絶縁型スイッチモード電源におけるフォワードコンバータとフライバックコンバータの選択方法

はじめに

電源管理の世界では、医療機器、通信機器、産業用システムなど、絶縁された電力変換を必要とするさまざまなアプリケーションがあります。これは、エンド・ユーザーを保護するため、あるいは入力から出力への干渉を防ぐため(あるいはその両方)です。本稿は、アプリケーションに適した絶縁トポロジーを選択する方法を明確に理解することを目的として絶縁型スイッチモード電源(SMPS)について詳しく説明し、これらのアプリケーションで一般的に使用されるフォワードおよびフライバック絶縁変換トポロジーを紹介します。また、これらのデバイスの長所/短所と、さまざまな電力レベルに対する適合性を調査します。

アイソレーションとは？

アイソレーションとは、電子機器の設計において2つの分離された(絶縁された)セクション間で直接電流が流れないようにする電気システムの機能です。これは様々な使用ケースで必要とされます。例えば入力と出力の絶縁が必要な場合などです。機能的絶縁とは、入力と出力のグラウンドが分離されており、ノイズの多い電源が出力側のグラウンド・ループに干渉するのを防ぐものです。また、下流の負荷がレギュレータから給電される場合、入力側の高電圧から絶縁する必要があります。システムによっては、システムの安全性と信頼性を向上させるために絶縁レベルを上げる必要があります。

この種の実装には高度な安全性と絶縁が必要ですが、絶縁トポロジーを選択する理由は他にもあります。高昇圧/降圧アプリケーションでは、標準的な降圧コンバータや昇圧コンバータではデューティ・サイクルが小さく、オン/オフ時間が最小の要件を満たせないため、絶縁トポロジーが必要です。反転アプリケーションでは、絶縁デバイスが正から負への電圧変換を達成するために使用されます。

マルチ出力アプリケーションでは、絶縁トポロジーを採用して、マルチ出力トランスを使用することにより、1つの電力変換器から複数の出力を供給することができます。これらは、絶縁トポロジーが役立つ分野のほんの一部です。

フライバックコンバータ

フライバックコンバータは絶縁型SMPSの一種で、トランスを使用してエネルギーを入力から出力に伝達します。降圧モードまたは昇圧モードで構成できます。スイッチ(通常、エネルギー伝達のオン/オフに使用されるトランジスタ)は、トランスの1次巻線と直列に接続されています。スイッチが閉じると、エネルギーはトランスの磁界に蓄えられます。スイッチが開くと、エネルギーは低損失のショットキーダイオードや、より高い効率が必要な場合はアクティブスイッチを使用した整流回路を通して出力に伝達されます。

Analog Devices(ADI)では、かつてアクティブな2次側スイッチを備えたフライバックコンバータの設計についての説明記事を掲載したこともあります(英文)。エネルギーはオンサイクル中にトランスに蓄積され、オフサイクル中に出力に放出されるため、フライバック設計で転送できるエネルギー量は限られています。また物理的な制約により、トランスのサイズは限られています。このため、トランスの電流能力が制限され、エネルギーが大きすぎるとトランスのコアが飽和する可能性があります。

フライバックトランスを見る際に留意すべきもう1つの詳細は、極性インジケータです。フライバックトポロジーの場合、1次巻線と2次巻線は位相がずれているため、1次側のドットが上部に、2次側のドットが下部に表示されます。これは、1次側と2次側の電流と電圧が互いに180°位相がずれていることを意味します。

従来のフライバック実装(図1)では、オプトカプラを使用してフィードバックループを閉じ、レギュレーションを維持します。しかし、この方法には欠点があります。オプトカプラには、消費電力が高い、速度が遅い(ループ応答の最適化が難しい)、かさばる、経年劣化しやすいなどの制限があります。また、動作にはバイアスが必要なため、回路の2次側に回路が追加され、基板面積が増加します。さらに、オプトカプラはLEDベースなので、時間とともに摩耗します。この磨耗は電流と温度の上昇によって加速されます。磨耗は、オプトカプラの長期電流伝達率(CTR)を示す性能グラフで定義されます。劣化は部品によっても異なるため、これらは重要なアプリケーションの信頼できるソリューションではありません。

• 

  図1.従来の実装(1)

別のフライバック実装(図2)では、3つ目の巻線を使用して2次側の情報を制御回路に提供し、レギュレーションを維持します。しかし、かさばるオプトカプラや関連するバイアス回路が削除されているとはいえ、この3つ目の巻線によってトランスの物理的なサイズが大きくなり、出力変化に対する応答が遅くなります。このため、過渡応答が悪くなる可能性があります。

• 

  図2.従来の実装(2)

ノーオプト・フライバック・コンバータとは？

フライバック・コンバータのもう1つのタイプは、無オプト・フライバック・コンバータです(図3)。無オプトとは、レギュレーションを維持するために絶縁側からコンバータにフィードバックを提供するオプトカプラをコンバータが使用しないことを指します。その代わりに、無オプト・フライバックはフライバック・パルス波形を見ることによって、1次側の絶縁出力電圧をサンプリングします。

• 

  図3.PMIC「LT8300」を用いたノーオプト・フライバック・アプリケーション回路(36V～72V V_IN 、5V V_OUT)

このタイプの設計は、基板面積と信頼性の面で多くの利点があります。オプトカプラがないため、このスペースと2次側のフィードバック部品が不要です。3つ目の巻線を使用する設計に比べ、トランスのサイズも小さくなります。この基板面積の削減は、携帯機器や小型電子機器など、スペースが重視される用途では特に重要です。

電源スイッチがオンになると、トランスの1次電流はピーク電流制限値(ICごとに異なる)まで増加し、その時点でスイッチがオフになります。スイッチノードの電圧は、出力電圧(V_OUT)に1次-2次巻数比(Nps)を乗じた値に入力電圧(V_IN)を加えた値まで上昇します。

• 

定格スイッチ電圧は、非絶縁スイッチング・レギュレータと同様に重要です。しかし、このタイプのコンバータでは、スイッチ・ノードが出力電圧にトランスの巻数比を乗じた電圧に最大入力電圧を加えた電圧を見るため、より注意が必要です。さらに、リーケージ・インダクタンス・スパイクがあるため、これらの条件がすべて揃ったときにスイッチ電圧を超えないように設計する必要があります。

リーケージ・インダクタンスとは？

リーケージ・インダクタンスは寄生インダクタンスの一種で、ここで説明するフライバックコンバータやフォワード・コンバータを含め、すべてのトランスベースの回路に存在します。意図した回路に直接接続されておらず、トランスの磁界を通じて結合されるインダクタンスと見なされる寄生成分となります。つまり、回路設計には直接含まれませんが、トランスの物理的特性によって存在する成分となります。トランスの磁界が1次巻線から2次巻線へ、またはその逆に漏れるものと考えることができます。

このリーケージ・インダクタンスは、エネルギーの伝達方法によって、フォワード・コンバータとフライバックコンバータの両方に異なる形で影響を与えます。フライバックコンバータの場合、リーケージ・インダクタンスは、1次スイッチがオフになったときに1次スイッチ間の電圧スパイクを引き起こし、負荷電流が大きいほど顕著になる可能性があります。回路設計者は、最悪の場合の漏れ電圧スパイクに対して十分なマージンを確保する必要があります。これは、1次側で反射される出力電圧が最大スイッチ電圧以下に保たれる必要があることを意味します。これは、1次側MOSFET(電力レベルに応じてフライバックに統合することも、別個のコンポーネントにすることもできます)の絶対最大定格です。

リーケージ・インダクタンスに関しては、トランスの設計が非常に重要であるため、トランスメーカーと協力してリーケージ・インダクタンスを最小化するか、リーケージ・インダクタンスが最小のトランスを選択することが重要です。それが不可能な場合は、トランスの1次側にスナバ回路を追加して電圧スパイクを減衰させることができます。これらの回路の設計の詳細については、フライバックのデータシートを参照してください。ADIでもLT8300マイクロパワー絶縁フライバック・コンバータのデータシートにて、この点について詳しく説明しています。

フォワード・コンバータ

順方向コンバータも、フライバックのようにトランスの1次巻線に直列に接続されたスイッチで、入力から出力へエネルギーを伝達するためにトランスを使用します。しかし、ここでの違いは、エネルギー貯蔵要素としてトランスに依存するのではなく、エネルギーを直ちに2次側に転送し、そこで整流とフィルタリングを行い、(トランスの巻数比を変化させることにより)入力電圧より高いか低い、調整された絶縁出力を提供することです。

トポロジーは、トランスのドットインジケータを見れば簡単に識別できます。1次側と2次側の位相インジケータはともに一直線上にあり、1次側と2次側の間で電流と電圧の位相が0°ずれていることを意味します。

• 

  図4.LT8310、12V出力のフォワード・コンバータ

2次側には2つの整流ダイオード(非同期実装)と、出力リップルを低減するためにインダクタとコンデンサで形成された出力フィルタがあります。ADIの「LT8310」は、非オプト・フライバックと同様の非オプト構成で動作可能ですが、必要に応じてオプトカプラ・フィードバックを使用することもできます。また、SOUTピンを使用して2次側MOSFETを駆動することにより、同期整流フォワードとして実装することもでき、効率の最適化に役立ちます。

• 

  図5.LT8310、オプトカプラ・フィードバック

フライバック・コンバータとフォワード・コンバータには、効率、負荷電流能力、サイズ、コストなど、いくつかの重要な違いがあります。

効率

一般に、順方向コンバータは、コアの飽和やリーケージ・インダクタンスによる損失が少ないため、フライバック・コンバータよりも効率が高くなる傾向があります。しかし、コンバータの効率は、回路の具体的な設計と使用部品にも依存します。例えば、電力レベルはこの部分の議論において重要な要素であるため、常に同値比較というわけではありません。歴史的には、2つのトポロジー間のギャップはより大きかったでしょうが、より効率的なコンポーネントが利用できるようになったため、達成される効率ははるかに近くなっています。

負荷電流能力

フォワード・コンバータはフライバック・コンバータよりも高い負荷電流を扱う傾向がありますが、これはトランスの設計により1次巻線に大きな電流を流すことができるためです。エネルギーは蓄積(フライバック)されるのではなく、同じサイクル(フォワード)で伝達されるため、トランスのサイズが負荷電流能力を制限します。フライバックは一般的に、トランスの制限により60Wから70Wまでのアプリケーションで使用され、これを超えるとフォワード・コンバータが数百Wの電力を供給できるより最適なソリューションとなります。

サイズ

フライバック・コンバータは、トランスの設計と、この変換トポロジーを実現するために必要な部品の数が少ない(FETの数が少なく、フィルタが単純)ため、フォワード・コンバータよりも小型になる傾向があります。フライバック・コンバータの小型化は、携帯機器など、サイズが重要な要素となるアプリケーションにとって重要な考慮事項となります。

コスト

フライバック・コンバータは、トランスの設計が単純であることに加え、回路を有効にするための部品点数が少ないため、フォワード・コンバータよりも安価になる傾向があります。表1は、両トポロジーの単純化した比較と、回路を有効にするために必要な部品数を示しています。示されているように、フライバックの方がシンプルな実装です。同期整流やフィードバック用のオプトカプラの必要性によって設計をさらに複雑にした場合でも、部品点数の観点からはフォワードの方がより複雑な設計であるため、実装コストは大きくなりますが、基板面積も大きくなります。

• 

  表1.フォワードとフライバックの部品点数比較

• 

  図6.2次側コントローラとしてフォワード・アプリケーションで使用されるLT8311

セカンダリー・サイド・コントローラーとは？

フォワード・コンバータもフライバック・コンバータも、2次側(トランスの絶縁側)にダイオード(フォワード・コンバータは2つ)を利用することで、2次側コントローラなしで動作します。しかし、これは必ずしも最も効率的な方法ではありません。もう1つの方法は、ダイオードを低損失のMOSFETに置き換えることですが、これには2次側コントローラが必要です。これは絶縁バリアの2次側でMOSFETのオンとオフを制御するスイッチング・コントローラです。ADIの「LT8311」のようなこれらのデバイスの中には、出力電圧をモニターし、この情報を絶縁バリアの1次側に提供する回路を搭載できるものもあります。これはオプトカプラ信号を介して行われます。図6は、「LT3753」フォワード・コンバータとLT8311を組み合わせたアプリケーション回路で、オプトカプラ・フィードバックを使用した2次側制御の実装例です。

では、2次側コントローラが設計に必要かどうかという質問に戻りましょう。答えは、パワー関連のすべてと同様、「場合による」です。システム要件、精度、効率、プロジェクトのスケジュール、コストなどによります。結局のところ、セカンダリ側コントローラを搭載することにはいくつかのメリットがあり、それが決断の助けになるかもしれません。

効率の向上

2次側コントローラでは、ダイオードの代わりに低R_DS(ON)MOSFETを制御できるため、2次側の電力損失を低減でき、システムの効率が向上します。

レギュレーションの改善

出力電圧と電流を監視し、1次側にフィードバックを提供することで、安定した正確な出力電圧を維持することができます。これにより、電圧レギュレーションが厳しくなり、出力電圧の安定性が向上します。

柔軟性

2次側コントローラの中には、様々な追加機能を搭載できるものもあり、コンバーターをより多用途に、様々な用途に使用することができます。

絶縁電力変換を必要とするアプリケーション例

• 医療機器:患者や医療スタッフへの感電を防ぐため、医療機器では絶縁がよく用いられます。また、患者の電気信号と機器の干渉を防ぐことで、より正確な診断や治療につながります。
• 産業用制御:絶縁電源は、通信インタフェース電源や産業用オートメーション電源など、多くのシステムに必要です。絶縁は、高電圧過渡現象や電気ノイズから高感度の電子機器を保護するために、産業用制御システムで一般的に使用されています。
• 自動車システム:絶縁は、異なるサブシステム間の電気的干渉を防止し、電圧スパイクや過渡現象から電子システムを保護するために、自動車システムにも使用されています。
• 通信システム:絶縁は、電気通信やデータ通信の高電力密度電源(PSU)などの通信システムで使用されます。
• 再生可能エネルギーシステム:太陽光発電所、風力発電所、水力発電所などの再生可能エネルギーシステムの電力変換においても、安全上の理由や、システムの異なる部分間の干渉を防ぐために絶縁が使用されます。
• バッテリーベースのシステム:高電圧過渡現象から繊細な電子部品を保護し、安全性を確保するために、バッテリーを使用したシステム、特にバッテリーの充電と放電の際にも絶縁が重要です。

結論

全体として、絶縁は安全性、精度、信頼性のために電力コンバータの入力側と出力側を分離する必要がある幅広いアプリケーションで使用されます。フライバック・コンバータとフォワード・コンバータの両方が、このような絶縁アプリケーションで使用できる絶縁SMPSトポロジの一種です。これら2つのトポロジーのどちらを選択するかは、アプリケーションの具体的な要件と、効率、絶縁、サイズ、負荷電流能力、およびコストの面でトレードオフを行う必要があるかによって決まります。

本記事はAnalog Deviceの技術解説記事「Isolated Switch-Mode Power Supplies: How to Choose a Forward vs. a Flyback Converter」を翻訳したものとなります

参考文献

Saikumar T.V. and K.S. Bhanuprasad.“How to Design a No-Opto Flyback Converter with Secondary-Side Synchronous Rectification”.アナログ・デバイセズ社、2014年
Dostal, Frederick.“フライバックコンバータが限界に達したとき”アナログ・デバイセズ社、2020年11月
Ledoux, Nikolas.“Breaking Ground Loops with Functional Isolation to Reduce Data Transmission Errors”.アナログ・デバイセズ社、2011年11月