LLCコンバータ設計におけるインダクタとトランスフォーマーの選択

投稿日 2021/05/20, 木曜日
更新日 2024/07/1, 月曜日

このインダクタは、LLCコンバータの設計に必要な多くのコンポーネントの一つです

大規模な産業システムであれ、小型のウェアラブルであれ、すべての電子機器には電源供給と電力調整が必要です。自動車の電力管理ユニット、家電製品のための電力コンバータ、または産業用電力システムを設計している場合、DC-DC変換と調整のためにLLCコンバータの設計を使用することが多いでしょう。このトポロジーは、高い電力変換効率とシンプルな調整スキームを提供しますが、適切なコンポーネントの選択に依存します。

LLCコンバータ設計において重要な2つの主要コンポーネントは、インダクタとトランスです。これら2つのコンポーネントが電力変換を支配し、コンバータステージのプライマリ側の共振動作を決定します。PFC回路と制御ループと一緒に設計された場合、さまざまなアプリケーションに対応する高効率の電力コンバータを持つことになります。

LLCコンバータ設計のためのコンポーネント

LLC共振コンバータは、出力電圧をパワーMOSFETを使用して駆動周波数を調整することで制御する、スイッチングDC-DCコンバータです。ブリッジ回路からの出力電流は、トランスと直列に接続された共振LCタンクに流れ込みます。その後、トランスがパルス電圧をセカンダリ側に昇圧または降圧します。

コンバータのセカンダリ側には、ダイオードまたはMOSFETから構成されるブリッジ整流回路が含まれ、出力電圧/電流を安定したDCレベルに整流します。キャパシタバンクがさらに出力電圧を安定させ、リップルを低ノイズのDC値に減少させます。これらのコンバータは複雑なトポロジーを持っていますが、制御方法は非常にシンプルで、コンバータに必要な機能ブロックは市販のコンポーネントから構築できます。LLCコンバータ設計の基本的なトポロジーは以下の通りです。

ハーフブリッジLLCコンバータ設計のトポロジー。

他のスイッチングコンバータとは異なり、出力電圧を制御するためにPWM信号のデューティサイクルを変更する必要があるものがありますが、LLCコンバータは出力電圧を必要な値に設定するために周波数（パルス周波数変調、またはPFM）を変更する必要があります。上記のハーフブリッジLLCコンバータ設計におけるトランジスタQ1とQ2は、180度位相がずれてスイッチされます。ハイサイドトランジスタがオンになると、電流がキャパシタCrに流れ込み充電します。Q1がオフになりQ2がオンになると、Crは放電します。両サイクルがセカンダリ側に電流を誘導し、その後DC電圧に整流されます。出力側のキャパシタバンクが出力電圧を安定した値に滑らかにします。

共振タンクセクション（上記の図のLLC回路）で利得を利用することにより、一次側の電圧を調整し、望ましい値で維持することができます。フィードバックループを通じて測定された電圧は、一次側LLCネットワークでの利得をより多くまたは少なく利用するために、ゲートドライバ回路からのPFM信号を調整するために使用されます。ここで、トランスとインダクタが重要となり、適切な利得範囲を提供するために選択される必要があります。

インダクタとトランスの選択基準

インダクタとトランスは、LLCコンバータ設計で適切に機能するために、特定の基準を満たす必要があります：

コイルインダクタンス値：LLCコンバータ段階の2つのコイルのインダクタンス値は、キャパシタCrの値に依存します。典型的なキャパシタ値はCr ~ 100 nFから1 uFで、一次側インダクタ（Lr）は100 kHz近くで動作する場合には約0.1 mHになります（典型的なゲートドライバ周波数）。トランスの一次側コイル（Lm）のインダクタンスは通常、Lrの値の約5-10％です。
コイル抵抗と電流定格：導体の抵抗は、トランス/インダクタの電流定格に影響を与えます。理想的には、コイル抵抗はできるだけ低くするべきで、発熱を減らします。
巻線容量。この寄生容量は、ノイズに対する感受性を決定し、コンバータが他の高速デジタル回路ブロックを駆動する場合に重要になります。物理的に小さいインダクタとトランスは、より大きな巻線容量を持ちます。
追加の一次または二次側コイル：トランスには、フィードバックループの周辺機器やシステム内の他のコンポーネントに電力を供給するために、一次側に複数のコイルがある場合があります。
フットプリント：高出力で設計されたLLCコンバータには、大きなコンポーネントがあります。フットプリントは、約1 kWのコンバータで約5-10 cmのサイズになることがあります。

高出力LLCコンバータ設計で一般的なインダクタの例は、Bournsの2300HTシリーズのパワーインダクタです。これらのインダクタは小さなフットプリント（直径最大1.28インチ）を持ち、2.9から38.7 Aまでの電流に耐えることができます。極端な環境での高出力コンバータで発生する可能性のある高温に耐えるように特別に設計されており、定格動作温度は-55から+200°Cです。また、デザイナーが必要に応じて低プロファイルオプションを選択できるように、垂直または水平の取り付けスタイルも提供されています。

2300HTシリーズのインダクタの写真と機械図面。2300HTデータシートより。

Würth Elektronikのパルストランスフォーマラインは、高出力LLCコンバータ設計で使用するオプションの一つです。これらのトランスフォーマは、中程度の出力システムで必要とされる低インダクタンスと高電流定格を提供します。また、比較的小さなパッケージで出力電圧/電流値を選択するための端子の範囲も持っています。

Würth Elektronikの750311591パルストランスフォーマーの例示的なフットプリントデータ。 750311591データシートより。

LLC共振コンバータ設計のための他のコンポーネント

トランスフォーマーのコイルインダクタンスとプライマリインダクタの値を組み合わせることで、LLCコンバータ設計で使用可能な周波数範囲を選択できます。上記のLLC共振段階およびPFC回路で使用されるフィードバックおよび制御ループには、他のコンポーネントも必要になります。これらのコンポーネントには以下が含まれます：

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