電磁気学入門（9）フォワードコンバーターのトランス設計：DC-DCコンバーター活用講座（52）（1/4 ページ）

電磁気学入門講座。今回は、降圧コンバーターの設計事例や、損失計算について解説します。フォワードコンバーターのトランス設計について解説します。

[Steve Roberts（RECOM），EDN Japan]

フォワードコンバーター概論

　フォワードトポロジーには、シングルエンド、プッシュプル（ロイヤートポロジーに似ているが、外部発振器のクロックを使用）、フルブリッジ、ハーフブリッジといったコンバーターが含まれます。断続的にエアギャップにエネルギーを蓄積する、フライバックの組み合わせインダクターとは違って、フォワードコンバーターのトランスは直接トランスの作用によってエネルギーを連続的に転送します。電流が一次側に流れると、二次側にも流れます。

　そのため、フォワードコンバーターのトランスにはギャップは必要ありません（設計によっては、フライバックとフォワードトポロジーの優位な点を組み合わせるため、100μmほどの非常に小さなギャップを使うことがある）

　主なフォワードコンバーターの利点は、コアの全磁気性能を利用でき、高い磁化インダクタンスは、巻き線のピーク電流を低減します。このため、特に銅損がフライバックコンバーターより小さいので、フォワード設計は高出力電流アプリケーションに多く使われます。

　主な不利点は、サイクルを通して出力電圧を維持するために、出力インダクターとフリーホイールダイオードが必要になり、部品コストが増えることです。その一方で、出力インダクターは出力リップルを大幅に除去するので、出力コンデンサーは小さなもので済みます。

　また、フォワードコンバーターは、適正なCCM動作を維持するために、最小負荷を必要とします。

図1：フォワードコンバーターのトランス［クリックで拡大］

　フォワードコンバーターは直接トランスの作用を使うので、コアはサイクルごとに完全にリセットする必要があります。そうしなければ、コアが飽和するまでコア内で磁界が徐々に上昇します（磁束移動）

　フルブリッジ、ハーフブリッジ、プッシュプルのフォワードコンバーターは、一次側巻き線の電位を反転させて、4象限全ての動作を強制しコアをリセットします。

　シングルエンド設計に関しては、第一象限でのみ動作するため、コアのリセットに消磁巻き線を使う必要があります。リセット巻き線は通常、一次巻き線と同じ巻き数で、漏れインダクタンスによる電圧オーバーシュートを低減するため、双方を近づけて結合させる必要があります。そのため、これらは一般に2本巻き（絶縁された2本のワイヤを1本にしたもの）により一緒に巻き、リセット巻き線は一次巻き線とは逆位相で巻きます。

　シングルエンドのフォワードコンバーター設計は、他のフォワードコンバーターより低価格で作ることができるという利点をもっています。1つの単電源の他にほとんど追加部品を必要としません。1：1のリセット対一次巻き線比では、コアはデューティサイクルが50％以下であれば飽和しません。従って、磁束移動の問題はまったくありません。不利点は、MOSFETのピーク電圧が少なくても入力電圧の2倍になる可能性があり、高性能なトランジスタが必要になることです。