高効率と低雑音の両立!LLCトランスの巻き数決め


飽和磁束密度の見積もり精度が鍵

トランスが飽和しない範囲を見定める

図1 LLCコンバータは,高効率,低ノイズ,薄型・軽量という特徴を活かして広く採用されているスイッチング電源方式の一つ.動画では,性能を決めるトランスの巻き数の決め方を解説する.画像クリックで動画を見る.または記事を読む.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トランス設計と巻き数の決定方法

LLCトランス設計は,スイッチング電源において重要な役割を果たします.特に,巻き数の決定と飽和磁束密度の見積もりは,効率のよいトランス設計に不可欠です.

今回の設計では,リーケージ・インダクタンスを外部共振インダクタで補完し,トランス内部でのインダクタンス生成が不要になるため,分割ボビンを使う必要はありません.また,出力が48W以上のプッシュプル方式を採用し,TDKのPQコアを選定しました.具体的には,PC44PQ20/16を使用し,最大出力70Wで動作させるため,余裕をもった設計となっています.

巻き数の決定方法

動画では,最大磁束密度($B_m$)は120mTに仮定して計算を進めます.巻き数の計算は,トランスのコア有効断面積($A_e$)やスイッチング周波数,入力電圧に基づいて決定されます.例えば,100kHzで動作するトランスの場合,コア有効断面積$A_e$が62mm$^2$で,入力電圧が48Vの場合,1次巻き数$N_p$は次のように計算できます.

\[ \begin{align*} N_p &= \frac{V_{in}/2}{4 \times A_e \times F \times B_m} \\ &= \frac{48 / 2}{4 \times 62 \times 10^{-6} \, \text{m}^2 \times 100 \times 10^3 \, \text{Hz} \times 120 \times 10^{-3} \, \text{T}} \\ &= 8.79 \, \text{turns} \end{align*} \] これを切り上げて,$N_p$は9ターンになります.

2次巻き数についても同様に計算を行い,巻き線比が1:1であれば,$N_p$と同じ9ターンが適用されます.電流密度は5A/mm$^2$程度が標準的ですが,線径を最適化することで電流密度を抑え,効率のよい設計を実現します.

結合度のよい巻き線構造

巻き線構造において重要なのは,1次側と2次側の巻き線の結合度を高めることです.結合度を高めることで,1次側で発生した磁束がすべて2次側に伝わり,トランスの効率を最大化することが可能です.今回の設計では,巻き幅が7.8mmで,1次巻き数9ターンが巻ける構造となっていますが,電流密度を考慮し,0.5TEX-Eの電線を使用し,2層に巻くことで電流密度を調整しています.

飽和磁束密度の見積もりと精度の重要性

LLCトランス設計において,飽和磁束密度の見積もりは非常に重要です.飽和磁束密度が適切に設定されないと,トランスの効率が低下し,過度な発熱や動作不安定を引き起こす可能性があります.

飽和磁束密度の設定

最大磁束密度を120mTと仮定して設計を進めます.飽和磁束密度を過小に見積もると,トランスが正しく動作せず,過剰に磁気エネルギを蓄積します.一方で,過大に見積もると,鉄損が大きくなり,トランス全体の効率が低下します.

コア材料の選定とその影響

コア材料の選定も,飽和磁束密度の見積もりに影響します.今回の設計では,PC44コアを使用していますが,PC44はすでに生産中止されているため,代替としてPC47材を使用しています.PC47はPC44と同等の性能をもつため,同じ設計で使用することが可能です.他社製コアでも同等の性能をもつものがあれば,同じ計算式で飽和磁束密度を見積もることができます.

見積もり精度がトランス性能を左右

飽和磁束密度の見積もり精度が低いと,トランス全体の性能が著しく低下します.適切なコア材料と巻き数の設計を行うことで,トランスが効率的に動作し,熱損失や動作不安定を最小限に抑えることができます.〈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.
  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.
  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.
  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.
  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.

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.