絶縁型DC-DCコンバーターによる電力安定化：DC-DCコンバーター活用講座（5） 電力安定化（5）（2/4 ページ）

絶縁型DC-DCコンバーターでの電力安定化について、そのトポロジーごとに解説します。今回、取り上げるのは、フライバックとフォワードのコンバータートポロジーです。

[Steve Roberts（RECOM），EDN Japan]

フライバックDC-DCコンバーター

　フライバックコンバーターは、スイッチがオンの間にトランスのコアにエネルギーを蓄積し、スイッチがオフの間にこのエネルギーを2次側に伝送することにより、入力電圧を安定化出力電圧に変換します。図1に簡略回路図、図2に関連する電圧および電流の波形をそれぞれ示します。

図1：絶縁型フライバックコンバーターの簡略回路図 出典：RECOM（クリックで拡大）

図2：絶縁型フライバックコンバーターの特性出典：RECOM（クリックで拡大）

　スイッチS₁が閉じているとき、インダクタンスがL_PのトランスT₁の1次巻線を通って増加率V_IN/L_Pの電流I_S1が流れます。この間、2次巻線L_Sを通って負荷に流れる電流はありません。このとき、負荷電流はコンデンサーC₁によって供給されます。

　S₁が開くと、トランス内の磁場の崩壊により、1次巻線と2次巻線の電圧の極性が変わります。今度は1次巻線に蓄えられたエネルギーが2次巻線に伝送されます。2次側の電圧が急上昇し、パルス電流がV_OUT/L_Sのレートで減少しながら負荷とC₁に流れこみます。ダイオードD₁はピーク整流器として機能します。

適用されるエネルギー式は以下の通りです。

実用的ヒント

　従って、絶縁型フライバックコンバーターの伝達関数が昇降圧コンバーターと異なる点は、巻数比の係数が1/Nであることだけです。フライバックトランス設計の長所は、短いデューティサイクルで出力電圧を大きく増加させることが可能なことで、高出力電圧電源に最適な点です。

　もう1つの長所は、複数の2次巻線を追加することで（必要であれば極性の異なる）複数の出力を容易に実装できることです。部品数も非常に少ないので、このトポロジーは低コスト設計に適しています。

　出力電圧または出力電流をモニターし、通常はオプトカプラを介した絶縁型帰還経路を設けることにより、安定した安定化出力を生成することができます。ただし、フライバックコンバーターは、1次巻線の波形をモニターして、ニーポイントを使って2次側電流がゼロになる時点を検出することにより、1次側で安定化することもできます。この方法ではオプトカプラが不要なので、部品数をさらに減らすことができます。

　短所は、トランスのコアを慎重に選択する必要があることです。たとえ平均的な正のDC電流がトランスを流れているとしても、空隙のあるコアは飽和してはならないので、磁気ヒステリシスが大きい場合は効率が低下することがあります。また、ピーク電流が大きいために、巻線の渦電流損失が問題になる可能性もあります。

　この2つの影響により、このトポロジーの実際の動作周波数範囲が制限されます。また、S₁がオフになると1次巻線に大きな誘導スパイクが生じるため、スイッチングFETに大きな電圧ストレスがかかります。