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絶縁型フライバックコンバータの性能評価とチェックポイント

重要チェックポイント:トランスの飽和

下記の箇条書きした、仕様以外に確認しておくべき「重要チェックポイント」について、「MOSFETのドレイン電圧と電流、および出力整流ダイオードの耐圧」を前項で説明しました。今回は「トランスの飽和」について説明します。

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トランスの飽和
ここで説明するトランスT1の飽和は、フライバック動作を司る一次巻線と二次巻線に関するものです。T1には、電源ICの電源VCCを生成する第三巻線(端子4、5)が付属していますが、これに関しては、別途VCCの生成が設計通りに行われていることをチェックします。

最初に、トランスの飽和についておさらいしておきます。トランスに使用される磁性材料(鉄、フェライトなど)には、飽和磁束密度という特性があります。トランスの一次巻線に流れる電流を増やしていくと磁界強度が大きくなりますが、磁束密度は無限に大きくなるわけではなく、電流の増加に対して磁束密度がほとんど増加しなくなる限界があります。この状態を飽和磁化といい、このときの磁束密度が飽和磁束密度です。

この限界を超えて飽和磁化状態になることを、トランスの飽和といいます。これは、インダクタでも同じです。トランスの飽和は、磁束密度が増えないだけではなく、厄介なことにインダクタンスが急激に減少します。

インダクタンスが減少すると、直流に対する抵抗分はトランスの巻線の抵抗分だけになってしまいます。つまり、トランスが飽和すると大電流が流れてしまいます。これが、電源設計においてトランスの飽和が問題になる理由です。これは、インダクタについても同様です。

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右の波形データは、トランスの一次側をスイッチする内蔵MOSFETのIdsで、緑のラインが正常、つまりトランスは飽和していない状態です。それに対し赤の破線は、トランスが飽和した場合の典型的な波形を示しています。

上述のように、トランスが飽和状態になると大電流が流れてしまうので、Idsに電流スパイクとも言える急激な電流増加が生じます。この電流が過大であれば、MOSFETが破壊に至ることがあります。

トランス設計の際は、一次側の最大電流Ippkが計算され適切なトランス設計が行われているはずですが、波形データのようなIds電流波形が観察された場合には、トランス設計を見直す必要があります。トランス設計に関しては、こちらを参照してください。

以下に、トランスの飽和のチェックポイントと条件設定をまとめました。

<トランスの飽和のチェックポイント>

  • ドレイン電流Idsの電流波形をオシロスコープと電流プローブなどを利用して観察する
  • トランスが飽和している場合は、Idsの上昇の傾きが変化して、急激にIdsが上昇する
  • この電流上昇は、MOSFET等の破壊を引き起こすことがある
  • トランスの飽和が確認された場合、Ippkなど関連する実際の状態を確認する
  • 場合によってはトランスの設計を見直す必要がある
<チェック時の条件設定>

  • 入力電圧:最小値、最大値(電源起動時、定常時)
  • 負荷電流:最大値
  • 環境温度:温度条件の上限および下限温度

キーポイント

・トランスは飽和させてはならない。

・一次側の電流波形をオシロスコープと電流プローブなどを利用して観察する。

・トランスが飽和している場合は、過大な電流が流れMOSFET等の破壊を引き起こすことがある。


絶縁型フライバックコンバータの性能評価とチェックポイント