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動画で見る小型＆低雑音 LLCコンバータ用トランスの製作


数十～数KWの充電器，無線機，産業用インバータに

一目瞭然！電源設計のプロがLLCトランスを巻く

図1　プロが実演！高効率で低ノイズな電源回路の心臓部「トランス」の製作のようす．［著・提供］並木 精司．画像クリックで動画を見る．記事を読む．．詳細は［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット

LLCコンバータの魅力

LLCコンバータは，高効率で低ノイズな電源回路として注目を集めています．その心臓部であるトランスの設計は，コンバータの性能を左右する重要な要素です．

データ・センタやEV充電器など，高効率が求められる分野での採用が期待されます．

LLCコンバータの最大の魅力は，ゼロ・ボルト・スイッチング（ZVS）が容易に実現できる点です．これにより，スイッチング損失が大幅に低減され，高効率化が図れます．また，電流波形が正弦波に近いため，EMIノイズも低く抑えられます．

さらに，2次側に平滑インダクタが不要なため，部品点数の削減と小型化が可能です．両波整流を採用しているため，リプル周波数がスイッチング周期の2倍になり，出力キャパシタの小型化にも貢献します．

LLCコンバータは高周波動作が可能なため，トランスの小型化が実現できます．同時に，正弦波に近い電流波形により，EMIノイズも低減されます．トランスの設計では，これらの利点を最大限に活かすことが重要です．

従来のフライバック・コンバータやフォワード・コンバータと比べ，LLCコンバータは高効率と低ノイズを両立できる優れた特性をもっています．しかし，その設計と制御には独特の難しさがあります．

LLCコンバータの基本構成と動作原理

LLCコンバータの基本回路は，ハーフブリッジ回路，共振回路，絶縁トランス，整流回路で構成されています．共振回路は共振インダクタンス$L_R$，$L_M$と共振キャパシタ$C_R$からなり，これらが協調して動作することで，スイッチング損失とノイズを低減するソフト・スイッチングを実現します．

LLCコンバータの動作は，$C_R-L_R$直列共振と$C_R-(L_R+L_M$)直列共振の2つの共振モードの組み合わせによって特徴づけられます．この特性により，周波数を変化させることで入出力ゲインを制御でき，出力電圧の安定化が可能になります．

設計のポイント

LLCコンバータのトランス設計は，理論と実践の両面からのアプローチが必要です．シミュレーションと実機評価を繰り返し，最適な設計パラメータを見出すことで，小型で低ノイズ，高効率なLLCコンバータを実現できます．

トランス

  1. 励磁インダクタンス$L_M$の最適化
    2. $L_M$は共振特性とゲイン特性に大きく影響します．適切な$L_M$値を選択することで，所望の動作範囲と効率を得ることができます．
  2. 漏れインダクタンス$L_R$の制御
    3. $L_R$は共振周波数を決定する重要なパラメータです．トランスの巻き方や構造を工夫して，適切な$L_R$値を実現します．
  3. 巻き線設計
    4. 1次側と2次側の巻き数比は出力電圧に直接影響します．また，銅損を低減するために適切な線径と並列巻きを選択します．
  4. コア選択
    5. 動作周波数と出力電力に適したコア材質とサイズを選びます．フェライト・コアが一般的ですが，高周波動作には鉄粉コアも検討します．

シミュレーションで最適設計

LTspiceなどの回路シミュレータを使用して，設計したトランスの特性を確認し，最適化を行います．シミュレーションでは，共振電流波形やスイッチング波形を観察し，ソフト・スイッチングが実現できているか確認します．

LLCコンバータの設計では，回路シミュレーションが非常に重要な役割を果たします．LTspiceなどのツールを使用することで，回路の動作を詳細に解析し，最適なパラメータを見つけ出すことができます．シミュレーションでは，共振電流波形やスイッチング波形を観察し，ZVSが実現できているかを確認することが重要です．

課題

LLCコンバータには設計上の課題もあります．入力電圧変動に対する制御範囲が狭いため，ワールドワイドな入力電圧に対応するには，前段にPFC回路が必要になることが多いです．また，出力電圧の制御範囲も狭いため，広い電圧調整範囲が必要な用途には不向きです．

普及には課題もあります．設計の複雑さや，専用制御ICの必要性などが，広範な採用の障壁となっています．また，高周波動作時の磁性材料の損失や，EMC規制への対応なども，今後解決すべき技術的課題です．

LLCコンバータが次世代電源の主役となるかどうかは，これらの課題をいかに克服できるかにかかっています．技術の進歩と設計ノウハウの蓄積により，LLCコンバータの可能性はさらに広がっていくでしょう．〈ZEPマガジン〉

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著者紹介

  • 1967年 タムラ製作所に入社．電源トランスの設計，スイッチング電源の設計，海外工場の責任者などを経て定年後も63歳まで海外拠点でスイッチング電源やACアダプタの開発のサポート．現在はパワーアシストテクノロジーに在籍し，各種電源装置の開発に従事．

著書

  1. 低雑音＆高効率！LLC絶縁トランスの定数設計法，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. 高速パワー素子GaN搭載 30W小型充電器の分解レポート，トランジスタ技術2020年10月号，CQ出版社．
  3. ロスレス＆雑音レス！スイッチング電源「LLC」のパソコン設計術，トランジスタ技術2018年5月号，CQ出版社．
  4. 世界最小＆最軽量！65WノートPC用ACアダプタ DART 実験大解剖，トランジスタ技術 2018年2月号，CQ出版社．
  5. 粗悪品と優良品を見極めろ!4種類のiPhone充電用ACアダプタ，トランジスタ技術2016年3月号，CQ出版社．
  6. 出力3.3～24V/0～0.3AのハンディUSB実験用電源，トランジスタ技術2014年12月号～2015年3月号，CQ出版社．

参考文献

  1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］ ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD］Linux搭載USBマルチ測定器 Analog Discovery Proで作る私の実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［動画］初めての電源・アナログ回路設計［DC-DC コンバータの製作］，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［YouTube］電子回路の素［トランジスタ編］，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［YouTube］高校数学からはじめる「ベクトル解析」，ZEPエンジニアリング株式会社．