300Wアクティブクランプ・フォワードコンバータの回路設計

300Wアクティブクランプ・フォワードコンバータの回路設計

をまとめておきます。

D級アンプ用に、入力AC100V, 出力DC+-50Vの正負電源を構成します。

 

フォワード・コントローラに

ADP1074

絶縁型ゲートドライバに

ADuM4120-1A

フォワードコンバータの

Nch MOSFETに

IRFP240

アクティブクランプの

Pch MOSFETに

IRFP9240

同期整流用のNch MOSFETに

IPA086N10N3

をそれぞれ用いています。

 

LTspiceによる回路図を示します。

ADP1074の2次側のグランドを-50Vにして、

+50Vの同期整流用のMOSFETを

ADuM4120-1Aで駆動しています。

 

起動時の過渡解析の結果を示します。

緑がDC+50V、青がDC-50Vの出力です。

アクティブクランプなので、

RCDスナバの抵抗の発熱の問題はなく、

プッシュプルと違って、

1次側のMOSFETの耐圧も入力電圧を基準にすればよいのですが、

スイッチングに伴うサージ耐量だけが気になります。

 

300Wプッシュプル電源のトランス設計

既製品のスイッチング電源用トランスでは、

オーディオパワーアンプ用の300W程度の電源

(入力:AC100V, 出力:DC+-50Vを想定)に

適したトランスが見つからないので、

自作するための設計をまとめておきます。

 

以下の文献が参考になります。

トランジスタ技術2003年8月号 実際のディジタル・アンプ用スイッチング電源

スイッチング電源のコイル/トランス設計

高効率・低雑音の電源回路設計

 

まず、コアとボビンですが、

100kHz 300Wのプッシュプルコンバータを想定して、

JIS FEER 35Aの規格品から、

PC40EER35-Z

BEER35-1112CPFR

を選択しました。

 

次に、巻線ですが、

許容電流と巻数を考慮して、

2UEW 0.8mm

を選択しました。

 

次に、巻数ですが、

1次側電圧(Vp)=DC140V(max160/min120V)

2次側電圧(Vs)=DC50V(max80/min60V)

実行断面積(Ae)=107mm^2

AL値=4000nH/N^2(100kHz, 200mT)

飽和磁束密度(Bs)=max 200mT/min150mT

で、

Np=min38/max50 Turn

Ns=min19/max25 Turn

となりました。

 

最後に、巻き方は、プッシュプルコンバータ用なので、

Np1: 25×2層巻,

Ns1: 25×1層巻,

Ns2: 25×1層巻,

Np2: 25×2層巻,

のサンドイッチ巻にしたいと思います。

 

スナバ回路の熱損失のシミュレーション

LTspiceでスナバ回路のシミュレーションをしていて、

スナバ抵抗の定格が熱損失に耐えられるかを知る方法をまとめておきます。

 

Step 1. Alt Keyを押しながらトレースをクリックし電力を計算

Step 2. 対象領域をだけを拡大し、Ctrl Keyを押しながらトレースのラベルをクリックし平均値を計算

 

LTC3721-1によるプッシュプル電源におけるRCスナバ回路(5.1Ω, 1000pF)の

LTspiceシミュレーションの例を示します。

起動して電圧が50Vに安定するまでの時間領域(64ms-100ms)のスナバ抵抗(5.1Ω)の

電力のトレース(緑)とその平均値(ダイアログボックスの表示:2.8W)です。

ピーク電力0.8kW(ピーク電圧630V、ピーク電流12A)で、

250kHzのサージなので目視では平均値はよくわかりません。

 

1Wの抵抗で設計していましたが、

3Wにあげないと、

起動時に抵抗が発煙して燃えてしまいそうです。

 

LTC3721-1によるプッシュプル200W 50V正負電源の基板設計

LTC3721-1によるプッシュプル200W 50V正負電源の基板設計です。

こちらの資料が参考になります。

非絶縁型スイッチング電源のPCBレイアウトにおける考慮事項

電源レイアウトとEMI

リニア・レギュレータとスイッチング電源の基本概念

 

EAGLEの回路図はこちら。

基板設計はこちら。

上面のパターンはこちら。

下面のパターンはこちら。

トランス(HPH6-2400L)が面実装なのと、

ブリッジ整流(STTH1502FP)とコモンモードチョーク(744844470)など、

パワー系のパターンの引き回しに工夫が必要でしたが、

80x100mmのサイズに収まりました。

 

 

LTC3721-1によるプッシュプル200W 50V正負電源の回路設計

比較的簡単に作れる入力AC100V入力, 出力200W, DC+-50VのD級アンプ用プッシュプル電源を設計します。

まず、ループ補償の設計に必要な資料(AN149)と主な部品をあげておきます。

回路はLTC3721-1のデータシートに出ているものを踏襲しています。

Modeling and Loop Compensation Design of Switching Mode Power Supplies

LTC3721-1

LT4430

Si8710

HPH6-2400L

744844470

IPA95R450P7

STTH1502FP

GBU6J

 

つぎにLT Spiceでのシミュレーション用の回路図を示します。

最後に200W(50Ω, 2A, 100V(+-50V))負荷時の過渡応答を示します。

緑が出力電圧(+50V)、青がCMC(744844470)の電流、赤が2次側電圧のフィードバックです。