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20種類のスイッチング電源トポロジ
2022-03-17
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トポロジーとは いわゆる回路トポロジーは、回路内のパワーデバイスと電磁コンポーネントの接続方法であり、磁気コンポーネント、閉ループ補償回路、およびその他すべての回路コンポーネントの設計はトポロジーに依存します。 最も基本的なトポロジは、降圧、昇圧、および昇圧/降圧、絶縁フライバック、フォワード、プッシュプル、ハーフブリッジ、およびフルブリッジ コンバータです。
スイッチング電源には一般的なトポロジが約 14 種類あり、それぞれに独自の特徴と適用可能な場面があります。 選択の原則は、高電力か低電力か、高電圧か低電圧出力か、コンポーネントができるだけ少ないかどうかを確認することです。
したがって、トポロジを適切に選択するには、さまざまなトポロジの長所、短所、および応用分野をよく理解することが非常に重要です。 選択を誤ると、ダイエット設計は最初から失敗する運命にあります。 以下に、システムが各回路構造の動作原理と基本特性を習得するのに役立つ 20 の基本的なスイッチング電源トポロジをまとめます。
■ 入力をより低い電圧に下げます。
■ おそらく最も単純な回路です。
■ インダクタ/コンデンサフィルタは、スイッチング後の方形波を平滑化します。
■ 出力は常に入力以下です。
■ 不連続入力電流（チョッピング）
■ スムーズな出力電流
■ 入力をより高い電圧に上げます。
■ ステップダウンと同じですが、インダクタ、スイッチ、ダイオードの配置が変更されます。
■ 出力比は常に入力以上である（ダイオードの順方向電圧降下を無視する）
■ 入力電流の平滑化
■ 出力電流の不連続（チョッピング）
■ インダクタ、スイッチ、ダイオードの別の配置方法
■ 降圧回路と昇圧回路の欠点を組み合わせたものです。
■ 不連続入力電流（チョッピング）
■ 出力電流も不連続（チョッピング）になる
■ 出力は常に入力と逆になります (コンデンサの極性に注意してください) が、振幅は入力よりも小さい場合も大きい場合もあります。
■ 「フライバック」コンバータは、実際には昇降圧回路絶縁 (トランス結合) の形式になっています。
■ 昇降圧回路のように動作しますが、インダクタには 2 つの巻線があり、トランスとインダクタの両方の役割を果たします。
■ 出力はコイルとダイオードの極性によって正または負に決まります。
■ 出力電圧は、トランスの巻数比によって決まる入力電圧よりも大きくなる場合もあれば、小さくなる場合もあります。
■ これは最も単純な分離トポロジです。
■ 二次巻線や回路を追加することで多出力が得られます。
機能と特徴：
■ 降圧回路のトランス結合形式。
■ 不連続な入力電流と滑らかな出力電流。
■トランスを使用しているため、出力は入力より大きくても小さくてもよく、極性も問いません。
■ 二次巻線や回路を追加することで多出力が得られます。
■ トランスコアはスイッチングサイクルごとに消磁する必要があります。 一般的には、一次巻線と同じ巻数の巻線を追加します。
■ スイッチオン段階で一次インダクタに蓄積されたエネルギーは、スイッチオフ段階で追加の巻線とダイオードを通じて放出されます。
機能と特徴：■ 降圧回路のトランス結合形式。■ 不連続な入力電流と滑らかな出力電流。■トランスを使用しているため、出力は入力より大きくても小さくてもよく、極性も問いません。■ 二次巻線や回路を追加することで多出力が得られます。■ トランスコアはスイッチングサイクルごとに消磁する必要があります。 一般的には、一次巻線と同じ巻数の巻線を追加します。■ スイッチオン段階で一次インダクタに蓄積されたエネルギーは、スイッチオフ段階で追加の巻線とダイオードを通じて放出されます。
■ 2 つのスイッチが同時に動作します。
■ スイッチがオフのとき、トランスに蓄えられたエネルギーによって一次側の極性が反転し、ダイオードがオンになります。主な利点：
■ 各スイッチの電圧が入力電圧を超えることはありません。
■ワインディングトラックをリセットする必要はありません。
■ スイッチ (FET) は異なる位相を駆動し、パルス幅変調 (PWM) を実行して出力電圧を調整します。
■ 両半サイクルにおけるトランスコア電力伝送の利用率が良好です。
■ 全波トポロジのため、出力リップル周波数はトランスの 2 倍です。
■ FET に印加される電圧は入力電圧の 2 倍です。
■ 高出力コンバータのトポロジー構造は非常に一般的に使用されます。
■ スイッチ (FET) は異なる位相を駆動し、パルス幅変調 (PWM) を実行して出力電圧を調整します。
■ 両半サイクルにおけるトランスコア電力伝送の利用率が良好です。 また、プッシュプル回路に比べて一次巻線の利用率が優れています。
■ 全波トポロジのため、出力リップル周波数はトランスの 2 倍です。
■ FET に印加される電圧は入力電圧と等しくなります。
■ 高電力コンバータの最も一般的に使用されるトポロジ。
■ スイッチ (FET) は対角ペアの形で駆動され、パルス幅変調 (PWM) が実行されて出力電圧を調整します。
■ 両半サイクルにおけるトランスコア電力伝送の利用率が良好です。
■ 全波トポロジのため、出力リップル周波数はトランスの 2 倍です。
■ FET に印加される電圧は入力電圧と等しくなります。
■ 所定の電力では、一次電流はハーフブリッジの半分になります。
■ 出力電圧は入力電圧より大きくても小さくてもかまいません。
■ 昇圧回路と同様に、入力電流は滑らかですが、出力電流は不連続です。
■ エネルギーはコンデンサを介して入力から出力に伝達されます。
■ インダクタは 2 つ必要です。
■出力反転
■ 出力電圧の振幅は、入力電圧の振幅より大きくても小さくてもかまいません。
■ 入力電流、出力電流ともにスムーズです。
■ エネルギーはコンデンサを介して入力から出力に伝達されます。
■ インダクタは 2 つ必要です。
■ インダクタを接続してリップルのないインダクタ電流を得ることができます。
■ 降圧レギュレータ: 連続導通、臨界導通、および不連続導通。
■昇圧レギュレータ（連続通電）
■トランスの動作
■ フライバックトランス
■フォワードトランス
■ インダクタ電流は連続的です。
■ Vout は入力電圧 (V1) の平均値です。
■ 出力電圧は入力電圧にスイッチの負荷率 (D) を乗算したものです。
■ スイッチがオンになると、インダクタ電流がバッテリから流れ出します。
■ スイッチがオフのとき、ダイオードに電流が流れます。
■ スイッチとインダクタの損失は無視し、D は負荷電流とは関係ありません。
■ 降圧レギュレータとその派生回路は次のような特徴があります。入力電流は不連続 (チョッピング) であり、出力電流は連続 (平滑) です。
■ 出力電圧は依然として (常に) v1 の平均値です。
■ 出力電圧は入力電圧にスイッチの負荷率 (D) を乗じたものではありません。
■ 負荷電流が臨界値より低い場合、D は負荷電流に応じて変化します (Vout は同じままです)。
■ 連続入力電流と不連続出力電流 (降圧レギュレータの反対)。
■ 出力電圧と負荷率 (D) の関係は、降圧レギュレータほど単純ではありません。 連続通電の場合：
■ 一次側スイッチがオフした後、磁性コアを消磁するために「磁性インダクタ」に磁化電流 (i1) が流れます (逆電圧)。
■ 他にも多くのトポロジがありますが、ほとんどはここで説明したトポロジの組み合わせまたはバリエーションです。
■ 各トポロジには、独自の設計トレードオフが含まれます。1) スイッチに印加される電圧2) 入出力電流のチョッピングと平滑化3) 巻線利用率
■ 最適なトポロジを選択するには、次の調査が必要です。1) 入力および出力電圧範囲2) 電流レンジ3) コストと性能、サイズと重量の比率
免責事項: この記事は「Power System Design」から転載されたものです。この記事は著者の個人的な見解のみを表すものであり、Sacco Micro および業界の見解を表すものではありません。知的財産権の保護をサポートするため、転載および共有のみを目的としています。転載する場合は出典と作者を明記してください。侵害がある場合は、削除するためにご連絡ください。
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