絶縁型スイッチモード電源におけるフォワードコンバータとフライバックコンバータの選択方法

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はじめに

電源管理の世界では、医療機器、通信機器、産業用システムなど、絶縁された電力変換を必要とするさまざまなアプリケーションがあります。これは、エンド・ユーザーを保護するため、あるいは入力から出力への干渉を防ぐため(あるいはその両方)です。本稿は、アプリケーションに適した絶縁トポロジーを選択する方法を明確に理解することを目的として絶縁型スイッチモード電源(SMPS)について詳しく説明し、これらのアプリケーションで一般的に使用されるフォワードおよびフライバック絶縁変換トポロジーを紹介します。また、これらのデバイスの長所/短所と、さまざまな電力レベルに対する適合性を調査します。
アイソレーションとは？

アイソレーションとは、電子機器の設計において2つの分離された(絶縁された)セクション間で直接電流が流れないようにする電気システムの機能です。これは様々な使用ケースで必要とされます。例えば入力と出力の絶縁が必要な場合などです。機能的絶縁とは、入力と出力のグラウンドが分離されており、ノイズの多い電源が出力側のグラウンド・ループに干渉するのを防ぐものです。また、下流の負荷がレギュレータから給電される場合、入力側の高電圧から絶縁する必要があります。システムによっては、システムの安全性と信頼性を向上させるために絶縁レベルを上げる必要があります。

この種の実装には高度な安全性と絶縁が必要ですが、絶縁トポロジーを選択する理由は他にもあります。高昇圧/降圧アプリケーションでは、標準的な降圧コンバータや昇圧コンバータではデューティ・サイクルが小さく、オン/オフ時間が最小の要件を満たせないため、絶縁トポロジーが必要です。反転アプリケーションでは、絶縁デバイスが正から負への電圧変換を達成するために使用されます。

マルチ出力アプリケーションでは、絶縁トポロジーを採用して、マルチ出力トランスを使用することにより、1つの電力変換器から複数の出力を供給することができます。これらは、絶縁トポロジーが役立つ分野のほんの一部です。
フライバックコンバータ

フライバックコンバータは絶縁型SMPSの一種で、トランスを使用してエネルギーを入力から出力に伝達します。降圧モードまたは昇圧モードで構成できます。スイッチ(通常、エネルギー伝達のオン/オフに使用されるトランジスタ)は、トランスの1次巻線と直列に接続されています。スイッチが閉じると、エネルギーはトランスの磁界に蓄えられます。スイッチが開くと、エネルギーは低損失のショットキーダイオードや、より高い効率が必要な場合はアクティブスイッチを使用した整流回路を通して出力に伝達されます。