AC/DC Converters

Circuit often requires a integrated AC power source as optimum strategy to reduce size, cost or due to application specific needs.回路は、サイズやコストを削減するため、またはアプリケーション固有のニーズにより、統合された AC 電源を必要とします。 変換に関連する重要な概念と、利用可能な実用的な選択肢を理解することは、設計の成功に向けた良いスタートとなります。

安全第一！
AC電源が主電源ソケットの場合、実装が安全に使用できるように細心の注意を払う必要があります。 例外なく、このサブシステムの設計および実装は、資格のある専門家が行う必要があります。 可能であれば、事前に承認された市販のプラグパックを使用してください。

コンプライアンスは必須！
主電源ソケットに何かを差し込む場合、それが使用される国の法的認証基準に適合していなければなりません。 さらに、そのためには、テストと認証を受けなければなりませんが、これは高価なプロセスです。

AC/DCコンバータとは 電力は、振動しない一定電圧で一方向に流れる直流（DC）、または振動する電圧で前後に流れる交流（AC）として、電線上を移動します。 交流は、直流に比べて配電コストが低く、変圧器の発明により電圧変換が簡単であるなど、いくつかの利点があるため、電力輸送の主流となっている。 高電圧で長距離を送り、その後低電圧に変換する交流電力は、より効率的で安全な家庭用電源である。 場所によって、高圧は4kV（キロボルト）から765kVまである。 注意点として、家庭のAC電源は110Vから250Vまであり、世界のどの地域に住んでいるかによります。 米国では、一般的なAC主電源は120Vです。

コンバータは、交流電流をその電圧も交互に変化させながら、インダクタ（L）やコンデンサ（C）などの反応インピーダンス素子に導き、そこで蓄積・積分します。 この過程で、正電位と負電位に関連する電力が分離される。 蓄積されたエネルギーを平滑化するためにフィルタが使用され、その結果、他の回路のための直流電源が生成される。 この回路にはさまざまな形態があるが、常に同じ基本要素で構成され、1つまたは複数の変換段階を持つことができる。 図1に示したコンバータは「フォワード・コンバータ」と呼ばれ、もう少し単純なアーキテクチャである「フライバック・コンバータ」よりも効率が高くなっています。 詳細は説明しませんが、フライバックコンバータは、その動作が回路内のトランスのエアギャップに蓄積されたエネルギーに依存する点でフォワードコンバータと異なります。 この違いを除けば、両者は同じ必須ブロックを利用できます。

Figure 1: フォワード・コンバータAC/DC電源の機能ブロック図

入力フィルタ・ブロック
入力フィルタは電源スイッチング素子で生じたノイズを主電源に戻さないため、重要なものです。 また、主電源で発生したノイズが後続の回路に混入することも防げます。 フィルタは、50/60Hzの主電源周波数を通過させ、存在する可能性のある高周波ノイズや高調波を減衰させる。 AC-DCコンバータの他の部分と同様に、コンデンサやインダクタなどのリアクティブエレメントが、周波数選択的な抑制という重要な役割を果たします。 コンデンサは DC を通過しないので、直列（DC ブロッキング「ハイ・パス・フィルタ」素子として）または並列（高周波をアースへシャントしてコンバータへの侵入を防ぐ）で使用できます。

入力フィルタ・ブロックには、電力網の高電圧スパイクが電源を損傷しないよう、電圧依存抵抗器またはバリスタも通常含まれています。 図 1 の入力にある対角線で囲まれた長方形のボックスがこれにあたります。 最も一般的なバリスタは、金属酸化物バリスタ（MOV）である。 デバイスの「クランピング電圧」を超える電圧は、MOV を導電状態にし、高電圧スパイクをシャントしてサージを抑制します。

整流
最も単純な AC/DC コンバータは、入力フィルタリングに続いてトランスが構成されており、次に整流器に渡されて DC を生成します。 この場合、トランスは直流を通さないので、整流はトランスの後に行われます。 しかし、多くのAC/DCコンバータは、より小さなトランスの要件と主電源に戻されるノイズが少ないという利点から、図1に示すように、より洗練された多段変換トポロジーを使用しています

整流器は、ダイオードのように、条件的に一方向だけに電流を流す半導体デバイスを使って実装されています。 より洗練された半導体整流器にはサイリスタが含まれる。 シリコン制御整流器 (SCR) および交流用三極管 (TRIAC) は、少量の電圧でより大きな電圧と電流の流れを制御できる点でリレーに類似しています。 これらの仕組みは、制御用の「ゲート」が入力信号によってトリガーされたときのみ導通する。 交流波形が流れるタイミングに合わせてデバイスをオン・オフすることで、電流を制御し、直流分離を実現する。 サイリスタのオン・オフを設定する制御信号として、交流波形をタップした信号で行う回路が多くある。 これは整流であり、自然（単純なダイオードの場合）またはより高度なデバイスの場合のように強制されることがあります。

高効率電源では、このような回路のスイッチとして MOSFET のような能動デバイスを使用することができます。 より複雑なトポロジーを使用する理由は、通常、効率向上、低ノイズ化、または電力制御として機能するためです。 ダイオードは、導通時に電圧降下が発生する。 このため、ダイオードで電力が消費されるが、他の能動素子では電圧降下がはるかに小さく、電力損失が小さくなることがある。 SCRおよびTRIAC回路は、以下の調光器の例のような低コストの電力制御回路で特に一般的であり、入力電源の交番電流に応じて負荷に送られる電流を直接制御するために使用されます。 これらの実装は、回路内にトランスがない場合、ガルバニックではありません。直接主電源に接続された照明制御のような適切な回路でのみ有効であることに注意してください。 また、シンプルさと堅牢さが不可欠な高出力産業用および軍事用電源にも使用されます。

図 2: SCR ベースの変換

力率補正 (PFC)
これはコンバータで最も理解しにくい側面と言えます。 PFCは、最適な力率を維持するために、電圧波形に引き出される電流の相対的な位相を補正することで、コンバータの効率を向上させるために不可欠な要素です。 これにより、コンバータが主電源に与える可能性のある「無効負荷」特性を低減します。 これは高品質で効率的な電気ネットワークを維持するために不可欠であり、電力供給会社は力率の悪い顧客に対して特別な無効電流料金を課すことさえある。 パッシブPFCとアクティブPFCは、位相関係を補正するためにアクティブ素子とパッシブ素子のどちらを使用するかということである。 半導体PFCは、PFC回路を能動的に監視・調整するコントローラを内蔵した専用ICで、部品点数を減らし、設計を簡素化しながら高性能を実現することができる。 また、過電圧/低電圧保護、過電流保護、ソフトスタート、故障検出/応答などの機能を組み込むこともできます。

図1に示すコンバータは、1段のPFCコンバータです。 この部分のコンデンサは、ステージの脈動する入力電力と比較的一定の出力電力との間のアンバランスなエネルギーを蓄積するために使用されます。 これについては、「無効エネルギー貯蔵」の項を参照してください。 変換効率に悪影響を及ぼすユニバーサル電源のストレージコンデンサほど広い電圧範囲を扱う必要がないため、2段のPFCコンバータが一般的に使用されています。 また、コンデンサ・サイズのトレードオフを改善することができ、コスト削減に役立ちます。 数百kHzの高周波でスイッチングするアクティブ・スイッチング・デバイスで構成されます。 スイッチのON/OFF状態は、負荷に動的に供給する必要のある電力量に応じて変化するパルス幅変調（PWM）入力で制御されます。 この情報は2次側からのフィードバック経路によって得られ、コンバータの絶縁要件に対応した多くの技術によって伝達される可能性があります。

トランス トランスは、電磁誘導によって互いに結合する共通のコアに巻かれたワイヤで構成されています。 これは、高電圧（主電源）に接続する際に重要で、誘導結合により主電源を後続回路から切り離すため、「オフライン」変換と呼ばれ、直接接続するよりもはるかに安全なシナリオとなります。 ガルバニック絶縁」と呼ばれるこの電磁界による結合は、直接の銅回路ではなく、電気ショックや危険な火花放電を引き起こす可能性のある最大エネルギーを、変圧器の磁界磁束線に蓄積されたエネルギーに制限しています。 トランスのエネルギーを蓄積する能力 (サイズと材料に関連) は、変化する負荷条件下で所望の電圧電位を維持するためにトランスがどれだけうまくエネルギーを供給できるかを決定するため、コンバータ設計において重要な考慮事項となります。 これがないと、コア材の残留磁束がパワー・ステージの PWM の数サイクルで飽和してしまいます。 このチュートリアルで取り上げるには複雑すぎますが、この追加回路はコンバータの回路図を確認する際に非常に分かりづらく、なぜ必要なのかを知っておくと便利です。 消磁にはいくつかの方法がありますが、最も簡単な方法は、パワー段のスイッチがオフの時に、別の補助巻線を通して消磁電流をダイオードに戻す方法です。 この回路では、最大 PWM デューティ・サイクルを 50% に制限していますが、より複雑な方法を使用して、より高いデューティ・サイクルを実現できます。

トランスまたは他のガルバニック絶縁方法 (光カプラなど) は、1 次側と 2 次側の間で情報信号を通信するために頻繁に使用されます。 これは、変換プロセスのより複雑な制御を促進するために必要です。一次側の位置制御回路が二次側の負荷の状態に対応し、電流の誘導方法を動的に変更して、より低いノイズと高い効率を得ることができます

出力回路
フィルタのセクションで述べたように、コンデンサやインダクタなどの受動リアクタンス（ストレージ）素子の電界によってエネルギーを蓄積します。 チャージ・ステアリング整流後に使用すると、交流入力電力サイクルの間、エネルギーの貯蔵庫として機能します。 このエネルギー貯蔵がソースとして機能し、さまざまな負荷条件下で一定の出力電圧を可能にするため、これはコンバーターにとって不可欠な要素である。 アクティブ素子は、負荷にかかる電圧や負荷に流れる電流を感知し、負帰還制御ループにおいて、この情報を使って蓄電素子に送り込むエネルギーを調整し、一定の出力電圧レベルを維持する。 このポンピング プロセスでは、アクティブ要素を使用して、ストレージ要素に流れる電流をオン/オフし、レギュレーションという広い概念で呼ばれます。 これがないと、過電圧状態や低電圧状態が発生し、スプリアス回路動作や回路の損傷につながる可能性があります。 特に低電圧のデジタル電子機器では、電源電圧を公称値の数％以内に厳しく制限する必要があるため、このような現象が起こりやすい。 リアクティブエレメントには、このような制御が組み込まれていない。 AC/DC コンバータで出力電圧を厳しく制御する方法は、低インピーダンスのリアクティブ ストア ソースに蓄積されたエネルギーを条件付きで制御することです。 このソースを再充電するための何らかの動的制御が必要です。 これはレギュレーションと呼ばれる。 マイクロプロセッサのような負荷は、さまざまな動作を実行すると要求する電力が変化するため、アクティブな動的レギュレーションの必要性が増します。

レギュレーション制御は、スイッチング素子を制御するフィードバック回路です。 この場合、スイッチング素子はコンバータの一次側にある。 スイッチが効率的であるためには、ハードオン（可能な限り低いインピーダンス）またはハードオフ（可能な限り高いインピーダンス）のいずれかでなければならず、その中間の状態では、スイッチを通過する電力が散逸して無駄になります。 MOSFET のような半導体スイッチは理想的ではなく、ある程度のインピーダンスを示すため、エネルギーを散逸させ、変換効率を低下させます。

スイッチを制御するには、PWM（パルス幅変調）と呼ばれるスイッチのオン/オフのデューティサイクルを変える方法と、オン/オフの周波数を制御する方法の 2 つだけが実際にあります。 非共振型コンバータはハードスイッチング方式を採用しているが、共振型コンバータはよりインテリジェントなソフトスイッチング方式を採用している。 ソフトスイッチングとは、交流波形をゼロ電圧またはゼロ電流のポイントでオン／オフすることで、スイッチング損失をなくし、非常に高効率なアーキテクチャを実現する。 同期整流などの技術では、整流ダイオードをMOSFETなどのアクティブスイッチング素子に置き換えます。 入力 AC 波形に同期したスイッチングを制御することで、MOSFET は非常に低いオン抵抗と少ない電圧降下で適切なタイミングで動作し、ダイオード整流と比較して高い効率につながります。 制御モードには、電圧制御と電流制御の2つの原理的な方法があります。 レギュレータは、負荷回路に提示される電圧を調整するために、1つまたは両方の方法の組み合わせを利用します。

Voltage Control Mode

レギュレーション回路は出力電圧を検知し、基準電圧と比較してエラー関数を生成します。 エラー信号は、出力を所望のレベルに近づけるためにスイッチング比を変更します。 179>

電流制御モード

出力電圧とインダクタ電流の両方を検出し、その組み合わせでデューティ・サイクルを制御します。 この内部の「電流検出ループ」は、負荷の変化に対してより速い応答時間を可能にしますが、電圧制御モードよりも複雑です。

制御方法以上に制御要素をさらに複雑にし、整流サイクルとしてコンバータが機能する方法は、動作の連続または不連続モードと呼ばれています。 連続動作モードは、インダクタ電流が決してゼロにならないものです（コンバータ・トポロジーが持っている場合）。 これは出力リップルが低く、したがって低ノイズ動作モードですが、インダクタが常に導通しているため、非理想的な直列伝導損失で常に何らかのエネルギーを消費しています。 不連続モードでは、インダクタ電流をゼロにすることで、負荷がストレージ・コンデンサからエネルギーを得るようになります。

コンバータ・タイプ
簡単に触れたように、フライバックおよびバック-フライバック・アーキテクチャなど、そのトポロジに関連するいくつかのコンバータ・タイプがあります。 これらは、トランスを組み込み、部品点数が少なく、他のオプションに比べて低コストであるため、一般的なトポロジーです。 フライバックコンバータは、インダクタをトランスに置き換えたバックブーストコンバータ（ステップアップ/ステップダウン）です。 トランス内部の蓄積エネルギーは、アクティブまたはパッシブ整流回路を通して2次側を整流するために使用されます。 最も一般的なフライバックコンバータは、トランスに流れる電流をゼロにする不連続モード（DCM）を利用します。これは、一般的に制御ループが最も単純で、コストも最も低いためです。 連続電流モード（CCM）フライバックコンバータは、より高い電力レベルを必要としますが、連続的に導通するため、トランスの巻線損失が高くなります。 多くの電源は、負荷レベルに応じてモードを切り替えています。 フライバックトポロジーの準共振（QR）およびバレースイッチング／可変周波数のバリエーションは、より複雑な回路で、スイッチングのタイミングと方法を最適化し、効率を向上させるものです。 QRフライバックは非理想的なリーケージインダクタンスのエネルギーを再利用することでこれを実現し、バレースイッチングはオーバーシュートによるスパイクを低減します。 これらは一般的に低電力アプリケーションで使用されます。