フォワードコンバータとは？原理や計算式などを解説！

この記事では『フォワードコンバータ』について

などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。

フォワードコンバータとは

フォワードコンバータは、昇圧も降圧もできる絶縁型コンバータです。MOSFET\(Q\)、トランス\(T\)、ダイオード\(D_1\)、還流ダイオード\(D_2\)、インダクタ(チョークコイル)\(L_F\)、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)で構成されています。トランス\(T\)は1次と2次を同極性に接続しています。

フォワードコンバータはフライバックコンバータよりも大電力を出力することができます。しかし、フライバックコンバータと比較すると、還流ダイオード\(D_2\)とインダクタ\(L_F\)が別途必要となります。

後ほど動作原理について別途説明しますが、MOSFET\(Q\)のON時にトランス\(T\)を介して、2次側にエネルギーを伝達し、MOSFET\(Q\)のOFF時にインダクタ\(L_F\)に蓄えられているエネルギーを還流ダイオード\(D_2\)を通して出力しています。

下記にフォワードコンバータのメリットとデメリットを示します。

フォワードコンバータの動作原理

ではこれから、フォワードコンバータの動作原理について説明します。MOSFET\(Q\)が『ONの時』と『OFFの時』に分けて考えます。

MOSFET\(Q\)がONの時

MOSFET\(Q\)がONの時、電流経路は『入力電圧\(V_{IN}\)→トランス\(T\)の一次巻線→MOSFET\(Q\)』となり、トランス\(T\)の2次側に誘導起電力\(V_2\)が発生します。

この誘導起電力\(V_2\)により、『トランス\(T\)の2次巻線→ダイオード\(D_1\)→インダクタ\(L_F\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))』と電流が流れます。この電流によりインダクタ\(L_F\)にエネルギーが蓄えられています。

MOSFET\(Q\)がOFFの時

MOSFET\(Q\)がOFFになると、インダクタ\(L_F\)に蓄えられているエネルギーを放出して、電流を流し続けようとします。そのため、『インダクタ\(L_F\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))→還流ダイオード\(D_2\)』の経路で電流が流れます。

このように、フォワードコンバータはインダクタ\(L_F\)により連続して電流を出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))に供給することができます。

フォワードコンバータの出力電圧の式

フォワードコンバータの出力電圧\(V_{OUT}\)は次式となります。

(1)式において\(N\)はトランス\(T\)の巻数比であり、一次巻線の巻数を\(N_1\)、二次巻線の巻数を\(N_2\)とすると、次式で表されます。

\begin{eqnarray}
N=\frac{N_2}{N_1}\tag{2}
\end{eqnarray}

また、(1)式において、オンデューティ比\(D\)はMOSFET\(Q\)の1周期\(T\)におけるオン期間\(T_{ON}\)の割合なので、次式で表されます。

\begin{eqnarray}
D=\frac{T_{ON}}{T}=\frac{T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}=T_{ON}×f_{SW}\tag{3}
\end{eqnarray}

(3)式において、\(f_{SW}\)はMOSFET\(Q\)のスイッチング周波数です。(3)式から分かるように、オンデューティ比\(D\)は1より小さい値となります。

『フォワードコンバータ』と『フライバックコンバータ』の回路構成と違い

上図の左側にフォワードコンバータ、右側にフライバックコンバータの回路構成を示しています。

フォワードコンバータはMOSFET\(Q\)がONの時にトランスの二次側からエネルギーを供給します。

一方、フライバックコンバータはMOSFET\(Q\)がOFFの時にトランスの二次側からエネルギーを供給します(MOSFET\(Q\)がONの時にはトランスにエネルギーを蓄積しています)。

またフォワードコンバータは、フライバックコンバータの回路構成を比較すると、還流ダイオード\(D_2\)とインダクタ\(L_F\)が別途必要となります。しかし、トランスにエネルギーを蓄積させる必要がないため、トランス\(T\)を小型化することができます。また、インダクタ\(L_F\)により、出力電流のリプルが小さくなるため、出力コンデンサ\(C_{OUT}\)も小型化することができます。

ここで下表にフォワードコンバータとフライバックコンバータの違いをまとめます。

『フォワードコンバータ』と『降圧コンバータ』の回路構成と違い

上図の左上にフォワードコンバータ、右下に降圧コンバータの回路構成を示しています。

フォワードコンバータの2次側の動作は降圧コンバータの動作と非常に似ています。

MOSFET\(Q\)がONの時、電流経路は『入力電圧\(V_{IN}\)→トランス\(T\)の一次巻線→MOSFET\(Q\)』となり、トランス\(T\)の2次側に誘導起電力\(V_2\)が発生します。この誘導起電力\(V_2\)により、『トランス\(T\)の2次巻線→ダイオード\(D_1\)→インダクタ\(L_F\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))』と電流が流れます。

降圧コンバータでは、MOSFET\(Q\)がONすると『入力電圧\(V_{IN}\)→MOSFET\(Q\)→インダクタ\(L_F\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))』と電流が流れます。

降圧コンバータの『入力電圧\(V_{IN}\)→MOSFET\(Q\)』の流れが『トランス\(T\)の2次巻線→ダイオード\(D_1\)』に置き換わると、フォワードコンバータのMOSFET\(Q\)がONの時の動作となります。

フォワードコンバータでは、MOSFET\(Q\)がOFFになると、インダクタ\(L_F\)に蓄えられているエネルギーを放出して、電流を流し続けようとします。そのため、『インダクタ\(L_F\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))→還流ダイオード\(D_2\)』の経路で電流が流れます。

降圧コンバータでは、MOSFET\(Q\)がOFFすると『インダクタ\(L_F\)→出力部(出力コンデンサ\(C_{OUT}\)＋負荷抵抗\(R_{OUT}\))→還流ダイオード\(D\)』と電流が流れます。

MOSFET\(Q\)がOFFの時の電流の流れはフォワードコンバータと降圧コンバータは同じです。

フォワードコンバータと降圧コンバータの出力電圧\(V_{OUT}\)の式も非常に似ています。次式に示すように、降圧コンバータの出力電圧の式に巻数比\(N\)を掛けると、フォワードコンバータの出力電圧の式となります。

フォワードコンバータのスナバ回路(リセット回路)

フォワードコンバータはトランス\(T\)を片方向のみ励磁するので、MOSFET\(Q\)がOFFの期間において、トランス\(T\)に蓄積されているエネルギーを放出させる必要があります。

そのため、実際にフォワードコンバータを作るときにはスナバ回路(リセット回路)が必要となります。

スナバ回路(リセット回路)には様々な種類がありますが、例えば、上図に示すように抵抗・コンデンサ・ダイオードで構成されたRCDスナバ回路を接続します。

フォワードコンバータのシミュレーション

フォワードコンバータをLTspiceでシミュレーションした時の結果を上図に示しています。

上図の右側に示している波形は上から

となっています。

MOSFET\(Q\)やダイオード\(D\)の損失を無視するために、シミュレーション回路ではMOSFET\(Q\)は理想スイッチ、ダイオード\(D\)は理想ダイオードを用いています。

また、入力電圧\(V_{IN}\)は100V、理想スイッチ\(S\)のオンデューティ比\(D\)は0.5、巻数比\(N\)は0.1にしています。そのため、出力電圧\(V_{OUT}\)は(1)式より

\begin{eqnarray}
V_{OUT}=NDV_{IN}=0.1×0.5×100=5{\mathrm{[V]}}
\end{eqnarray}

となります。シミュレーション結果でも、出力電圧\(V_{OUT}\)が5Vになっていることが確認できます。

まとめ

この記事では『フォワードコンバータ』について、以下の内容を説明しました。

お読み頂きありがとうございました。

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