動画で見る小型&低雑音 LLCコンバータ用トランスの製作


数十~数KWの充電器,無線機,産業用インバータに

一目瞭然!電源設計のプロがLLCトランスを巻く

図1 プロが実演!高効率で低ノイズな電源回路の心臓部「トランス」の製作のようす.画像クリックで動画を見る記事を読む..詳細は[VOD/KIT/data]一緒に作る!LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット

LLCコンバータの魅力

LLCコンバータは,高効率で低ノイズな電源回路として注目を集めています.その心臓部であるトランスの設計は,コンバータの性能を左右する重要な要素です.

データ・センタやEV充電器など,高効率が求められる分野での採用が期待されます.

LLCコンバータの最大の魅力は,ゼロ・ボルト・スイッチング(ZVS)が容易に実現できる点です.これにより,スイッチング損失が大幅に低減され,高効率化が図れます.また,電流波形が正弦波に近いため,EMIノイズも低く抑えられます.

さらに,2次側に平滑インダクタが不要なため,部品点数の削減と小型化が可能です.両波整流を採用しているため,リプル周波数がスイッチング周期の2倍になり,出力キャパシタの小型化にも貢献します.

LLCコンバータは高周波動作が可能なため,トランスの小型化が実現できます.同時に,正弦波に近い電流波形により,EMIノイズも低減されます.トランスの設計では,これらの利点を最大限に活かすことが重要です.

従来のフライバック・コンバータやフォワード・コンバータと比べ,LLCコンバータは高効率と低ノイズを両立できる優れた特性をもっています.しかし,その設計と制御には独特の難しさがあります.

LLCコンバータの基本構成と動作原理

LLCコンバータの基本回路は,ハーフブリッジ回路,共振回路,絶縁トランス,整流回路で構成されています.共振回路は共振インダクタンス$L_R$,$L_M$と共振キャパシタ$C_R$からなり,これらが協調して動作することで,スイッチング損失とノイズを低減するソフト・スイッチングを実現します.

LLCコンバータの動作は,$C_R-L_R$直列共振と$C_R-(L_R+L_M$)直列共振の2つの共振モードの組み合わせによって特徴づけられます.この特性により,周波数を変化させることで入出力ゲインを制御でき,出力電圧の安定化が可能になります.

設計のポイント

LLCコンバータのトランス設計は,理論と実践の両面からのアプローチが必要です.シミュレーションと実機評価を繰り返し,最適な設計パラメータを見出すことで,小型で低ノイズ,高効率なLLCコンバータを実現できます.

トランス

  1. 励磁インダクタンス$L_M$の最適化
  2. $L_M$は共振特性とゲイン特性に大きく影響します.適切な$L_M$値を選択することで,所望の動作範囲と効率を得ることができます.
  3. 漏れインダクタンス$L_R$の制御
  4. $L_R$は共振周波数を決定する重要なパラメータです.トランスの巻き方や構造を工夫して,適切な$L_R$値を実現します.
  5. 巻き線設計
  6. 1次側と2次側の巻き数比は出力電圧に直接影響します.また,銅損を低減するために適切な線径と並列巻きを選択します.
  7. コア選択
  8. 動作周波数と出力電力に適したコア材質とサイズを選びます.フェライト・コアが一般的ですが,高周波動作には鉄粉コアも検討します.

シミュレーションで最適設計

LTspiceなどの回路シミュレータを使用して,設計したトランスの特性を確認し,最適化を行います.シミュレーションでは,共振電流波形やスイッチング波形を観察し,ソフト・スイッチングが実現できているか確認します.

LLCコンバータの設計では,回路シミュレーションが非常に重要な役割を果たします.LTspiceなどのツールを使用することで,回路の動作を詳細に解析し,最適なパラメータを見つけ出すことができます.シミュレーションでは,共振電流波形やスイッチング波形を観察し,ZVSが実現できているかを確認することが重要です.

課題

LLCコンバータには設計上の課題もあります.入力電圧変動に対する制御範囲が狭いため,ワールドワイドな入力電圧に対応するには,前段にPFC回路が必要になることが多いです.また,出力電圧の制御範囲も狭いため,広い電圧調整範囲が必要な用途には不向きです.

普及には課題もあります.設計の複雑さや,専用制御ICの必要性などが,広範な採用の障壁となっています.また,高周波動作時の磁性材料の損失や,EMC規制への対応なども,今後解決すべき技術的課題です.

LLCコンバータが次世代電源の主役となるかどうかは,これらの課題をいかに克服できるかにかかっています.技術の進歩と設計ノウハウの蓄積により,LLCコンバータの可能性はさらに広がっていくでしょう.〈ZEPマガジン〉

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著者紹介

  • 1967年 タムラ製作所に入社.電源トランスの設計,スイッチング電源の設計,海外工場の責任者などを経て定年後も63歳まで海外拠点でスイッチング電源やACアダプタの開発のサポート.現在はパワーアシストテクノロジーに在籍し,各種電源装置の開発に従事.

著書

  1. 低雑音&高効率!LLC絶縁トランスの定数設計法,ZEPエンジニアリング株式会社.
  2. 高速パワー素子GaN搭載 30W小型充電器の分解レポート,トランジスタ技術2020年10月号,CQ出版社.
  3. ロスレス&雑音レス!スイッチング電源「LLC」のパソコン設計術,トランジスタ技術2018年5月号,CQ出版社.
  4. 世界最小&最軽量!65WノートPC用ACアダプタ DART 実験大解剖,トランジスタ技術 2018年2月号,CQ出版社.
  5. 粗悪品と優良品を見極めろ!4種類のiPhone充電用ACアダプタ,トランジスタ技術2016年3月号,CQ出版社.
  6. 出力3.3~24V/0~0.3AのハンディUSB実験用電源,トランジスタ技術2014年12月号~2015年3月号,CQ出版社.

参考文献

  1. [VOD]Before After!ハイパフォーマンス基板&回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】,ZEPエンジニアリング株式会社.
  2. [VOD]Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】+【磁場編】,ZEPエンジニアリング株式会社.
  3. [VOD/KIT] ポケット・スペアナで手軽に!基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石,ZEPエンジニアリング株式会社.
  4. [VOD]事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点,ZEPエンジニアリング株式会社.
  5. [VOD]Linux搭載USBマルチ測定器 Analog Discovery Proで作る私の実験室,ZEPエンジニアリング株式会社.
  6. [動画]初めての電源・アナログ回路設計[DC-DC コンバータの製作],ZEPエンジニアリング株式会社.
  7. [YouTube]電子回路の素[トランジスタ編],ZEPエンジニアリング株式会社.
  8. [YouTube]高校数学からはじめる「ベクトル解析」,ZEPエンジニアリング株式会社.