28. スイッチング電源の設計（4...28. スイッチング電源の設計（4） 28. design...
TRANSCRIPT
講義内容
28. スイッチング電源の設計（4）28. Design of the Switch-Mode Power Supply (SMPS) ( 4 )
1. 寄生成分を考慮した昇圧型コンバータ2. 簡易的な損失計算例3. 電流のより詳細な解析
寄生成分を考慮したDC-DCコンバータ（昇圧型） 2
Vi
L rL
Q
ron
D rD
Co
rESR
ii = iL
iQ
iF Io
vo
VL vrL
von
vFiC
vC
vESR
寄生成分 として寄生抵抗 を追加（さらに厳密にはLp，Cpも考慮）
Q=ON時の等価回路 3
Vi
L rL
Q
ron
D rD
Co
rESR
ii = iL
iQ
iF Io
vo
VL vrL
von
vFiC
vC
vESR
ON 時間は DTs（D：デューティ比，Ts：スイッチング時間）
Q=OFF時の等価回路 4
Vi
L rL
Q
ron
D rD
Co
rESR
ii = iL
iQ
iF Io
vo
VL vrL
von
vFiC
vC
vESR
OFF 時間は (1-D)Tso i
o
V VD
V
-=理想状態の デューティ比
記述を書き換えた場合の昇圧型DC-DCコンバータ 5
Vi
VL L
Q
D
Co
vo
rL
ron
rD
rESR
von
vrL
vF
vESR
vC
簡単化のために，rESR = 0 とすると
DonLloss )1( rDrDrr -++=
Vi
VL
rlossCo
vo
iL
L
Io
簡易的な損失計算例：昇圧型DC-DCコンバータ 6
MOSFET：IRF640NPbF(HEXFET)
rDS(25) = ron = 150[mΩ]
SiC-SBD：IDH20G65C5 (thinQ!)
]m[7520
5.1
F
F)D(25 ===
I
Vr
簡易的な損失計算例：昇圧型DC-DCコンバータ 7
インダクタの等価直列抵抗 rL = 350[mΩ]
設計値：入力電圧Vi = 5[V]，出力電圧Vo = 12[V]，出力電力 Po = 20[W]
583.012
7
12
512
o
io ==-
=-
=V
VVD
]mΩ[7.4681075)583.01(10150583.010350
)1(333
DonLloss
-++=
-++=---
rDrDrr
実際に出力された各種測定値Vo_real = 10[V]
Io_real = 1.25[A]
Po_real = 12.5[W]
[%]5.62625.020
5.12
o_design
o_real====
P
P
この式及び計算結果は間違い！（効率計算は入力対出力 で行われる）
簡易的な損失計算例：昇圧型DC-DCコンバータ 8
インダクタ電流の平均値 ILave = Ii よりo_real
i Lave
1.252.998[A]
1 1 0.583
II I
D= = = =
- -
Vi
VL
rlossCo
vo
iL L Io簡易等価回路より（導通損失のみ）
2
loss loss Lave
3 2468.7 10 2.998 4.21[W]
P r I-
=
= =
o_real o_real
i_real o_real loss
P P
P P P = =
+
実際の効率（ スイッチング損失は除く）
0.748 74.8[%]=
電流成分の分解 9
iL
t
ΔiL
IL_ave
iL
t
IL_ave
0 ΔiLt
回路に流れる電流は直流 と交流成分に分かれる交流成分の電流は
実効値 に直して損失計算する
各電流の詳細：昇圧型DC-DCコンバータ 10
ON ON
iL
t
t
iQ
t
iD
t
vGS
( )
s
s
22
Q_rms Q L_ave0
s
22
D_rms D L_ave0
s
1( ) 1
12
1( ) 1 1
12
T
T
ki i t dt I D
T
ki i t dt I D
T
= +
= - +
ここで，k はインダクタ電流の リプル率を表す
リプル率の影響が小さい（0.1 ~ 0.3）とすると
Q_rms L_ave D_rms L_ave 1i I D i I D = - ，
各経路における要素の分解 11
Vi
+
VoCo
L
Q
iL
ON
Vi
+
VoCo
DL
iL
OFF
ON時（ Q = ON）
流れる電流： Q_rms L_avei I D
経路上の抵抗： loss_ON L onr r r +
OFF 時（ Q = OFF）
流れる電流： D_rms L_ave 1i I D -
経路上の抵抗： loss_OFF L Dr r r +
要素ごとに分割した損失の複合 12
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( )
loss loss_ON loss_OFF
2 2
loss_ON Q_rms loss_OFF D_rms
2 2
L on L_ave L D L_ave
2
L on D L_ave
2
loss L_ave
1
1
P P P
r i r i
r r DI r r D I
r D r D r I
r I
= +
= +
= + + + -
= + + -
=
ON 時と OFF 時の損失
P = RI 2
前述の式を代入
式をまとめる
7~8ページ目の式と同じとなる
電流値を実効値換算したものを用いるとより詳細な値が出る