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漏れインダクタンスを使用したフライバックコンバーター（1）ハードウェア概要：電源設計（1/5 ページ）

電圧モード（VM）で動作し、連続導通モード（CCM）で駆動されるフライバックコンバーターの周波数応答は、2次システムの応答に相当します。解析結果の大部分から、伝達関数の品質係数が各種損失（経路の抵抗成分、磁気損失、リカバリー時間に関連する損失など）によってのみ影響を受けることが予測される場合、漏れインダクタンスに起因する減衰効果がもたらす影響は非常に限定的です。ただし、過渡シミュレーションでは、漏れインダクタンスが増大すると出力発振が減衰することが予測されます。文献に記載されている多くの式はこの効果を反映していないので、新しいモデルが必要となりますが、本稿はこのモデルについて説明します。

» 2016年12月15日 11時00分公開

[Christophe Basso（ON Semiconductor France SAS），EDN]

CCM動作時のフライバックコンバーター

　理想的な連続導通モード（CCM）フライバックコンバーターは、次の2つの動作サイクルで電力を伝送します。1）オン時間t_onの間は、1次側電力スイッチSWが閉じ、トランスの1次側インダクタンスL_pにエネルギーが蓄積されます。2）オフ時間t_offの間は、このスイッチが開き、エネルギーはダイオードDを経由して2次側に伝送されます。ただし、プロトタイプで観測された波形を詳細に分析すると、上記の基本的な説明よりも多くの状態が存在していることが識別できます。図1に、漏れインダクタンスl_leakの影響を受けるトランスを採用した代表的なコンバーターを示します。電力スイッチが閉じると、トランスの1次側インダクタンスL_pの両端に入力電圧が印加されます。スイッチの抵抗損失は無視するものとします。回路図をよく見ると、L_pとl_leakで形成される分圧回路が機能しているため、印加される電圧は正確にV_inではないことが分かります。従って、その時点でL_pの両端に印加される電圧は、次式で表現できます。

図1：フライバックコンバーターの状態は、エネルギーが1次側に蓄積され、次に電力スイッチが開くと2次側にエネルギーが伝送されることを示す（クリックで拡大）

　結合ドットの影響を考慮すると、t_onの期間にわたって2次側ダイオードはブロックされます。L_pとl_leakは直列なので、これらの素子を流れる電流i_p（t）は、次式に等しい勾配で増加します。

　コントローラーがスイッチつまりMOSFETを開くように指示した時点で、状態は図1bに移行します。この瞬間、ドレイン・ノードに位置する集中静電容量に向かって誘導性電流経路が確立されます。この寄生項を形成しているのは、ドレイン端子で観測されるMOSFET固有の非線形静電容量、C_rssとC_ossに加えてクランプ・ダイオードに起因する各種静電容量、トランス巻線の内部静電容量、1次側に反映される出力ダイオードの静電容量です。これら全ての要素は集合的に、グランドを基準とするコンデンサーを形成しており、このコンデンサーを記号C_lumpで表します。C_lumpに電流が流れると、ドレイン－ソース間電圧が急速に上昇します。MOSFETの非線形静電容量のため、電圧上昇勾配は一定ではありません。ただし、この電圧の勾配の近似値は、次式で与えられるということができます。

　ここで、I_peakはスイッチが開いているときの電流値です。L_p両端の電圧が反転するまで、ドレイン電圧が上昇します。L_p両端の電圧が反転すると、図1cで2次側ダイオードにバイアスが印加されますが、まだ2次側を循環する電流は流れません。L_pとl_leakの両方にエネルギーが蓄積されるので、l_leakは集中静電容量に強制的に電流を流し込み、集中静電容量は充電し続けます。直列接続のため、L_pとl_leakを流れる電流は等しく、2次側ダイオードに流入する正味電流はゼロです。Dの導通が開始される時点のドレイン電圧は、次式のようになります。

　今度は、出力電圧がL_p両端でフライバック、つまり帰線する形で降下します。したがって、フライバック・コンバーターという用語が使用されており、次式の通り、下向き勾配が適用されます。

　ドレイン・ノード電圧は、入力電圧にクランプレベルV_clpを加えた値に達するまで上昇し続けます。この時点で、図2aに示す通りクランプ・ダイオードが導通します。ドレイン・ノード電圧はV_in＋V_clpの値にとどまるので、V_clpに起因する成分を除き、漏れ電流はC_lumpに流入しなくなります。集中静電容量の電荷は漏れインダクタンスからエネルギーを吸収し、この時点でV_clpを循環する電流は、元の1次側ピーク電流よりわずかに小さくなります。