フライバックコンバータとは：設計とその動作

フライバックコンバータは、過去70年間のスイッチモード電源のように設計されており、ACからDC、DCからDCなどのあらゆるタイプの変換を実行します。フライバックの設計は、1930年代初頭から1940年代に通信用のテレビを開発するという利点をもたらしました。非線形スイッチング電源の概念を使用しています。ザ・ フライバックトランス 磁気エネルギーを蓄え、 インダクタ 非フライバック設計と比較した場合。この記事では、フライバックコンバータの動作とそのトポロジについて説明します。

フライバックコンバーターとは何ですか？

フライバックコンバータは、入力と出力の間をガルバニック絶縁してACをDCに変換する電力コンバータとして定義されています。回路に電流が流れるとエネルギーを蓄え、電源を切るとエネルギーを放出します。相互に結合されたインダクタを使用し、降圧または昇圧変圧器の絶縁スイッチングコンバータとして機能します。

広範囲の入力電圧で複数の出力電圧を制御および調整できます。ザ・ コンポーネント フライバックコンバータの設計に必要なものは、他のスイッチングモード電源回路と比較するとわずかです。フライバックという言葉は、設計で使用されるスイッチのオン/オフ動作と呼ばれます。

フライバックコンバーターの設計

フライバックコンバータの設計は非常にシンプルで、 電気部品 フライバックトランス、スイッチ、整流器、フィルター、およびスイッチを駆動して調整を実現するための制御デバイスのようなものです。

このスイッチは、変圧器を磁化または消磁できる一次回路のオンとオフを切り替えるために使用されます。コントローラからのPWM信号は、スイッチの動作を制御します。ほとんどのフライバックトランスの設計では、FETまたはMOSFETまたは基本的なトランジスタがスイッチとして使用されます。

フライバックコンバーターの設計

整流器は二次巻線の電圧を整流して脈流のDC出力を取得し、変圧器の二次巻線から負荷を切り離します。コンデンサは、整流器の出力電圧をフィルタリングし、目的のアプリケーションに従ってDC出力レベルを上げます。

フライバックトランスは、磁気エネルギーを蓄えるインダクタとして使用されます。これは、一次巻線と二次巻線として機能する2つの結合インダクタとして設計されています。それはほぼ50KHzの高周波で動作します。

設計計算

を考慮する必要があります フライバックコンバータの設計計算 巻数比、デューティサイクル、および一次巻線と二次巻線の電流の比較。巻数比は、一次巻線と二次巻線を流れる電流、およびデューティサイクルに影響を与える可能性があるためです。巻数比が高いと、デューティサイクルも高くなり、一次巻線と二次巻線を流れる電流が減少します。

回路に使用されているトランスはカスタムタイプであるため、最近では巻数比のある完璧なトランスを得ることができません。したがって、必要な定格で必要な定格に近い変圧器を選択することにより、電圧と出力の違いを補うことができます。

コア材料、エアギャップの影響、分極などの他のパラメータは、エンジニアが検討する必要があります。

スイッチの位置を考慮したフライバックコンバータの設計計算については、以下で説明します。

スイッチがオンのとき

Vin-VL-Vs = 0

理想的な状態では、Vs = 0（電圧降下）

次に Vin-VL = 0

VL = Lp di / dt

di =（VL / Lp）x dt

以来 VL = Vin

di =（Vin / Lp）x dt

両側に統合を適用することにより、

一次巻線の電流は

Ipri =（Vin。/Lp）トン

一次巻線に蓄えられる総エネルギーは、

Epri =½Ipri^二X Lp

ここで、Vin =入力電圧

Lp =一次巻線のインダクタンスまたは一次インダクタンス。

トン=スイッチがオンになる期間

スイッチがオフの場合

VL（セカンダリ）-VD-ボールト= 0

ダイオードの電圧降下は理想的な状態でゼロになります

VL（セカンダリ）– Vout = 0

VL（セカンダリ）= Vout

VL = Ls di / dt

di =（VLセカンダリ/ Ls）/ dt

VLセカンダリ= Voutなので

したがって、

di = Vout / Ls）X dt

統合を適用することにより、

Isec =（Vsec / Ls）（T-トン）

伝達される総エネルギーは次のように表されます。

Esec =½[（Vsec / Ls）。 （T-トーン）]^二。 Ls

ここで、Vsec =二次巻線の電圧=負荷での合計出力電圧

Ls = 2次巻線のインダクタンス

T = pwm信号周期

トン=スイッチオン時間

フライバックコンバータの動作/動作原理

フライバックコンバータの動作は上の図から理解できます。動作原理は、スイッチモード電源（SMPS）モードに基づいています。

スイッチがオンの位置にあるとき、入力と負荷の間のエネルギー伝達はありません。全エネルギーは回路の一次巻線に蓄えられます。ここで、ドレイン電圧Vd = 0であり、電流Ipは一次巻線を通過します。エネルギーは変圧器の磁気インダクタンスの形で蓄積され、電流は時間とともに直線的に増加します。その後、ダイオードは逆バイアスになり、トランスの2次巻線に電流が流れなくなり、総エネルギーが出力で使用されるコンデンサに蓄積されます。

スイッチがOFFの位置にあるとき、磁場によって変圧器の巻線の極性を変えることによってエネルギーが負荷に伝達され、整流回路が電圧の整流を開始します。コアの総エネルギーは負荷に転送され、修正され、コアのエネルギーがなくなるまで、またはスイッチがオンになるまでプロセスが続行されます。

フライバックコンバータトポロジ

フライバックコンバータトポロジは、多くのアプリケーションに利点をもたらす優れたパフォーマンス特性を備えた、適応性があり、柔軟性があり、主に使用されるシンプルなSMPS（スイッチモード電源）設計です。
フライバックコンバータトポロジのパフォーマンス特性を以下に示します。

フライバックトポロジ

上記の波形は、フライバックトランスの一次巻線と二次巻線の突然の遷移と反転電流を示しています。出力電圧は、一次巻線のデューティサイクルのオン/オフ動作を調整することによって調整されます。フィードバックを使用するか、トランスの追加巻線を使用して、入力と出力を分離できます。

フライバックトポロジSMPS

フライバックトポロジのSMPS図を以下に示します。

フライバックトポロジのSMPS設計では、必要なものは少なくて済みます。他のSMPSトポロジと比較した場合の特定の電力範囲のコンポーネント。特定のACまたはDC電源で動作できます。入力がAC電源から取得される場合、出力電圧は完全に整流されます。ここでは、MOSFETがSMPSとして使用されています。

SMPSフライバックトポロジの動作は、スイッチ、つまりMOSFETの位置に完全に基づいています。

フライバックトポロジSMPS

スイッチまたはFETの位置に基づいて、連続モードまたは非継続モードで動作できます。生産終了モデルでは、スイッチがオンになる前に二次巻線の電流がゼロになります。連続モードでは、2次側の電流はゼロになりません。

スイッチをOFFにすると、トランスの漏れインダクタンスに蓄えられたエネルギーが一次巻線を流れ、入力クランプ回路やスナバ回路に吸収されます。スナバ回路の役割は、スイッチを高い誘導電圧から保護することです。スイッチのオンとオフの遷移中に電力損失が発生します。

SMPSフライバックトランスの設計

SMPSフライバックトランスの設計は、低コスト、効率、シンプルな設計のため、通常の電源設計よりも人気があります。これは、与えられた複数の入力に対して変圧器の一次巻線と二次巻線を分離し、正または負の複数の出力電圧を提供します。

スイッチをON / OFFしたときのSMPSフライバックトランスの基本設計を以下に示します。また、絶縁型電力変換器としても使用されます。設計で使用されるフライバックトランスには、一次巻線と二次巻線が含まれ、過渡結合、グランドループを回避するために電気的に分離され、柔軟性を提供します。

変圧器スイッチがオンになっている

SMPSフライバックトランスの設計を使用すると、従来のトランスの設計に比べて利点があります。ここでは、上図に示すように巻線の位相が逆になるため、一次巻線と二次巻線に同時に電流が流れることはありません。

変圧器スイッチがオフです

エネルギーを磁場の形で一次巻線に一定時間蓄積し、一次巻線に伝達します。最大出力負荷電圧、動作範囲、入力および出力電圧範囲、電力供給能力、およびフライバックサイクルの特性は、SMPSフライバックトランスの設計における重要なパラメータです。

アプリケーション

ザ・ フライバックコンバータアプリケーション は、

• テレビ、および最大250Wの低電力のPCで使用されます
• 電子機器のスタンバイ電源で使用（低電力スイッチモード）
• 携帯電話や携帯充電器で使用
• テレビ、ブラウン管、レーザー、懐中電灯、コピー装置などの高電圧電源に使用されます。
• 複数の入出力電源で使用されます
• 絶縁ゲート駆動回路で使用されます。

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