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2019.09.10 AC/DC

トラブルシューティング ②:軽負荷時に二次側MOSFETが共振動作によりONしてしまう場合

AC/DCコンバータの効率を向上する二次側同期整流回路の設計

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前回、トラブル①として「二次側MOSFETがすぐにOFFしてしまう場合」を取り上げ対策を示しまた。そして、同時にこの対策の注意点があることも示しました。今回は、この注意点に対する対処を説明します。

トラブル②:軽負荷時に二次側MOSFETが共振動作によりONしてしまう場合

以下の回路図は前回示したものと同じもので、二次側MOSFETの誤ONを防ぐための対策①-1として、フェライトビーズの追加とフィルタ用抵抗R1の調整(増加)を示したものです。しかしながら、この対策においてR1の値が大きすぎる場合、軽負荷時に二次側MOSFETが誤ってONしてしまう場合があります。そのメカニズムを右下の図を使って説明します。

AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。対策:フェライトビーズB1挿入、R1抵抗値の調整/AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。軽負荷時の誤オン波形例

  • 1:OFFタイミングを決定するR1の抵抗値が大きいためDRAIN端子電圧の検出が遅れ、VGS2がLowにならない。
  • 2:VGS2がLowになるまで、IFET2が逆流状態になる。
  • 3:逆流したIFET2が蓄積して二次側MOSFETがOFFするため、VDS2の共振振幅が大きくなる。
  • 4:VDS2が再度負電圧となりVGS2がHighになってしまう(誤って二次側MOSFETがONしてしまう)。
  • 5:2同様にIFET2は逆流した電流が流れ、3、4、5を繰り返す。

対策

このトラブル②に関しては、対策が4つほどあります。しかしながら、トラブル①の対策に対してこのトラブル②が生じているのと同様に、各対策にはトレードオフとなる注意事項があります。対策が4つあることから、最初に対策と注意事項をまとめました。

トラブル②:軽負荷時に二次側MOSFETが共振動作によりONしてしまう場合
対策 注意事項
対策②-1
DRAIN 端子接続抵抗R1を小さくする
R1を小さくしすぎるとノイズフィルタ効果も小さくなるため、トラブル①の「二次側MOSFETがすぐにOFFしてしまう」状態に逆戻りする可能性がある
対策②-2
強制OFF時間が長い機種(IC)に変更する
強制OFF時間を長くしすぎると、重負荷時に二次側MOSFETのONが遅れてしまう可能性がある
対策②-3
二次側MOSFETのドレイン-ソース間にスナバ回路を追加する
共振動作が起こる範囲(無負荷~中負荷)では、スナバ回路の追加によって待機電力が増加し、効率も悪化する
対策②-4
トランスの巻線比Ns / Npを小さくする
一次側MOSFETのVDS耐圧マージンが減る

※トラブル②に対する対策という意味で「対策②-n」という番号を使用。

●対策②-1:DRAIN 端子接続抵抗R1を小さくする
フィルタ用抵抗R1の値を小さくすることで、VDS2の共振振幅が低くなり、誤って二次側MOSFETがONする動作を防ぐことができます。トラブル①の対策としてR1の値を大きくする方法を挙げましたが、R1を大きくしすぎた場合、もしくは、最初の選択値が大きすぎた場合には、R1の値を見直して小さくする方向で調整を行います。

※注意事項:R1を小さくしすぎるとノイズフィルタ効果も小さくなるため、DRAIN端子電圧に発生するノイズにより、トラブル①の「二次側MOSFETがすぐにOFFしてしまう」状態に逆戻りする可能性があります。対策が堂々巡りになる場合は、他の対策を試みることになります。

●対策②-2:強制OFF時間が長い機種(IC)に変更する
二次側MOSFETがOFFしてから共振一周期(誤ONが発生する期間)より長い時間、二次側MOSFETを強制OFFすることで誤ON動作をマスクすることが可能です。

この設計事例で採用した電源ICのBM1R001xxFシリーズは「設計に使うIC」で説明したように、強制OFF時間(Compulsion OFF Time)が異なるピン互換シリーズです。強制OFF時間は、DRAIN端子に発生する共振波形で二次側MOSFETの誤ON、つまりトラブル②を防止するためのマスク時間で、同期整流化する回路の条件に基づいて強制OFF時間を選択できるように、BM1R00146F~BM1R00150Fの5機種が用意されています。

本事例では、強制OFF時間が2µ sec(Typ.)のBM1R00147Fを選択しましたが、対策として強制OFF時間が3.6µ sec(Typ.)とより長いBM1R00149Fを用いた例を示します。

AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。軽負荷時の誤オン対策「強制OFF時間が長い機種に変更する」の実施前動作波形/AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。軽負荷時の誤オン対策「強制OFF時間が長い機種に変更する」の実施後動作波形

※注意事項:強制OFF時間を長くしすぎると、重負荷時に強制OFF時間によって二次側MOSFETがONするタイミングが遅れてしまうことがあるため、重負荷時での動作確認が必要です。以下はあくまで例ですが、強制OFF時間が4.6µ secとこの設計では長すぎるBM1R00150Fを使った場合に生じるONタイミングの遅れと、マスキング効果とOFF時間が適正なBM1R00149Fを使った場合の波形です。

AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。軽負荷時の誤オン対策「強制OFF時間が長い機種に変更する」の注意事項

●対策②-3:二次側MOSFETのドレイン-ソース間にスナバ回路を追加する
下図のように、二次側MOSFETのドレイン-ソース間に、RsnbとCsnbによるスナバ回路を追加することによってVDS2の振幅を減衰させます。

AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。軽負荷時の誤オン対策。二次側MOSFETのドレイン-ソース間にスナバ回路を追加/AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。軽負荷時の誤オン対策「二次側MOSFETのドレイン-ソース間にスナバ回路を追加する」の実施後動作波形

※注意事項:共振動作が起こる範囲(無負荷~中負荷)では、スナバ回路の追加によって待機電力が増加し、効率も悪化するので、確認と検討が必要になります。

●対策②-4:トランスの巻線比Ns / Npを小さくする
トランスの巻線比を変更することによってVDS2の振幅を減衰させることができます。

AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。軽負荷時の誤オン対策。トランスの巻線比Ns / Npを小さくする/AC/DCコンバータの同期整流化のトラブルシューティング。軽負荷時の誤オン対策「トランスの巻線比Ns / Npを小さくする」の実施後動作波形

※注意事項:波形図が示すように、一次側MOSFETのVDS1が大きくなるため、一次側MOSFETのVDS耐圧マージンが減ります。VDS1が耐圧以上にならないようにトランス巻線比を考慮が必要です。

キーポイント

・従来の絶縁型フライバックコンバータの二次側の置き換えなので、実際の動作確認は非常に重要。

・軽負荷時に二次側MOSFETが共振動作によりONしてしまう場合があり、対策は4つほどある。
 1) DRAIN 端子接続抵抗R1を小さくする
 2) 強制OFF時間が長い機種(IC)に変更する
 3) 二次側MOSFETのドレイン-ソース間にスナバ回路を追加する
 4) トランスの巻線比Ns / Npを小さくする

・各対策にはトレードオフとなる注意事項がある。

PWM方式フライバックコンバータ設計手法