革新的な自動車設計における電気および電子電源の需要は、出力の増加、効率の向上、スペース要件の削減、信頼性の向上のように要約できます。電気自動車（EV）の場合、ユーザーの「航続距離に対する不安」を軽減するには効率が非常に重要です。電気自動車のさまざまな要件を考慮すると、バックアップ電源や補助電源として小型軽量の電源ソリューションを提供する必要があります。電源の小型化には、より近い間隔のコンポーネント間の電気的破壊を防止し、電磁干渉 (EMI) を低減するためのより優れた絶縁機能の必要性など、より多くの課題が伴います。
フライバック電力コンバータは、補助電力の生成、バッテリ管理、ゲート駆動電力など、さまざまな低電力電気自動車アプリケーションで一般的に使用されています。設計が簡素化され、コンポーネントが少なくなっているため、サイズが削減され、信頼性が向上し、コストが削減されます。フライバック電源の中核はフライバック トランスであり、通常、高電圧絶縁をサポートするために必要な最大のコンポーネントの 1 つです。
この記事では、フライバック コンバータの動作原理、寄生インダクタンスと寄生容量の影響、部品サイズと信号絶縁の重要性について紹介します。次に、Bourns のフライバック トランスが紹介され、それが車載電源の多くの問題の解決にどのように役立ったかが説明されました。
フライバックコンバータ
フライバック コンバータの中核はフライバック トランスであり、コンバータ回路の一次側と二次側の間で電力伝送と絶縁を実現します (図 1、上)。コンバータは、フライバック トランスの構成に従って、DC 電源の電圧を昇圧または降圧できます。この回路には、フライバック トランスに加えて、一次側スイッチ (SW) (通常は MOSFET) と二次整流器/フィルターも必要です。
フライバック コンバータの基本コンポーネントの簡略図
図 1: フライバック コンバータの基本コンポーネント (上の図) と重要な動作波形 (下の図) の簡略化された回路図が示されています。 （画像出典：Bourns Inc.）
Vgs をハイレベル状態 (図 1、下) にすると、SW がオンになったときにデューティ サイクルが始まります。スイッチが閉じると、インダクタに印加される電圧はステップ関数になります。インダクタは電流の瞬間的な変化に対抗し、印加されたステップ電圧を統合します。これにより、ランプ関数が作成され、フライバック トランスの一次巻線の電流は、一次インダクタンスの影響により直線的に増加します。整流ダイオード (D) の逆バイアスにより、変圧器の二次側には電流が流れません。フライバックトランスのコア内のエアギャップは、トランスの磁界が増加したときの飽和を防ぐことができます。
(Vgs を低い状態に戻すことによって) スイッチがオフになると、トランスの磁場に蓄えられたエネルギーが順方向バイアスのダイオードを介して二次側に転送され、出力コンデンサ (C2) が充電されます。二次電流は、磁界エネルギーがなくなるか、スイッチが再び開いて次のサイクルが開始されるまで直線的に減少します。
リニア電源の変圧器などの一般的な変圧器は、エネルギーを一次巻線から二次巻線に連続的に転送します。フライバックトランスの動作原理は、動作サイクル中にエネルギーを継続的に伝送しないため、一対の結合インダクタによく似ています。ただし、変圧器と同様に、一次巻線と二次巻線の巻数比を変更することによって出力電圧を調整することもできます。フライバック トランスは、一次巻線と二次巻線の間の電気的絶縁も提供します。さらに、複数の二次巻線もサポートしているため、コンバータは複数の電圧を出力できます。
フライバックコンバータの寄生効果
一般的な電子回路と同様に、フライバック コンバータは寄生インダクタンスと寄生容量の影響を受けます (図 2)。
フライバックコンバータの概略図
図 2: フライバック コンバータの回路図が示されており、コンバータのコンポーネントに関連する寄生容量とインダクタンスが赤色で強調表示されています。 （画像出典：Bourns Inc.）
磁化インダクタンス (Lm) は、フライバック トランスのエネルギー蓄積を決定する主な誘導特性です。変圧器には、スイッチと直列の寄生漏れインダクタンス (Llk) も関係します。スイッチが切断されると、一次電流を維持し、スイッチにかかる電圧を増加させようとします。ほとんどのフライバック コンバータは、このような過渡電圧の影響からスイッチを保護するためにクランプ回路またはバッファ回路を使用します。この影響により、磁場の放射も増加し、電磁干渉に影響を及ぼします。回路基板の配線インダクタンス (Ltr) により、これらの影響が増大します。
変圧器の設計者は、漏れインダクタンスを最小限に抑えるためにあらゆる努力をします。主な方法は、一次巻線と二次巻線の間の結合を高めることです。これを実現するには、巻線間の間隔を最小限に抑え、千鳥状に配置する必要があります。
分布容量には、一次容量 (Cp)、巻線間容量 (Cps)、二次容量 (Cs)、電界効果トランジスタ出力容量 (Co)、および二次ダイオード容量 (Cd) が含まれます。これらのコンデンサはインダクタと相互作用し、コンバータ信号波形の完全性を低下させます (図 3)。
コンデンサやインダクタなどの寄生成分がスイッチ波形に与える影響の模式図 (クリックして拡大)
図 3: スイッチング波形に対するコンデンサやインダクタなどの寄生部品の影響を示します。 （画像出典：Bourns Inc.）
スイッチ波形は、オーバーシュートやアンダーシュートのない方形パルスであることが好ましい。この方形パルスの変換時間が速いため、電流が増加する前に電圧波形が確実にゼロになります。実際、寄生容量と寄生インダクタンスの影響により、変換時間が遅くなり、オーバーシュート、アンダーシュート、瞬間的な発振が発生する可能性があります。さらに、ゼロでない一次電圧と電流の波形が重なるため、立ち上がり時間と立ち下がり時間が遅くなり、コンバータのスイッチング損失が増加します。このオーバーラップにより、FET スイッチのスイッチング損失が発生し、コンバータの効率が低下します。パルスの上部での大幅な減少は、負荷抵抗と磁化インダクタンスによって引き起こされます。
フライバック トランスを設計する場合は、自己共振周波数をコンバータのスイッチング周波数から遠ざけ、スイッチとフライバック トランス間の配線を可能な限り短くして、寄生容量を最小限に抑えるように努める必要があります。さらに、巻線間容量は、一次信号の高周波成分を出力に結合するための経路も提供します。巻線間の静電容量が大きいほど、コンバータの伝導 EMI 放射も大きくなります。最適な性能を達成するには、巻線の結合を密にすると漏れインダクタンスが減少しますが、巻線間の静電容量も増加するため、設計でトレードオフを行う必要があります。ここで、変圧器設計者の経験が重要になります。
サイズを縮小し、信号を分離する
自動車用途で使用されるコンポーネントは、可能な限り小型である必要があります。コンポーネントの物理的寸法は、材料特性とコンポーネントの機能の物理的特性によって決まります。フライバック トランスの場合、導体の間隔は、ピーク動作電圧と規格認証に必要な電圧テストに耐えるのに十分な大きさでなければなりません。電圧破壊に関連する主要な仕様は、ギャップと沿面距離です (図 4)。