ハーフブリッジ・トポロジーのバリエーション

商用電源(AC115/230V)から+-50Vの正負電源を得る

オフライン・コンバータ(SMPS)のトポロジーとして、

ハーフブリッジ・コンバータが適用できますが、

バリエーションとして、

ハードスイッチング(対称HB、プッシュプル)、

ソフトスイッチング(非対称HB、アクティブクランプ)、

LLC(共振型HB、プッシュプル)の

3つあるようです。

 

以下の資料が参考になります。

Power Converter Topoology Trends

Power Topologies Handbook

Power Topologies Poster

 

800W, +-50VのLLCハーフブリッジの既製品を参考としてあげておきます。

SMPS800RE

 

 

D級アンプの原理:回路と電源の考察

D級アンプの原理に関して、回路と電源に関する考察をまとめておきます。

 

日本語のまとまった参考資料としては、以下のものをあげておきます。

トランジスタ技術2008年3月号 特集:高効率パワー・アンプの作り方

トランジスタ技術2003年8月号 特集:ディジタル・アンプ誕生

グリーンエレクトロニクス No.7 D級パワー・アンプの回路設計

グリーンエレクトロニクス No.1 高効率・低雑音の電源回路設計

 

まず、ここでは増幅方式の原理として、

D級アンプをオーディオ信号で出力素子のデューティサイクルを

PWM制御するスイッチング方式のアンプと定義します。

 

また、比較のために、
AB級アンプは、オーディオ信号で出力素子のトランスコンダクタンスを

線形制御する方式のアンプと定義します。

なので、ここでのD級アンプは、

スイッチングノードの電圧に関しては2値もしくは3値ですが、

デューティサイクルに関しては連続なPWMを仮定しているので、

分類としてはアナログアンプ(連続時間の増幅器)です。

一般的には、

オーディオ入力信号をサンプリングしてPWM信号を生成してスイッチングノードを制御し、

スイッチングノードの離散電圧をLPFで復調して連続電圧を取り出します。

 

この点に関しては、

AB級アンプは、

連続時間かつ連続電圧のアナログアンプです。

入力から出力まで一貫してアナログ制御の構成が一般的です。

 

次に、D級アンプのサンプリングに関連して、

自励発振式と他励発振式の比較がよくされています。

 

これに関しては、実際に制作してみるとわかりますが、

他励発振式はPSRRが原理的には0dBなので、

通常のコンデンサインプット式の電源では、

100Hz/120Hzの商用電源の整流リップルノイズが

そのまま聞こえます。

なので、オーディオアンプとしては、

電源に対策を施さないと、

そのままでは実用になりません。

 

一方で、自励発振式はPSRRに優れているため、

電源を選びませんが、

サンプリング周期が信号振幅に応じて変動するのと、

電源のパンピング現象が短所とされています。

 

これも実際に制作してみたところ、

自励発振式におけるサンプリング周期の変動は、

無信号時に1MHzを超えるレベルの回路が容易に達成できて、

ノイズシェーピングを適用できるので、

実質的な音質への影響は限定的です。

 

電源のパンピング現象は、

他励式と同様に電源で対策を行うか、

フルブリッジ構成にするのが一般的ですが、

フルブリッジ構成にすると、

他励式(外部クロックとの同期を含む)となってしまうため、

元の木阿弥です。

 

従って、D級アンプでは、

増幅器と電源を一体のものとして設計する必要があります。

 

増幅器のフィードバック制御としては、

電流モードの構成をとれば、

LPFの変動も制御できるため、

設計次第です。

 

また、電源の対策としては、

リニア電源にレギュレータを導入するか、

電源自体をフルブリッジ構成にするのが一般的のようです。

 

一方で、

最近は同期整流(ダイオード整流と違い、回生電流を逆流できる)が

容易に構成できるので、

スイッチング電源で対応する方が容易と思われます。

 

ただし、

オーディオアンプは連続での定格出力は実使用時には発生しないので、

設計のポイントは大きく異なります。

クレストファクタを考慮したトランスの巻き線設計、

アクティブクランプもしくはフェーズシフトフルブリッジ(PSFB)によるZVS、

軽負荷モード(パルススキッピング)による安定性の確保、

などが重要になってきます。

 

というわけで、これまでの設計や試作を踏まえると、

自励発振式とスイッチング電源で適切なD級アンプの設計というのが、

音質とコストパフォーマンスも含めて妥当という結論です。

 

RCDスナバ回路とアクティブクランプ回路の比較

SMPSの設計で、

1次側のスイッチのサージを吸収するために

RCDスナバ回路を適用しようとしても、

Rでの損失が大きすぎて実装が困難なケースがあります。

 

そこで、アクティブクランプ回路の出番なのですが、

なぜ、アクティブクランプ回路には抵抗がないのでしょうか?

 

それは、アクティブクランプ回路では、

コンデンサに蓄えた電荷を電源に回生することによって、

エネルギーを熱として捨てるのではなく、

保存しているからです。

 

以下のリンクを参考にあげておきます。

RCD Snubber vs Active Clamp

AN-4147 Design Guidelines for RCD Snubber of Flyback Converters

 

また、アクティブクランプ回路は、

メインスイッチに対してZVSで動作するため、

ノイズ対策も容易です。

Using Active Clamp Technologyto Maximize Efficiency in aTelecom Bus Converter

ハイサイドクランプ回路と

ローサイドクランプ回路の比較などは、

こちらが参考になります。

SLUA322 Active Clamp Transformer Reset: High Side or Low Side?

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。