1. スイッチング電源の概要
スイッチング電源は、スイッチング電源またはスイッチングコンバータとしても知られる高周波電気エネルギー変換デバイスです。高速スイッチング管を介して入力電圧を高周波パルス信号に切り替え、電気エネルギーをある形式から別の形式に変換します。トランス、整流回路、フィルタ回路を経て、最終的に安定した低リップルの電源用直流電圧が得られます。
スイッチング電源には、高効率、良好な安定性、小型、軽量、高信頼性という利点があり、さまざまな機器の電力ニーズに適応できます。
スイッチング電源は、産業オートメーション、通信、新エネルギーなどのさまざまな分野で広く使用されています。産業オートメーションの分野では、スイッチング電源はさまざまなオートメーション機器に安定した電力を供給し、機器の効率的かつ安定した動作を保証します。
通信分野では、通信システムの信号伝送の安定性を確保し、通信品質を向上させるために、スイッチング電源が無線基地局やネットワーク機器などに広く使用されています。新エネルギーの分野では、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの有効利用にスイッチング電源が重要な役割を果たしています。
スイッチング電源は大きく分けて、入力回路、コンバータ、制御回路、出力回路の4つの主要な部品で構成されています。以下は典型的なスイッチング電源の概略ブロック図です。スイッチング電源を理解するには、これを習得することが重要です。
2. スイッチング電源の分類
スイッチング電源は、さまざまな分類基準に従って分類できます。一般的な分類方法は次のとおりです。
1. 入力電力の種類による分類:
AC-DCスイッチング電源：AC電源をDC電源に変換します。
DC-DC スイッチング電源: DC 電力を別の DC 電圧に変換します。
2. 動作モードによる分類:
シングルエンドスイッチング電源: スイッチチューブが 1 つだけあり、低電力アプリケーションに適しています。
デュアルエンド スイッチング電源: 2 つのスイッチ チューブを備えており、高出力アプリケーションに適しています。
3. トポロジによる分類:
トポロジーにより、降圧、昇圧、昇降圧、フライバック、フォワード、2トランジスタフォワード、プッシュプル、ハーフブリッジ、フルブリッジなどに大別されます。これらの分類方法はほんの一部です。スイッチング電源は、他の特定の要件や用途に応じてさらに詳細に分類することもできます。
次に、よく使われるフライバックとフォワードを紹介します。フォワードとフライバックは、2 つの異なるスイッチング電源テクノロジです。フォワードスイッチング電源とは、結合エネルギーを分離するためにフォワード高周波トランスを使用するスイッチング電源を指し、対応するフライバックスイッチング電源はフライバックスイッチング電源です。
2.1 順方向スイッチング電源
フォワードスイッチング電源の構造はより複雑ですが、出力電力は非常に高く、100W〜300Wのスイッチング電源に適しており、一般に低電圧、高電流スイッチング電源で使用され、より広く使用されています。
下図に示すように、順方向スイッチング電源の場合、特にスイッチング管がオンになると、出力トランスが磁界エネルギーと直接結合する媒体として機能し、電気エネルギーと磁気エネルギーが相互に変換されます。入力と出力を同時に行います。
また、日常のアプリケーションには欠点もあります。たとえば、逆電位巻線を増やす必要がある（逆電位によって発生するトランスの一次コイルのスイッチング管の破壊を防ぐため）、エネルギー蓄積フィルタリングのための二次側の複数のインダクタ、フライバックスイッチング電源と比較して、そのコストは高く、フォワードスイッチング電源トランスの体積はフライバックスイッチング電源トランスの体積よりも大きくなります。
フォワードスイッチング電源
2.2 フライバックスイッチング電源
フライバックスイッチング電源とは、下図に示すように、フライバック高周波トランスを用いて入出力回路を絶縁したスイッチ電源のことを指します。そのトランスは、電圧を変換してエネルギーを伝送する役割だけでなく、エネルギー貯蔵インダクタの役割も果たします。したがって、フライバックトランスはインダクタの設計に似ています。すべての回路は比較的単純で制御が簡単です。フライバックは、5W ～ 100W の低電力アプリケーションで広く使用されています。
フライバックスイッチング電源の場合、スイッチ管がオンになるとトランスの一次インダクタの電流が上昇します。フライバック回路の出力コイルは両端があるため、出力ダイオードはオフになり、トランスがエネルギーを蓄積し、出力コンデンサによって負荷にエネルギーが供給されます。スイッチ管がオフになると、トランスの一次インダクタの誘導電圧が反転します。このとき、出力ダイオードがオンし、トランスのエネルギーがダイオードを介して負荷に供給されるとともに、コンデンサが充電されます。
フライバックスイッチング電源
比較すると、順励磁のトランスはトランスの機能のみを有しており、全体としてはトランス付き降圧回路とみなすことができます。フライバックトランスは、トランスの機能を持ったインダクタとみなすことができ、昇降圧回路です。一般に、フォワードフライバックの動作原理は異なり、フォワードはプライマリ動作であり、セカンダリ動作であり、セカンダリは電流を更新するために電流インダクタで動作しません（通常はCCMモード）。
一般に力率は高くなく、入出力と可変デューティ サイクルは比例します。フライバックが主に機能し、二次側は機能せず、両側が独立して動作します。一般に DCM モードですが、トランスのインダクタンスは比較的小さく、エアギャップを追加する必要があるため、通常は中小規模の電力に適しています。
フォワードトランスは理想的でエネルギー貯蔵がありませんが、励磁インダクタンスが有限値であるため、励磁電流によりコアが大きくなり、磁束飽和を避けるためにトランスには磁束リセット用の補助巻線が必要です。
フライバックトランスは、結合インダクタンスの一種として見ることができます。インダクタンスは、フライバックトランスの入力電圧と出力電圧の極性が逆であるため、最初にエネルギーを蓄積し、その後放電します。そのため、スイッチング管が切断された場合、二次側は、磁気コアしたがって、フライバックトランスは磁束リセット巻線を追加する必要がありません。
投稿日時: 2024 年 9 月 29 日