電力エレクトロニクス用途のトランスフォーマーの種類

投稿日 2022/02/3, 木曜日
更新日 2024/07/1, 月曜日

正確な変換、調整、および絶縁による安全性が求められる電力システムでは、トランスが電力結合要素として使用されます。電力変換システムを設計するまで、これらのデバイスに使用可能なトランスの種類を深く見たことはないかもしれません。AC-DCおよびDC-DCのスイッチングコンバータは、安全性を確保しながら絶縁された電力変換を提供するためにトランスを使用しますが、これにはシステムの電力および安全性の要求を処理できる適切なトランスを選択する必要があります。

この記事では、特にAC-DCおよびDC-DC変換用の基板実装トランスに使用される電力エレクトロニクスの一般的なタイプのトランスのいくつかの特性を見ていきます。基本的なトランスのタイプに加えて、これらのコンポーネントの主要な仕様も見ていきます。これらは、特定のトランスの適用可能性を制限します。最後に、システムに適した既製のトランスが見つからない場合は、システム用のトランスを設計する必要があります。

一般的なトランスのタイプと仕様

トランスは、磁性コア材料を持つ誘導性コンポーネントで、その主な機能は入力信号を（理想的には）一次コイルと二次コイルの巻数比に応じて異なる電圧/電流の出力に変換することです。見かけ上はシンプルな構造ですが、トランスは多くの重要な仕様を持つ複雑なコンポーネントです。

重要なトランスの仕様

トランスの種類とアプリケーションによっては、特定の仕様に重点を置くことがあります。主なトランスの仕様には以下が含まれます：

DC巻線抵抗 - 巻線抵抗は、運用中に磁性コンポーネントがどの程度加熱されるかに影響を与えます。特に、多くの電力がジュール熱として失われる高電力変換システムでは顕著です。

スイッチング周波数限界 - 電力変換および調整に使用される場合、トランスにはその寄生要素と平均電力処理能力によって決定されるスイッチング周波数限界があります。高電流平面磁性体の典型的な値は、100 kHzから1 MHzの範囲です。また、平均電力散逸を決定するために、デューティサイクルの限界もあります。

巻線容量 - 巻線間容量と巻線内容量は、トランスコイル間でノイズがどのように結合するか、またESDパルスがコイルを通じてどのように伝播するかを決定します。また、電力レギュレータのスイッチング周波数の限界も決定します。容量が低いほど、スイッチング周波数の限界は高くなります。

漏れインダクタンス - これは、運用中に磁場強度が減少する主なメカニズムです。磁性コンポーネントのコイル内で磁場が完全に閉じ込められるわけではないため、一次コイルと二次コイル間の磁束の伝達は不完全になります。

一次側-二次側絶縁 - コイル間の絶縁は、電圧値（パルスまたは直流）として記載されます。これは、コイル間の絶縁破壊抵抗の尺度です。一部のトランスフォーマーでは、絶縁電圧がkVレベルに達することがあります。これは、絶縁された電源システムの安全性にとって重要であり、この部品が提供できる亜鉛絶縁のレベルを決定します。

取り付けスタイル - ボードへの取り付け方法には、タブ取り付け、SMD配置、またはスルーホール取り付けが含まれます。取り付けスタイルは、運用中の機械的振動に対するトランスフォーマーの耐性を決定します。

冷却方法 - プレーナートランスフォーマーのような一部のトランスフォーマーは、非常にコンパクトであるため、強制空気流による冷却が困難です。冷却方法が指定されている場合、熱をパッケージからヒートシンクやボードに放散できるようになります。一部のトランスフォーマーは、最大の熱放散を提供するために直接エンクロージャに取り付けることができます。

これらの仕様は、部品に課される電圧および電流の制限を決定します。また、トランスフォーマーを特定の設計に適用する限界も設けます。したがって、電気的な用途に基づいてトランスフォーマーの異なるタイプを分類し、電力レベルではなくします。これらの点、および絶縁定格は、設計が安全目標を満たすことができるように、安全規制や業界標準と比較する必要があります。

トランスフォーマーの種類

トランスフォーマーの構造、パッケージング、および幾何学は、それがどのように分類されるかを決定します。異なるタイプのトランスフォーマーは、異なる運用特性および構造を持ちます（例えば、オートトランスフォーマー）。ほとんどのトランスフォーマーは、以下のグラフィックに示されているように、コアタイプまたはシェルタイプです。これは、それらのULコンプライアンスのレベルと、高周波での運用を決定します。

電力トランスフォーマー

技術的にはすべてのトランスフォーマーが電力を変換しますが、電力トランスフォーマーは特に主電源の変換用に設計されています。これらのトランスフォーマーは、入力電圧レベル間で高効率の電力変換を提供するように設計されています。これらの部品は主に、線周波数でのAC-AC電力変換（単相または3相）に使用され、定格は数百VAまたはkVAレベルに達します。これらの部品の周波数制限は低く、DC-DCコンバーターで見られるスイッチング周波数で動作する必要はありません。

低周波数のため、ノイズやESDがトランスフォーマーの隙間を介して結合する可能性があり、高周波数での絶縁が低くなることがあります。これを克服する一つの方法は、一次コイルと二次コイルの両側のグラウンドプレーンを安全キャパシタ（通常はYタイプ）で橋渡しすることで、キャパシタンスがトランスフォーマーの寄生容量よりも大きくなります。これにより、ノイズを敏感な回路から遠ざけ、選択したGND接続に戻す低インピーダンスの電流経路を作成しますが、GNDノイズ電流が大きい場合、電源のGND端子で安全上の危険を生じさせる可能性があります。

シールドトランスフォーマー

シールドされたトランスフォーマーは、コア材料とパッケージングがRFノイズに対する追加のシールドを提供するため、より高い絶縁性を持っています。具体的には、これは主側（例えば、電源からの）の高周波ノイズを対象とし、コンポーネントの寄生要素を介して副側に伝わるのを防ぐことを試みます。パッケージングはまた、巻線間容量を介したサージ/インパルス電圧のより大きな伝達を防ぎます。

絶縁トランスフォーマー

すべてのトランスフォーマーは絶縁を提供しますが、絶縁トランスフォーマーは、低電力および中速データ転送タスクのために非常に高い絶縁値を提供することを目的としています。また、商業および産業用電力システムの低電圧電源にも適しています。絶縁トランスフォーマーが使用される電力およびデータアプリケーションの一部には、以下が含まれます：

絶縁されたシリアルデータインターフェース（RS-485、RS-422、およびRS-232）
絶縁されたCANインターフェース
絶縁された4 – 20 mA AC電流ループ
アクチュエーターおよびトランスデューサー
絶縁されたDAQカードシステム
その他の絶縁されたバスインターフェース
標準電圧（24 V、48 Vなど）での低電力変換

これらのアプリケーションでの絶縁は、ノイズやESDから敏感な機器を保護することを目的としています。これらは通常、電流が低いアプリケーションであるため、安全性はそれほど考慮されませんが、絶縁トランスフォーマーは機器を操作するユーザーの安全を提供します。

スイッチングトランスフォーマー

これらのデバイスは、フライバックコンバーターなど、kHzスイッチング周波数で動作するAC-DCまたはDC-DCコンバーターでの使用を目的として設計されています。実際、スイッチングトランスフォーマーは、使用される回路に基づいて、フライバックトランスフォーマー、LLCトランスフォーマー、またはおそらく他の名前としてサブクラス化されます。これらのコンポーネントのスイッチング周波数は、そのコイルインダクタンス、リークインダクタンス、および寄生要素によって制限されます。

さらに、共振コンバーターではコイルインダクタンスが重要であり、磁化インダクタンスがコンバーターがバックコンバーターまたはブーストコンバーターとして機能する能力を決定します。この能力は、高精度の追跡が高出力と並行して必要な場合に、絶縁されたLLC共振コンバーターを非常に有用にします。高速充電アプリケーション、例えばEVなどで使用される絶縁されたブリッジトポロジーが人気を博しています。

RFトランスフォーマーおよびオーディオトランスフォーマー

これらのコンポーネントは通常一緒にグループ化されませんが、類似の機能を果たします。これらのトランスフォーマーは、他のトランスフォーマーと同様に、正弦波または変調信号の電力変換を提供します。その他の機能は、デバイスの入力および/または出力ポートにインピーダンスマッチングを提供することです。これらのコンポーネントの主な違いは、その周波数定格であり、オーディオトランスフォーマーは明らかにオーディオ周波数に限定されていますが、RFトランスフォーマーは最大約10 GHzまでの帯域幅を持つことができます。これらのコンポーネントは、バランRFトランスフォーマーとしても利用可能です。

オートトランスフォーマー

このタイプの変圧器は、電気的に連結された一次巻線と二次巻線を持ち、両者は連結コイルの本体に沿ってタップによって分離されています。技術的には、上記のタイプの変圧器はどれも自己変圧器として構築することができますが、これらは通常、電力変換（「電力自己変圧器」と呼ばれる）に使用されます。典型的なコアタイプやシェルタイプの変圧器と比較して、自己変圧器はより強い結合を提供し、漏れ損失が少なくなります。与えられた変換レベルとインダクタンスに対して、一般的にコストが少なく、重量も軽くなります。

パワーエレクトロニクスは進化し続ける

2021年には、革新的な技術企業への投資資本が流入し、電気自動車が普及の一途をたどる中、業界は全レベルでのより大きな電化と効率的な電力供給へと動いています。これらのアプリケーションのための電力変換システムは、適度な電圧で高電流を供給しつつ、絶縁を提供する必要があり、これはまさに変圧器が理想的な場所です。正確な調整と高効率の電力変換を提供する絶縁電源システムは、これらの追加コンポーネントから利益を得ることができます：

残念ながら、一部の電源システムにとっては、すべての設計に対して標準の市販変圧器が利用可能でない場合があり、設計者はカスタム変圧器を製造するために契約メーカーと協力する必要があります。電力製品の多くのリファレンスデザインはカスタム変圧器を使用するか、または市販のコア材料とコイルフォーマーを推奨するかもしれません。これらの市販オプションは、自動巻線プロセスでまだ組み立てることができますし、新しい電力システムのためにカスタム巻線が設計されることもあります。

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