フライバックトランスの設計：コアとコイルフォーマー

この記事では、以前のカスタムフライバックコンバータープロジェクトで必要とされたトランスフォーマー設計パラメータを決定するために使用された設計プロセスについて説明します。この設計プロジェクトでは、AC入力を受け取り、それをDCに整流し、3.3Vの出力に降圧するフライバックコンバーターを設計しました。このコンバーターは、Texas Instruments UCC28881をベースにしています。多くの絶縁型スイッチングコンバーターと同様に、この設計にはカスタムトランスフォーマーが必要でした。 Texas InstrumentsのWEBenchツールは、この設計のための設計ガイダンスとコア/コイルフォーマーの推奨を提供します。この設計プロセスでは、彼らのコアとコイルフォーマーの推奨を使用してトランスフォーマー設計を完成させます。また、設計されたトランスフォーマーの物理的パラメータも計算します。

カスタムトランスフォーマー設計の始め方

絶縁型スイッチングコンバーターでは、必要なトランスフォーマーパラメータを決定する最良の戦略は、二次（出力）側から始めて、一次側および任意の三次コイルに進むことだと思います。次のプロセスから始めます：

• PWM周波数とデューティサイクルに基づいて一次インダクタンスを確認する
• インダクタンスと電圧を使用して巻数比を決定する
• コアの材料特性に基づいて必要な巻数を決定する
• 必要なワイヤーゲージと窓面積に基づいてコイルフォーマーサイズが適切であることを確認する

このプロセスで注意すべき重要な点は、いくつかのパラメータはあなたが決定するための自由があるということです。例えば、スイッチャーの能力に基づいて、スイッチング周波数と目標の最小/最大PWMデューティサイクルを選択できます。これらのパラメータの必要な変更に対応するために、インダクタンスを調整する必要があるかもしれません。

次に、平均電流と平均電力供給に基づいて、コイルフォーマーで使用できるワイヤーゲージサイズに制約があるかもしれません。平均電流が高いほど、トランスフォーマーが過熱しないように、より大きなワイヤーゲージが必要になります。したがって、より高い平均電流でより多くの電力を供給したい場合は、物理的に大きなトランスフォーマーが必要になります。

それを念頭に置いて、インダクタンスに飛び込みましょう。

一次および二次コイル（不連続モード）

まず、一次および二次コイルのインダクタンスを次のように計算できます：

このL(s)方程式は不連続電流モード運転を示しています。不等式の向きを変えると、連続モード運転になります。V(diode)は二次側の整流ダイオードの順方向電圧です。

この方程式では、スイッチングレギュレータが出力電圧を連続して調整できるように、二次インダクタンスの限界を決定したいと考えています。電圧モード制御では、スイッチングレギュレータはデューティサイクルを調整するため、インダクタンスの上限を決定するために最大デューティサイクルと周波数を使用する必要があります。最大電流出力と二次電圧は公称値です。

変圧比と実際のデューティサイクル

次に、コンバータが動作する必要がある変圧比と実際のデューティサイクルを決定する必要があります。実際のデューティサイクルがスイッチングレギュレータの最大デューティサイクルよりも小さい限り、二次側のインダクタンスが規制を維持するには大きすぎることはなく、設計は実行可能であるはずです。

この方程式は、変圧比とデューティサイクルの関係を示しています。スイッチングレギュレータは最大まで任意のデューティサイクルで動作可能であり、制御ループは出力電圧の測定に基づいてPWMデューティサイクルを調整します。デューティサイクルが分かったら、この方程式にそれを代入して必要な変圧比を得ます。

次に、スイッチングレギュレータを通るピーク電流がプライマリ側のピーク電流であることを知ることが有用です。これは、一部のスイッチングレギュレータに過電流保護があるため重要であり、これにはUCC28881も含まれます。現在、ピーク電流仕様、目標デューティサイクル、および変圧比の値を使用してピーク電流を確認する必要があります。UCC28881の場合、シャットダウン前のピークプライマリ電流制限は以下の通りです（連続440mA、パルス770mA）。

次のセクションでは、最大パルス電流制限にいくらかのディレーティングを適用して、設計が私の仕様を満たすことができるかを確認します。

計算の確認

ここでは、許容されるピーク電流の半分に相当する50%の最大デューティサイクルをコンバータとそのトランスフォーマーに設計することを意図しています。これにより、十分なディレーティングが得られます。これらの方程式を持っているので、いくつかの数値を代入して変圧比を決定できます。

• 入力値:
  • 最大 V(In) = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(max) = 0.5 (データシートの平均値に基づく)
  • D(target) = 0.3 (設計により選定)
  • I(pk, primary) = 0.385 A, I(Avg, primary) = 0.116 A
  • ショットキー整流ダイオードの順方向電圧: V(diode) = 0.5 V
  • V(out) = 3.3 V
• 出力値
  • D(target)に基づき、Np/Ns = 19.17
  • I(pk, secondary) = 8.45 A, I(Avg, secondary) = 2.54 A
  • L(s,max) = 3.02 uH

これらの数値に基づき、設計は実現可能であり、目標のコイルインダクタンスを達成できる限り、コンバータは目標出力電流を供給することに問題はありません。これで、目標インダクタンスを達成できるかどうかを確認するために、コアとコイルフォーマーを検討する段階になります。

市販のコアとコイルフォーマー

インダクタンスの目標と巻数比がわかったので、トランスフォーマーを構築するためのコアとコイルフォーマーの選定を開始できます。上述したように、高出力電流はコイルを巻くために使用できる配線を制限するため、これはコアとコイルフォーマーを選択する際の重要な考慮事項になります。

この時点で、インダクタンスの目標を達成するのに役立つコアとコイルフォーマーのセットをオンラインで探すことができます。Texas Instrumentsによって推奨されるコイルフォーマー、コア、ヨークは以下の通りです：

• コイルフォーマー (数量 1): B66418W1008D001
• エアギャップ付きEコアセクション (数量 2): B66417U0250K187 またはエアギャップなしEコアセクション (数量 2): B66417G0000X149 2層巻き
• ヨーク (数量 2): B66418B2000X000

コアのデータシートには、インダクタンス係数と呼ばれる仕様が記載されています。インダクタンス係数は、推奨されるコイルフォーマーを使用してコアを巻いた場合の巻数あたりのインダクタンスを教えてくれます。上記の巻数比と現在の要件に基づき、二次コイルにはAWG 26線材を3巻き、一次コイルにはAWG 30線材を57巻き（2層巻き）を使用できます。これにより以下の値が得られます：

• L(s) = 2.25 uH
• L(p) = 812.25 uH

これらはTIがWEBenchで推奨する値よりも少し低いですが、トランスフォーマーの典型的な巻線インダクタンス許容値内にあるため、不連続モード設計に有効と判断します。連続動作モードに変更したい場合は、二次側にさらに2巻き追加するだけで済みます。これにより、二次側の磁束密度も低減されます。

追加の検証

一つの検証ステップは、選択したワイヤーゲージがコイルフォーマーを過剰に満たすかどうかを判断することです。配線のシース直径を使用して、コイルによって跨がれる総距離を計算します。この数値がコイルフォーマーの長さを超える場合は、より大きなコイルフォーマーを使用するか、ワイヤーの直径を小さくする必要があります。後者の場合は、温度を下げるために二次側で許容される電流を減らす必要があるかもしれません。

最後の検証は、コア材料の飽和フラックスとフラックス密度の比較になります。これは、これらの値がデータシートに常に記載されていないため、コア材料の提供者からのサポートが非常に重要になる場所です。飽和時には効率が大幅に低下し始めるため、フラックス密度が飽和密度以下であることを確認する必要があります。これが、コイルにより多くの巻き数を望む理由の一つです。また、これによりフラックス密度も低減されるため、透磁率が小さいコア材料を使用したいと考えるかもしれません。

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