JAJT301 February 2024 UCC256404
ハーフ ブリッジ直列共振コンバータは、100W を上回るコンバータで高効率と高い電力密度を達成します。最も一般的な共振トポロジ (図 1) は、直列磁化インダクタ、共振インダクタ、およびコンデンサ (LLC と略記) で構成された共振タンクです。パラメータ値の選択によって、共振タンクのゲイン曲線の形状が決まり、これによってシステム内で共振コンバータがどのように動作するかが変化します。
図 1 分割共振コンデンサを使用したハーフ ブリッジ LLC 電力段では、パラメータ値の選択によって共振タンクのゲイン曲線の形状が決まります。回路にエネルギーを印加する前に、この曲線を検証する必要があります。出典：テキサス・インスツルメンツ一連のパラメータを決定し、部品を選択した後、回路にエネルギーを印加する前にゲイン曲線を検証することが非常に重要です。この Power Tip では、共振タンクのゲイン曲線を測定する手法と、その結果を解釈する方法について説明します。この手法の利点と制限の両方を示す複数の例も提示します。
周波数応答アナライザは、任意の回路に小さな AC 信号を注入し、システム内の 2 点での電圧を測定して、特定の周波数範囲全体での信号ゲインと位相遅延を判定します。この機器は制御ループのテストに最も一般的に使用されますが、周波数応答アナライザを使用して LLC コンバータの電力段のゲインを測定することもできます。図 2 に、この測定の配線図を示します。
図 2 共振タンクを周波数応答アナライザに接続し、ゲイン曲線プロットを再現する配線図。電力段のゲイン プロットは、チャネル 2 の電圧をチャネル 1 の電圧で除算した値を表示することにより得られます。出典：テキサス・インスツルメンツハーフ ブリッジ LLC には 1 対の共振コンデンサがあり、1 つは入力電圧に接続され、もう 1 つは 1 次側グランドに接続されています。この回路でテストを実行するには、共振コンデンサを互いに並列に接続し、1 次巻線とは直列に接続する必要があります。アナライザの注入信号とチャネル 1 測定では、ハーフ ブリッジのスイッチング ノードから共振コンデンサのもう一方の端まで、1 次側部品に接続します。アナライザの 2 次側チャネルであるチャネル 2 は、2 次側巻線にまたがって接続されており、負荷条件を近似するために抵抗を追加しています。注入された AC 信号の周波数を掃引した後、チャネル 2 の電圧をチャネル 1 の電圧で除算した値を表示することで、電力段のゲインをプロットできます。図 3 に、テスト結果の例を示します。
図 3 図 2 に示したテスト構成で観測できる LLC 共振タンク ゲイン曲線測定の例。出典：テキサス・インスツルメンツトランスの巻線比、電力段の 1 次側と 2 次側のスイッチおよび巻線の構成に応じて、電力段のゲインを電圧ゲインに変換できます。ハーフ ブリッジ LLC 電力段は通常、センター タップ付きの 2 次巻線と 2 つの出力整流器を使用して示されます。この例では、出力電圧は、概ね入力電圧、巻線比、動作周波数における共振タンクのゲインの積になります。図 4 に示す 2 次構成用の他のオプションを使用すると、共振タンクをより高い出力電圧に変換できます。1 次側がフルブリッジで構成されている場合、これらの比率を 2 倍にする必要があることに注意してください。
図 4 全波整流器を使用して 2 次側を構成すると、伝送されるエネルギーが 2 倍になり (a)、ダブルエンドの 2 次側構成を使用すると、電圧ゲインは 4 倍になります (b)。出典：テキサス・インスツルメンツこの手法の 1 つの利点は、PCB 上で直接測定を実施し、テスト結果で電力段の寄生素子を説明できることです。テキサス・インスツルメンツ E2E™ 設計サポート フォーラムの記事『何故、LLC 共振コンバータの周波数がそんなに大きくずれているのか』では、代替モデルを使用して、トランスの構造によって回路のインダクタンスがどのように増加するかを説明しています (図 5)。これら固有の寄生部品を避けて設計を行うことも、設計に統合することもできます。たとえば、漏れインダクタンスを共振インダクタとして使用すると、設計から物理的な部品を除外してコストを削減し、効率を向上させることができます。このクイック テストを使用すると、共振タンクの設計を簡単に最適化できます。
図 5 LLC コンバータの共振素子として漏れインダクタンスを使用するトランス モデルを採用すると、設計者は固有の寄生部品を回避して設計をすることも、それらの寄生部品を設計に統合することもできます。出典：テキサス・インスツルメンツ2 次側で同期整流器を使用すると、LLC コンバータの効率がさらに向上します。そうすることで、その部品の全損失特性を支配する傾向がある導通損失が小さくなります。ただし、MOSFET を選択すると、ゲイン曲線の形状が変化する可能性があります。MOSFET の抵抗が小さいほど、出力容量は大きくなります。トランスの巻線比によってこの容量が増幅される可能性があり、場合によってはこれが問題になる場合があります。すでに説明したように、回路のゲイン曲線をテストすると、電力段全体に存在する追加の寄生素子を説明するのに役立ちます。図 6 に、共振タンクの初期設計で見過ごされていた可能性のある MOSFET 出力容量の影響を示します。
図 6 この設計では、寄生容量により、設計段階では想定していなかった 300kHz 付近の共振が加わりました。出典：テキサス・インスツルメンツただし、周波数応答アナライザを使用して、設計の寄生成分すべてを考慮に入れることはできません。たとえば、センター タップ構造で互いに良好に結合していない 2 次巻線が及ぼす影響は、測定値には表れません。1 次巻線と 2 次巻線の間の結合が緩やかな場合、漏れインダクタンスが形成されますが、これは LLC 設計ではある程度有利に働きます。ただし、2 次側巻線が互いに適切に結合していないと、電力段の性能が低下します。AC 分析ではこの影響を観測することはできませんが、2 次巻線の電圧を監視すると明らかになります。
たとえば、図 7 の設計では適切なゲイン曲線を使用していました。一方 2 次巻線の両端の電圧に注目すると、高い電圧レベルから始まり、出力電圧より低い電圧まで低下していました。理想的には、これらの電圧波形が方形波に似ている必要があります。結合が緩やかだと、2 次側整流器のターンオフ エッジで大きな漏れスパイクが発生することもあります。負荷が大きくなると、互いに緩やかに結合している 2 次側の歪効果がより顕著になり、可能な出力電力が制限されます。
図 7 トランス設計での結合の緩みは、スイッチング波形では顕著ですが、ゲイン曲線では明らかではありませんでした。出典：テキサス・インスツルメンツ2 次側巻線をより的確に相互結合できるようにこのトランスの設計を再構成した後も、結果として生じる共振インダクタンスと磁化インダクタンスは同じ値にとどまります。測定したゲイン曲線には、予想どおり見た目の差はありませんでした。しかし、図 8 のスイッチング波形は、新しい設計による顕著な改善を示しています。
図 8 トランスの設計を改良して結合を改善すると、ゲイン曲線の形状を維持しつつ、電圧ドループが緩和しました。出典：テキサス・インスツルメンツ2 次側巻線を再構成すると、スイッチング波形は予想に近い形になります。ブロッキング電圧が出力電圧に等しくなり、波形はより方形波に近くなります。ターンオフ エッジによる漏れスパイクも除去できました。
2 つのトランスの設計は実質的に同じで、追加部品は必要ありません。それでも、この変更は全体的な効率に大きな影響を及ぼしています。
共振コンバータを設計する場合、共振タンクのゲイン曲線を検証して評価を開始してください。すべての障害を検出することはできませんが、実現可能なゲインや予測される動作周波数範囲についてある程度の知見を得ることができます。