絶縁型DCDCコンバータを実験してみた

絶縁型DCDCコンバータを実験してみた

単電源入力, 正負両電源出力のDCDCコンバータを自作しようかと考えて
入力電圧: 5V(USB) 出力電圧: +15V, -15V のDCDCコンバータを実験してみた。
このDCDCコンバータのトランス設計は 電源設計の技術情報サイトのTechWeb1の絶縁型フライバックコンバータ回路設計2を参考にしました。

絶縁型フライバックコンバータ回路設計:トランス設計(数値算出)

リンクの記事を参考にして設計を始める。

実験回路図

使う部品の少ない自励型DCDCコンバータを適当に設計してみた。 回路図

トランス設計(数値算出)

仕様

  • 入力電圧 Vin:4.55.0VV_{in} : 4.5 \text{~} 5.0 \mathrm{V}
  • 出力電圧 Vout:±15VV_{out} : \pm 15 \mathrm{V}
  • 出力電流 Iout:300 mAI_{out} : 300~\mathrm{mA}
  • 出力電力 Po:30V×0.3A=9 WP_o : 30\mathrm{V} \times 0.3\mathrm{A} = 9~\mathrm{W}
  • 制御電圧 Vd:10 VV_d : 10~\mathrm{V}
  • ダイオードの順方向電圧 VF:1.0 VV_F : 1.0~\mathrm{V}
  • 周波数 fswmax:40 kHzf_{sw}max : 40~\mathrm{kHz}

絶縁型フライバックコンバータ回路設計:トランス設計(数値算出) | 電源設計の技術情報サイトのTechWeb
ここを参考にしてトランス設計を進めてみる。

フライバック電圧VORの設定

正負電圧出力であることを考えて VOV_O

Vo=Vout+VF=(15+1)+(151)=32 V\begin{aligned} V_o &= V_{out} + V_F \\ &= (15 + 1) + (-15 - 1) \\ &= 32~\mathrm{V} \end{aligned}

として

今回は VOR=4VOR = 4 と決めると巻き数比(Np/Ns)と通流率Dutyは

NpNs=VORVo=432=0.125\begin{aligned} \frac{N_p}{N_s} &= \frac{VOR}{V_o} \\\\ &= \frac{4}{32} \\\\ &= 0.125 \\\\ \end{aligned} Duty(max)=VORVin(min)+VOR=44.5+4=0.47\begin{aligned} Duty(max) &= \frac{VOR}{V_{in}(min) + VOR} \\\\ &= \frac{4}{4.5+4} \\\\ &= 0.47 \end{aligned}

となる。

二次側巻線インダクタンスLs、二次側の最大電流Ispkの算出

最大負荷電流 IomaxI_{o}max

Iomax=1.2×Iout=1.2×0.3=0.36 A\begin{aligned} I_{o}max &= 1.2 \times I_{out} \\ &= 1.2 \times 0.3 \\ &= 0.36 ~\mathrm{A} \end{aligned} Ls<(Vout+VF)×(1Duty)22×Iomax×fswmax=32×(10.47)22×0.36×40×103=312 μH\begin{aligned} L_s &< \frac{ (V_{out} + V_F) \times (1- Duty)^2 }{2 \times I_{o}max \times f_{sw}max} \\\\ &= \frac{32 \times (1 - 0.47)^2}{ 2 \times 0.36 \times 40 \times 10^3} \\\\ &= 312 ~\mathrm{\mu H} \end{aligned} Ispk=2×Iomax1Duty(max)=2×0.3610.47=1.36 A\begin{aligned} I_{s}pk &= \frac{ 2 \times I_{o}max }{ 1 - Duty(max) } \\\\ &= \frac{ 2 \times 0.36 }{ 1 - 0.47 } \\\\ &= 1.36 ~\mathrm{A} \end{aligned}

一次側巻線インダクタンスLp、一次側の最大電流Ippkの算出

Lp=Ls×(NpNs)2=312 μH×0.1252=4.88 μH\begin{aligned} L_p &= L_s \times \left( \frac{N_p}{N_s} \right)^2 \\\\ &= 312 ~\mathrm{\mu H} \times 0.125^2 \\\\ &= 4.88 ~\mathrm{\mu H} \end{aligned} Ippk=Ispk×NsNp=1.36×10.125=10.88 A\begin{aligned} I_{p}pk &= I_{s}pk \times \frac{N_s}{N_p} \\\\ &= 1.36 \times \frac{1}{0.125} \\\\ &= 10.88 ~\mathrm{A} \end{aligned}

トランスサイズの決定

出力電力 PoP_o は気にせずに今回はTDK PC44PQ20/16コアを使うことにする。

TDKプロダクトセンター より以下の資料を入手する。

PC44材の資料が見つからないのでPC47材の資料を参考にする。

page5 出典: 「Mn-Zn系フェライト材質特性」 データーシート

PC47材 性能諸元

  • 飽和磁束密度 Bsat=420 mT@100CB_{sat} = 420~\textrm{mT} @ 100{^\circ\mathrm{C}}

page4 出典: 「Mn-Zn系 スイッチング電源用フェライトコア PQシリーズ」データーシート

PC47PQ20/16Z 性能諸元

  • 実効断面積 Ae=62 mm2A_e = 62 ~\mathrm{mm^2}
  • AL値(ギャップ付) ALvalue=100 nH/N2AL_\text{value} = 100 ~\mathrm{nH / N^2}

一次側巻線数Npの算出

資料にあるPC47材と使うPC44材との相違と余裕を見込んで飽和磁束密度Bsat=0.35 TB_{sat} = 0.35~\mathrm{T}とする。

Np>Vin×TonAe×Bsat=Lp×IppkAe×Bsat=4.88μH×10.88A64mm2×0.35T=4.88×106×10.8864×106×0.35=4.88×10.8864×0.35=2.37 turnsNpは3ターン以上\begin{aligned} N_p &> \frac{V_{in} \times T_{on}}{A_e \times B_{sat}} = \frac{L_p \times I_{p}pk}{A_e \times B_{sat}} \\\\ &= \frac{4.88 \mathrm{\mu H} \times 10.88 \mathrm{A}}{64 \mathrm{mm^2} \times 0.35 \mathrm{T}} \\\\ &= \frac{4.88 \times \cancel{10^{-6}} \times 10.88}{64 \times \cancel{10^{-6}} \times 0.35} \\\\ &= \frac{4.88 \times 10.88}{64 \times 0.35} \\\\ &= 2.37 ~\mathrm{turns} \\\\ &\Rightarrow {N_p\text{は3ターン以上}} \end{aligned}

ALvalue=100 nH/turns2AL_\text{value} = 100~\mathrm{nH / turns^2} とすると

Np=LpALvalue=4.88 μH100 nH/turns2=4.88 μH0.1 μH/turns2=6.98 turnsNpは7ターン\begin{aligned} N_p &= \sqrt{\frac{L_p}{AL_\text{value}}} \\\\ &= \sqrt{\frac{4.88 ~\mathrm{\mu H}}{100 ~\mathrm{nH / turns^2}}} \\\\ &= \sqrt{\frac{4.88 ~\mathrm{\mu H}}{0.1 ~\mathrm{\mu H / turns^2}}} \\\\ &= 6.98 ~\mathrm{turns} \\\\ &\Rightarrow {N_p\text{は7ターン}} \end{aligned} Lp=4.88 μH=4880 nHNp=7 turnsALvalue=4880/72=99.59 nH/turns2NI=Np×Ippk=7 turns×10.88 A=76.2 Aturns\begin{aligned} L_p &= 4.88 ~ \mathrm{\mu H} = 4880 ~ \mathrm{nH}\\ N_p &= 7 ~ \mathrm{turns} \\ AL_\text{value} &= 4880 / 7^2 = 99.59 ~ \mathrm{nH / turns^2} \\ NI &= N_p \times I_ppk \\ &= 7~\mathrm{turns} \times 10.88~\mathrm{A} \\ &= 76.2~\mathrm{A \cdot turns} \end{aligned}

NI-ALvalue01

余裕。あるじゃないですか。


もうちょっと攻めた設計で ALvalue=300 nH/turns2AL_\text{value} = 300~\mathrm{nH / turns^2} とすると

Np=LpALvalue=4.88 μH0.3 μH/turns2=4.03 turnsNpは4ターン\begin{aligned} N_p &= \sqrt{\frac{L_p}{AL_\text{value}}} \\\\ &= \sqrt{\frac{4.88 ~\mathrm{\mu H}}{0.3 ~\mathrm{\mu H / turns^2}}} \\\\ &= 4.03 ~\mathrm{turns} \\\\ &\Rightarrow {N_p\text{は4ターン}} \end{aligned} Lp=4.88 μH=4880 nHNp=4 turnsALvalue=4880/42=305 nH/turns2NI=Np×Ippk=4 turns×10.88 A=43.52 Aturns\begin{aligned} L_p &= 4.88 ~ \mathrm{\mu H} = 4880 ~ \mathrm{nH}\\ N_p &= 4 ~ \mathrm{turns} \\ AL_\text{value} &= 4880 / 4^2 = 305 ~ \mathrm{nH / turns^2} \\ NI &= N_p \times I_ppk \\ &= 4 ~\mathrm{turns} \times 10.88~\mathrm{A} \\ &= 43.52 ~\mathrm{A \cdot turns} \end{aligned}

NI-ALvalue02

もっと頑張れそうだが、PC44材の代わりにPC47材の資料を見ているのでもうこれでいいことにする。

二次側巻線数Nsの算出

最初に決めた値である NpNs=0.125\frac{N_p}{N_s} = 0.125 より

Ns=Np0.125=40.125=32 turns\begin{aligned} N_s &= \frac{N_p}{0.125} \\\\ &= \frac{4}{0.125} \\\\ &= 32 ~\mathrm{turns} \\\\ \end{aligned}

NsN_s は正電源16ターン, 負電源16ターン

VCC巻線数Ndの算出

これは大雑把に VCC+VFVCC=10 VV_{CC} + V_{FVCC} = 10 ~\mathrm{V} として

Nd=Ns×VCC+VFVCCVout+VF=32×1032=10 turns\begin{aligned} N_d &= N_s \times \frac{V_{CC} + V_{FVCC}}{V_{out} + V_F} \\\\ &= 32 \times \frac{10}{32} \\\\ &= 10 ~\mathrm{turns} \end{aligned}

ギャップ長の算出

ALvalue=305 nH/turns2AL_\text{value} = 305 ~ \mathrm{nH / turns^2} なので
グラフの300(nH/N2)とエアギャップ長(Typ.)の交差点から下に線を引いて

ALvalue-gap01

ギャップ長 g=0.20.3 mm (Center pole gap)\ell_g = 0.2 \text{~} 0.3 ~\textrm{mm} ~ \text{(Center pole gap)}

計算で求めると(真空の透磁率μ0=4π×107\mu_0 = 4 \pi \times 10^{-7})

g=μ0×Ae×Np 2L=4π×107×62×106×424.88×106=4π×62×424.88×107×106106=4π×62×424.88×107×106106=π×62×4×41.22×107=9921.22π×104×103=9921.22π×110000×103=99212200π×103=0.255×103 m=0.26 mm (Center pole gap)\begin{aligned} \ell_g &= \frac{\mu_0 \times A_e \times N_p ~ ^2}{L} \\\\ &= \frac{4 \pi \times 10^{-7} \times 62 \times 10^{-6} \times 4^2}{4.88 \times 10^{-6}} \\\\ &= \frac{4 \pi \times 62 \times 4^2}{4.88} \times \frac{10^{-7} \times 10^{-6}}{10^{-6}} \\\\ &= \frac{\cancel{4} \pi \times 62 \times 4^2}{\cancel{4.88}} \times \frac{10^{-7} \times \cancel{10^{-6}}}{\cancel{10^{-6}}} \\\\ &= \frac{\pi \times 62 \times 4 \times 4}{1.22} \times 10^{-7} \\\\ &= \frac{992}{1.22} \pi \times 10^{-4} \times 10^{-3}\\\\ &= \frac{992}{1.22} \pi \times \frac{1}{10000} \times 10^{-3}\\\\ &= \frac{992}{12200} \pi \times 10^{-3}\\\\ &= 0.255 \times 10^{-3} ~\mathrm{m} \\\\ &= 0.26 ~\mathrm{mm} ~ \text{(Center pole gap)} \end{aligned}

トランス設計(構造設計)

続いて 絶縁型フライバックコンバータ回路設計:トランス設計(構造設計)-その1 | 電源設計の技術情報サイトのTechWeb にそって進める。

設計値の整理

  • 一次側巻線数 Np=4 turnsN_p = 4 ~\mathrm{turns}
  • 二次側巻線数 Ns=16 turns,16 turnsN_s = 16 ~\mathrm{turns}, 16 ~\mathrm{turns}
  • VCC巻線数 Nd=10 turnsN_d = 10 ~\mathrm{turns}
  • トランスコア PC44PQ20/16
  • ギャップ長 g=0.26 mm\ell_g = 0.26 ~\mathrm{mm} (センターギャップ)
  • ギャップ長 g=0.13 mm\ell_g = 0.13 ~\mathrm{mm} (スペーサーギャップ)

ボビンの選定

コアと同じく特に気にせずにCPV-PQ20/16を使うことにする。

CPV-PQ2016 出典: CPV-PQ20/16-1S-14P-Z Drawing

有効巻枠の確認

  • 巻き幅 7.82mm
  • 巻き高さ (17.22mm - 10.80mm) / 2 = 3.21mm

巻線構成決定

「シンプルな構成」を選ぶ。

沿面距離とバリアテープ

5V, 15V, 10Vと電圧が低いので省略する。

続いて 絶縁型フライバックコンバータ回路設計:トランス設計(構造設計)-その2 | 電源設計の技術情報サイトのTechWeb にそって進める。

線材の選定

計算せず適当に

  • 一次側 NpN_p 巻き線は 2UEW φ0.26 / 7並列
  • 二次側 NsN_s 巻き線は 2UEW φ0.32
  • VCC NdN_d 巻き線は 2UEW φ0.32

と決める。

結線図、層構成、巻線仕様

適当に内側から
Np(4巻 / 7並列) | Ns(16巻) | Ns(16巻) | Nd(10巻)
とする。

トランス仕様決定

CoilTurnsWire
Np42UEW 0.26 × 7
Ns1162UEW 0.32
Ns2162UEW 0.32
Nd102UEW 0.32

トランス製作

注意 : あくまで実験です。

トランスコアとボビン 組んでみる 2D=16.2mmだから8.10mm(実測値) コアにポリイミドテープ1枚貼って8.25mm

フェライトコアにポリイミドテープ1枚貼って8.25mm - 8.10mm = 0.15mm (スペーサーギャップ)

巻き線を始める 巻き線終わり テープでコアを固定 ピンにはんだ付け 完成

ブレッドボードに回路を作る

ブレッドボード上の実験回路

ブレッドボード上の実験回路

回路に電源(5V)を接続する

  • ch1(黄色): MOSFETのゲート電圧
  • ch2(緑色): 40 mΩ40 ~\mathrm{m \Omega} 抵抗間の電圧

scope

scope

scope

自励型DCDCコンバータの発振周波数は61.767kHz, 二次側に正負15V出力を確認した。

40 mΩ40 ~\mathrm{m \Omega} 抵抗に 1.81 V1.81 ~\mathrm{V} だから電流 II

I=VR=1810 mV40 mΩ=45.25 A\begin{aligned} I &= \frac{V}{R} \\\\ &= \frac{1810 ~\mathrm{mV}}{40 ~\mathrm{m\Omega}} \\\\ &= 45.25 ~\mathrm{A} \end{aligned}

ピーク電流だけどなかなか流れているな。

2SK3510
スイッチングデバイスのデーターシート3によると
2SK3510-datasheets
これくらいは大丈夫そう。