AC-DC コンバータ｜設計編

AC-DCコンバータの効率を向上する二次側同期整流回路の設計

2019.01.15

この記事のポイント

・AC-DCコンバータの効率改善は、各国の規制などが厳しく、必須のアクションになっている。

・フライバックAC-DCコンバータの二次側同期整流化には、貫通状態の回避など課題がある。

・二次側同期整流化のためのコントローラICが開発されている。

近年、AC-DC電源に対する効率要求が厳しくなっています（参考記事）。AC-DCコンバータの効率を向上させるアプローチの1つとして、ダイオード整流方式を同期整流方式にする方法があります。DC-DCコンバータの例では、同期整流式の採用により大幅に効率が向上するのは既知の事実です。これは、AC-DCコンバータにおいても同様で、下図が示すように、二次側の整流ダイオードをMOSFETに変更することで、この部分の損失を大幅に低減し、効率を向上させることが可能なのは容易に想像できると思います。

単純な比較例では、ダイオードのIFを3A、VFを1Vとすると損失は3Wです。ダイオードをオン抵抗10mΩのMOSFETに置き換えたとすると、損失はI2Rから0.09Wでダイオードの1/30以下です。

フライバックAC-DCコンバータの二次側同期整流化による損失低減。

それでは、なぜ現状の多くのAC-DCコンバータがダイオード整流のままなのでしょうか？

例えば、中電力までのAC-DCコンバータの多くはPWMフライバック方式を採用しており、入出力条件やトランス仕様によって連続モード動作になります。これを、同期整流方式と単純に組み合わせると、連続モード動作になると正常な制御ができなくなり、一次側のスイッチ素子（MOSFET）と二次側の整流素子（MOSFET）が同時にオンしてしまい、貫通電流によって素子の破壊を引き起こす可能性がありました。このため、同時オン防止回路を追加する、連続モード動作にならない擬似共振方式を採用する、または不連続モード動作のみで使用するなどの制限が生じ、簡単には同期整流化ができないという課題があるからです。

しかしながら、AC-DCコンバータの効率の改善は必須であり、すでにダイオードなどの部品技術では限界があるため、二次側同期整流コントローラが開発されています。ここでは、二次側同期整流コントローラICの、BM1R001xxFシリーズを使って、ダイオード整流のAC-DCコンバータを同期整流化する設計例を示します。

以下の内容を予定しています。

  • 設計手順
  • 設計条件
  • コントローラICの選択
  • 部品選定
  • 回路動作調整
  • PCBレイアウト
  • 特性評価

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