倍電流整流回路を用いた DC/DC コンバータ B Sn TV B

平地研究室技術メモ No.20090531
倍電流整流回路を用いた DC/DC コンバータ
（読んでほしい人：パワエレ初心者）
2009/5/31 舞鶴高専 平地克也
■DC/DC コンバータの変圧器のターン数決定方法
近年、電子回路の電源電圧が低下しています。昔は 12V や 5V が一般的でしたが、最近では 1V 以
下の場合もあります。図１のような電子回路に電力を供給する DC/DC コンバータでは、電子回路の
電源電圧（即ち DC/DC コンバータの出力電圧 Vout）が低い場合、変圧器の設計方法を変える必要
があります。通常、変圧器のコイルのターン数は次のように決定します。
① DC/DC コンバータの入力電圧から 1 次コイル印加電圧最大値 V1max を計算。
② DC/DC コンバータの動作周波数と最大通流率から最大 ON 時間 Tonmax を計算。
③ V1max、Tonmax および鉄心の断面積 S から 1 次コイルターン数 n1 を決定。
④ 出力電圧 Vout と入力電圧 Vin の関係から変圧比を決定し、2 次コイルターン数 n2 を決定。
このうち①②③は鉄心の最大磁束密度 Bmax を決定するために必要な手順であり、Bmax が鉄心の
飽和磁束密度 Bsat を越えないように n1 を決定します。計算式は次のようになります。
Bmax =
V1 max Ton max
< Bsat
n1 S
n1 >
故に
V1 max Ton max
SBsat
しかし、近年の定格電源電圧の低い電子回路に電力を供給する DC/DC コンバータでは上記の方法で
ターン数を決定すると 2 次コイルのターン数 n2 が 1 ターン未満になってしまいます。1 ターン未満
のターン数は物理的に不可能なので結局 n2 は 1 ターンにします。その場合、ターン数の決定手順は
次のようになります。
① n2＝1 ターンとする。
② 出力電圧 Vout と入力電圧 Vin の関係から変圧比を決定し、1 次コイルターン数 n1 を決定。
この方法で n1 を決定した場合は Bmax は Bsat よりかなり低い値となってしまい、鉄心の能力を充
分に利用できてないことになります。
Ld
T3
Vin
T2
Vout
Cd
v1
T4
図１
v2
n1
v3
n2
DC/DC コンバータと電子回路
1
電子回路
T1
E
■倍電流整流回路
図１の回路では変圧器 2 次電圧 v2 の整流回路は通常の全波整流回路です。図２に倍電流整流回路
を用いた DC/DC コンバータの例を示します。図１の回路から 2 つのダイオードをリアクトルに置き
換えた形になっています。
この回路では図１の回路と比較して
n2
の値を 2 倍にすることができます。
n1
よって、n2 が 1 ターンの場合 n1 の値を半分まで抑制できる可能性があります。
L1
L2
vL1
E
vL2
T3
Vin
v1
T2
Vou t
iL1
T4
iL2
v2
n1
Cd
電子回路
T1
n2
D1
D2
倍電流整流回路
図２
倍電流整流回路を用いた DC/DC コンバータ
なお、Vout が低い場合は通常 D1、D2 は FET を用いて「同期整流」を行います。
■動作原理
図３に倍電流整流回路を用いた DC/DC コンバータの動作モードと電流径路を示します。
L1
T1
L1
L2
T1
T3
L2
T3
Cd
T2
T4
n1
Cd
T2
n2
D1
T4
n2
D1
Mode 1
D2
Mode 3
L1
T1
n1
D2
L1
L2
T1
T3
L2
T3
Cd
T2
T4
n1
T2
n2
Mode 2
図３
Cd
D1
D2
T4
n1
n2
Mode 4
D1
D2
倍電流整流回路を用いた DC/DC コンバータの動作モードと電流径路
2
Mode 1 では T1 と T4 が導通しており、
L1 にトランス 2 次電圧が印加されて L1 電流が増加します。
Mode 3 では逆に T2 と T3 が導通し、
L2 にトランス 2 次電圧が印加されて L2 電流が増加します。Mode
2 と Mode 4 では T1∼T4 は全て OFF しており、L1 と L2 の電流は 2 次側を環流します。
図４に動作モードと理論波形を示します。
ON
T1 T4
OFF
ON
T2 T3
OFF
v2
n2
V
n1 in
0V
n2
− n 1 Vin
iL1
0A
iL2
0A
Mode
1
2
3
図４
4
動作モードと理論波形
■出力電圧計算式
定常状態ではリアクトル電流 iL1 の増加と減少が等しいので、この関係を用いて出力電圧の計算式
を導出します。iL1 は Mode 1 で増加し、Mode 2∼4 で減少します。
＜Mode 1 の iL1 の変化量の計算＞
Mode 1 の v2＝
n2
Vin
n1
vL1＝v2−Vout
Mode 1 の継続時間＝
1
α
f
ただし、f は T1∼T4 の動作周波数、αは T1∼T4 の通流率
よって、iL1 の変化量 ΔiL1＝
1
1  n2
 Vin − Vout  α
L  n1
f
3
・・・・正の値であり増加
＜Mode 2∼4 の iL1 の変化量の計算＞
Mode 2∼4 では vL1＝−Vout
Mode 2∼4 の継続時間＝
1
(1−α)
f
よって、iL1 の変化量 ΔiL1＝
1
(− Vout ) 1 (1 − α ) ・・・・負の値であり、減少
L
f
＜Vout の計算＞
Mode 1 での iL1 の変化量と Mode 2∼4 での iL1 の変化量の合計は 0 なので、
1
1
1
1  n2
 Vin − Vout  α ＋ (− Vout ) (1 − α ) ＝0
L
f
L  n1
f

 n2
 Vin − Vout α ＋ (− Vout )(1 − α ) ＝0

 n1
よって、 Vout =
n2
Vinα
n1
なお、図１の回路ではよく知られている公式により、 Vout = 2
n2
Vinα となります。
n1
よって、図２の回路では Vin と Vout が等しい場合、図１の回路と比較してトランスの変圧比
n2
を
n1
2 倍にすることができます。
以上
4