて済みますが、トランジスタを強制的にオン / オフするハードなスイッチングによる大きな損失があるため、あまり効率的ではありません (図8を参照)。特に高電力アプリケーションでは、これはトランジスタのライフサイクルに非常に悪影響を及ぼし、そして大きな電力損失を生成します。そのため、フライバックコンバータは通常最大100Wの低電力アプリケーションに適しています。

共振LLCコンバータは、高電力アプリケーションでより一般的に使用されます。これらの回路もトランスを介して磁気的に絶縁されています。LLCコンバータは、フィルタの固有周波数と一致したときに特定の周波数が増幅される共振現象に基づいています。この場合、LLCコンバータの共振周波数は、直列に接続されたインダクタとコンデンサ (LCフィルタ) によって定義され、トランスの一次インダクタ (L) の効果が追加されるため、LLCコンバータと呼ばれます。

LLC共振コンバータは、ソフトスイッチングとも呼ばれるゼロ電流スイッチングを生成できるため、高電力アプリケーションに適しています (図8を参照) 。このスイッチング方式は、回路の電流がゼロに近づくとスイッチのオンとオフを切り替え、トランジスタのスイッチング損失を最小限に抑えます。これにより、EMIが減少し効率が向上します。残念ながら、このパフォーマンスの向上にはコストがかかります。広範囲の負荷に対してソフトスイッチングを実現できるLLC共振コンバータを設計することは困難です。この目的のために、MPSは、コンバータが最適なスイッチング効率のために正確に正しい共振状態で動作することを保証するのに役立つ特定のLLC設計ツールを開発しました。

Hard Switching (Left) Vs. Soft Switching (Right) Losses

図8 : ハードスイッチング (左) 対 ソフトスイッチング (右) 損失

本稿の前半で、AC/DC電源の制限の1つが入力トランスのサイズと重量である理由について説明しました。これは、動作周波数 (50Hz) が低く、飽和を回避するために大きなインダクタと磁気コアが必要になるためです。

スイッチング電源では、電圧の発振周波数が大幅に高くなります (少なくとも20kHz以上)。これは、高周波信号がリニア変圧器で生成する磁気損失が少ないため、降圧変圧器を小さくできることを意味します。入力トランスの小型化により、システムの小型化が可能になり、現在使用している携帯電話の充電器のサイズに電源全体が収まるようになりました。

トランスによる絶縁を必要としないDCデバイスがあります。これは、照明、センサ、IoTなど、ユーザーが直接触れる必要のないデバイスでよく見られます。これは、デバイスのパラメーターの操作が、携帯電話、タブレット、またはコンピュータなどとは区別したデバイスから行われるためです。

これは、重量、サイズ、およびパフォーマンスの点で大きなメリットを提供します。これらのコンバータは、降圧コンバータとも呼ばれる高電圧降圧コンバータを使用して出力電圧レベルを低減します。この回路は、前に説明した昇圧コンバータの逆として説明できます。この場合、トランジスタスイッチが閉じると、インダクタを流れる電流がインダクタの両端に電圧を生成し、電源からの電圧を打ち消して、出力の電圧を低下させます。スイッチが開くと、インダクタは負荷を流れる電流を解放し、回路が電源から遮断されている間、負荷の電圧値を維持します。

AC/DCスイッチング電源では、スイッチとして機能するMOSFETトランジスタが電圧の大きな変化に耐えることができなければならないため、高電圧の降圧コンバータが使用されます (図9を参照)。スイッチが閉じているとき、MOSFETの両端の電圧は0Vに近くなります。しかし、それが開くと、その電圧は単相アプリケーションの場合は最大400V、三相コンバータの場合は最大800Vになります。これらの大きな急激な電圧変化は、通常のトランジスタを簡単に損傷する可能性があるため、特別な高電圧MOSFETが使用されます。

Figure 9: Non-isolated AC/DC Switching Power Supply with Active PFC

図9 : アクティブPFCを備えた非絶縁型AC/DCスイッチング電源

必要なインダクタは1つだけなので、降圧コンバータはトランスよりもはるかに簡単に集積できます。また、電圧を下げるのにはるかに効率的で、通常の効率は95%以上です。このレベルの効率は、トランジスタとダイオードにスイッチング電力損失がほとんどないために可能であり、損失はインダクタからのみ発生します。

非絶縁型AC/DC電源出力レギュレータの一例は、MPSMP17xAファミリです。このファミリは、降圧、昇圧、昇降圧、フライバックなど、さまざまなコンバータトポロジーを制御できます。最大700Vの電圧に使用できます。つまり、単相電源を対象としています。また、グリーンモードオプションがあり、スイッチング周波数とピーク電流が負荷に比例して減少し、電源の全体的な効率が向上します。図10は、MP173Aの一般的なアプリケーション回路を示しています。ここでは、インダクタ (L1)、ダイオード (D1)、およびコンデンサ (C4) で構成される降圧コンバータを調整しています。抵抗 (R1とR2) は、フィードバック電圧 (FBピン) を提供する分圧器を作り、制御ループを閉じます。

MP173A TYPICAL APPLICATION CIRCUIT

図10 : MP5048 代表的なアプリケーション回路

スイッチングAC/DC電源は、わずかなサイズでパフォーマンスが向上するため、人気が高まっています。欠点は、それらの回路が非常に複雑であり、より正確な制御回路とノイズキャンセルフィルタが必要なことです。複雑さが増すにもかかわらず、MPSは、AC/DC電源の開発を容易にするシンプルで効率的なソリューションを提供します。

まとめ

AC/DCスイッチング電源は、現在、AC電源をDC電源に変換する最も効率的な方法です。電力は3段階で変換されます。

  1. 入力修正 : このプロセスでは、AC主電源電圧を取得し、ダイオードブリッジを使用してDC整流波に変換します。ブリッジの出力にコンデンサを追加して、リップル電圧を低減します。
  2. 力率補正 (PFC) : 整流器には非リニア電流があるため、電流の高調波成分は非常に大きくなります。これを解決するには2つの方法があります。1つはパッシブPFCで、フィルタを使用して高調波の影響を減衰させますが、あまり効率的ではありません。アクティブPFCと呼ばれる2番目のオプションは、スイッチング昇圧コンバータを使用して、電流波形を入力電圧の形状に追従させます。アクティブPFCは、サイズと効率の現在の基準を満たすパワーコンバータを設計する唯一の方法です。
  3. 絶縁 : スイッチング電源は、絶縁型または非絶縁型にすることができます。電源の入力と出力が物理的に接続されていない場合、デバイスは絶縁されます。絶縁は、回路の2つの半分を電気的に絶縁する変圧器を使用して行われます。ただし、変圧器は電流の変動がある場合にのみ電力を転送できるため、整流されたDC電圧は高周波の方形波に切り刻まれ、次に2次回路に転送され、そこで再び整流されて最終的に出力に送信されます。

特に安全性、性能、サイズ、重量などに関連して、スイッチング電源を設計する際に考慮すべき多くの異なる側面があります。スイッチング電源の制御回路もリニア電源よりも複雑です。そのため、多くの設計者は、電源に集積モジュールを利用すると便利だと考えています。

MPSは、パワーコンバータ、コントローラ、整流器など、スイッチング電源の設計を簡素化できるさまざまなモジュールを提供しています。

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