絶縁型DC-DCコンバータの基本回路

技術編
TDK Power Electronics World
絶縁型 DC-DC コンバータの基本回路
絶縁型 DC-DC コンバータと呼ばれるのは、トランスを積極的に用い、大出力にも対応した本格
的なタイプです。基本的な原理や骨格となる回路を知っておくと理解も深まります。
RCC 方式（自励式フライバックコンバータ）
小出力タイプ
＜トランスの原理と起電力の方向＞
1 次巻線の
1 次巻線
巻き始めを表す印
からの磁束
2 次巻線の
反作用磁束
スイッチ ON
電流
負荷
誘導
起電力
逆起電力
スイッチ ON すると、1 次巻線から磁束が
発生するが、
このとき磁束増加を妨げるよう
に起電力
（逆起電力）
が生まれる。コアを通じ
た 1 次巻線の磁束は、
2 次巻線に反作用磁束
を生み、
起電力
（誘導起電力）
が生じて電流
（誘導電流）
が流れる。スイッチ OFF のとき
は、
電流の向きは逆になる。
ベース巻線のベース電流
によりQ1が ONしてコレ
クタ電流が流れる。ベー
ス電流が不足するとOFF
となり、2 次側に電流が
流れる。この動作を繰り
返す自励式。部品点数が
少なくてすみ、簡易な小
出力電源に用いられる。
Q1 が ON：
OFF：
Q1
ベース巻線
ポイント
※磁気飽和を防ぐためトランスコアにはギャップを入れる（→19 頁）
＊RCC : Ringing Choke Converter
出力電圧・電力別のタイプ
ON/ON タイプ
（多石式：プッシュプル、ハーフブリッジ、フルブリッジ式など）
ON/OFF タイプ
（Ｖ）
中∼大出力タイプは複数のスイッチング素子を用いる多石式となり、
回路は複雑になりますが、高効率化や低ノイズ化、高機能化が図れます。
巻き始めを表す印
プッシュプル方式
中∼大出力タイプ
100
10
0
0
小∼中出力タイプ
スイッチ ON
+
スイッチ OFF
❶スイッチ ON すると、
1 次巻線に電流が流れ
→）
、
発生する磁束によりコアが磁化される
（→
（エネルギーの蓄積）
。ダイオードの向きが逆な
ので、
2 次巻線には誘導電流が流れない。
+
ポイント
トランスコアがエネルギーを蓄え
るので、チョークコイルが不要。
（制御回路に接続）
100
1000 電力（Ｗ）
（1 石フォワード式など）
DC
出力
磁性体コアの B-H 曲線
Q2
Q1 が ON：
Q2 が ON：
❷スイッチ OFF すると、
コアに蓄積されたエネ
ルギーが開放されて、
ダイオードを通じて電流
（→ ）
。トランスのコイルがチョークコ
が流れる
イルの役割を果たしているともみなせる。
−
10
ON/OFF タイプ &ON/ON タイプ
Q1
トランス
（RCC 式、フライバック式など）
1000
（逆起電力、誘導起電力）
の向きは、●印に対して
同じ方向になる。
2 次巻線の
DC-DC コンバータには、スイッチング素子が
ON のときエネルギーを出力するON/ON 方式
と、スイッチング素子が OFF のとき出力する
ON/OFF 方式がある。
出力電圧
1 次・2 次巻線の起電力
コア
ON/ON方式とON/OFF 方式
Q 1・Q 2 を交互に切り替える。出力
300W程度までの電源によく使われる。
フルブリッジ方式
B：磁束密度
飽和磁束密度
励磁過程
透磁率が高いほど傾きが大きくなる。
中∼大出力タイプ
透磁率
H：磁界
数100W以上の高効率・大出力電源に採用される。
中出力タイプ
D1
スイッチ ON
誘導起電力
OFF
Q1
+
逆起電力
スイッチ
チョークコイル
+
D2
−
（制御回路に接続）
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❶スイッチ ON すると、
トランス
の原理により 1 次巻線・2 次巻
線に起電力
（逆起電力、
誘導起
電力）
が発生して、
ダイオード
（D1）
を通じて電流が流れる
（→）
。このとき、
チョークコイル
にエネルギーが蓄えられる。
❷スイッチ OFF すると、
電流変化を妨げるようにチョーク
コイルに起電力が生まれ、
蓄えられたエネルギーが放出さ
を通じて電流が流れる
（→ ）
。
れて、
転流ダイオード
（D2）
絶縁型 DC-DC コンバータの主役はトランス。
Q3
曲線の幅が狭いほど、
損失が小さい。
ハーフブリッジ方式は、Q1・Q2 を 2 つの
コンデンサで置き換えた方式。
各種コア材の性能比較
DC
出力
Q2
Q4
Q2・Q3 が ON：
Q1・Q4 が ON：
ケイ素鋼
フェライトアモルファス
透磁率
△
○
◎
飽和磁化
◎
△
△
鉄損
×
◎
◎
製造コスト
△
◎
×
鉄心は高周波領域では損失（発熱ロス）が多くなるので使えない。
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