電力変換システム用の補助電源に有用な擬似共振形 DCDC コンバータの損失解析と最適設計長井真一郎＊，高橋計 (ポニー電機株式会社) Loss analysis and design of resonance converter for auxiliary power source for power conversion system Shinichiro Nagai, Hakaru Takahashi (Pony Electric Co.,Ltd.) 概要 MC コンバータ環境保護やエネルギ資源の問題から新エネルギシステムや通信情報機器に使用される電力変換装置の高効率化が求められている。これらの装置内の主な変換回路にはソフトスイッチング技術などを採用した高効率化が行われている。しかし、これらの装置内に必ず存在する補助電源(制御回路用電源)は主変換回路が動作しない場合でも駆動することも多く、２４時間運転することも多い。このため、補助電源の高効率化の必要性がある。この補助電源は、負荷がフ太陽電池ファン制御回路ゲート電源ゲート電源図１.電力変換装置(PCS)内の補助電源構成 Np : Ns Ls Vin Di Lp ァンやスイッチ駆動用電源及びマイコン電源などがあるた Sw め、負荷が一定に近い特徴をもつ。机上検討を行ったので報告する。 + Vout トランス本報告ではこの特徴に良いと考えられる擬似共振形フライバックコンバータの巻数を考慮した設計にて低損失化の商用系統補助電源 Cs 図２. 補助電源用擬似共振形フライバックコンバータ回路 (Vin=250V,Vout=12V,Cs=470nF,Lp=3mH,Ns=5) 回路構成図１にシステムに構成された補助電源構成図、図２に擬似共振形フライバックコンバータ回路を示す。補助電源はシステムに構成され、各種電源などに使われる。擬似共振形フライバックコンバータは一般的なフライバックコンバータに RC スナバを削除し、スナバコンデンサを付加した図３.実験波形例(Sw 端子電圧波形) もので部品追加がほとんどない。動作原理は電流臨界モー表１.損失演算方法ド制御で動作させ、励磁インダクタンスと共振コンデンサのリンギングを利用してソフトスイッチングを行う方式でスイッチ導通損失スイッチ導通電流と Id-Vds 特性から算出ある。装置の補助電源のように負荷が大きく変化しない場スイッチング損失 Turn-on 時の残留電圧と共振コンデンサから算出合には有用な方式である。トランスの鉄損 ⊿B と SW 周波数及びコア損失データから算出検討結果トランスの銅損巻数と導通電流及び導通電流密度から算出図３に実験波形、表１に損失演算方法、図４に巻数と損失の関係を示す。実験波形ではターンオフ時、ターンオン時共にソフトスイッチングとなっていることが分かる。損 [W/div] div] Loss ALL Loss SW& SW&Di 108 turn LossALL= LossALL=4.5W 失は大きく表の４つに分け、それぞれ損失を求め、積算した。この結果、Np=108 ターンが最も高効率で最適な巻数であることが分かった。この算出により同じ材料にて巻数を調整し最も低損失なコンバータに設計することができる。この他、トランスには IEC,UL 規格に対応する必要がある Loss Core Switching Frequency [20Hz 20Hz/ Hz/div] div] Loss winding Loss switching 場合があり、この制約も損失に影響する。本報告書では、ある条件における補助電源設計の一例を示した。本検討により装置の高効率化の提案を行いエネルギ問題に寄与できれば幸いである。 Primary winding Np[ Np[25turn 25turn/ turn/div] div] 図４.巻数と損失の関係