高効率と低雑音の両立！LLCトランスの巻き数決め

飽和磁束密度の見積もり精度が鍵

• 著者・講師：並木 精司
• 主催：ZEPエンジニアリング株式会社
• 企画・編集：ZEPエンジニアリング株式会社

トランスが飽和しない範囲を見定める

LLCトランス設計と巻き数の決定方法

LLCトランス設計は，スイッチング電源において重要な役割を果たします．特に，巻き数の決定と飽和磁束密度の見積もりは，効率のよいトランス設計に不可欠です．

今回の設計では，リーケージ・インダクタンスを外部共振インダクタで補完し，トランス内部でのインダクタンス生成が不要になるため，分割ボビンを使う必要はありません．また，出力が48W以上のプッシュプル方式を採用し，TDKのPQコアを選定しました．具体的には，PC44PQ20/16を使用し，最大出力70Wで動作させるため，余裕をもった設計となっています．

巻き数の決定方法

動画では，最大磁束密度（$B_m$）は120mTに仮定して計算を進めます．巻き数の計算は，トランスのコア有効断面積（$A_e$）やスイッチング周波数，入力電圧に基づいて決定されます．例えば，100kHzで動作するトランスの場合，コア有効断面積$A_e$が62mm$^2$で，入力電圧が48Vの場合，1次巻き数$N_p$は次のように計算できます．

\[ \begin{align*} N_p &= \frac{V_{in}/2}{4 \times A_e \times F \times B_m} \\ &= \frac{48 / 2}{4 \times 62 \times 10^{-6} \, \text{m}^2 \times 100 \times 10^3 \, \text{Hz} \times 120 \times 10^{-3} \, \text{T}} \\ &= 8.79 \, \text{turns} \end{align*} \] これを切り上げて，$N_p$は9ターンになります．

2次巻き数についても同様に計算を行い，巻き線比が1：1であれば，$N_p$と同じ9ターンが適用されます．電流密度は5A/mm$^2$程度が標準的ですが，線径を最適化することで電流密度を抑え，効率のよい設計を実現します．

結合度のよい巻き線構造

巻き線構造において重要なのは，1次側と2次側の巻き線の結合度を高めることです．結合度を高めることで，1次側で発生した磁束がすべて2次側に伝わり，トランスの効率を最大化することが可能です．今回の設計では，巻き幅が7.8mmで，1次巻き数9ターンが巻ける構造となっていますが，電流密度を考慮し，0.5TEX-Eの電線を使用し，2層に巻くことで電流密度を調整しています．

飽和磁束密度の見積もりと精度の重要性

LLCトランス設計において，飽和磁束密度の見積もりは非常に重要です．飽和磁束密度が適切に設定されないと，トランスの効率が低下し，過度な発熱や動作不安定を引き起こす可能性があります．

飽和磁束密度の設定

最大磁束密度を120mTと仮定して設計を進めます．飽和磁束密度を過小に見積もると，トランスが正しく動作せず，過剰に磁気エネルギを蓄積します．一方で，過大に見積もると，鉄損が大きくなり，トランス全体の効率が低下します．

コア材料の選定とその影響

コア材料の選定も，飽和磁束密度の見積もりに影響します．今回の設計では，PC44コアを使用していますが，PC44はすでに生産中止されているため，代替としてPC47材を使用しています．PC47はPC44と同等の性能をもつため，同じ設計で使用することが可能です．他社製コアでも同等の性能をもつものがあれば，同じ計算式で飽和磁束密度を見積もることができます．

見積もり精度がトランス性能を左右

飽和磁束密度の見積もり精度が低いと，トランス全体の性能が著しく低下します．適切なコア材料と巻き数の設計を行うことで，トランスが効率的に動作し，熱損失や動作不安定を最小限に抑えることができます．〈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．
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．
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．
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．
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．

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．