LLC電流共振電源設計ツール

LLC電流共振電源設計ツール 取扱説明書 上記アイコンをクリックして 電源設計ツールをダウンロードしてください。 INDEX はじめにお読みください 本設計ツールの構成 設計ツール操作手順 回路図 部品表 設計参考例

1 はじめにお読みください 以下の免責事項をお読みいただき、これらに同意された場合のみ、本設計ツールをご利用ください。 本設計ツールのご利用をもちまして、免責事項に同意されたものとみなします。 免責事項 1. ご採用に際しては、別途仕様書をご請求の上、ご確認をお願いいたします。 2. 本資料に記載されている当社製品の品質水準は、一般的な信頼度が要求される標準用途を意図してい ます。 その製品の故障や誤動作が直接生命や人体に影響を及ぼすような極めて高い品質、信頼度を要求され る特別、特定用途の機器、装置にご使用の場合には必ず事前に当社へご連絡の上、確認を得て下さい。 当社製品の品質水準は以下のように分類しております。 【標準用途】 コンピュータ、 OA等の事務機器、 通信用端末機器、 計測器、 AV機器、 アミューズメント機器、 家電、 工作機器、 パーソナル機器、 産業用機器等 【特別用途】 輸送機器（車両，船舶等）、 基幹用通信機器、 交通信号機器、 防災/防犯機器、 各種安全機構、 医療機器等 【特定用途】 原子力制御システム、 航空機器、 航空宇宙機器、 海底中継機器、 生命維持のための装置、 システム等 3. 当社は品質と信頼性の向上に絶えず努めていますが、必要に応じ、安全性を考慮した冗長設計、延焼防 止設計、誤動作防止設計等の手段により結果として人身事故、火災事故、社会的な損害等が防止でき るようご検討下さい。 4. 本資料に記載されている内容は、製品改良等のためお断りなしに変更することがありますのでご了承 下さい。 製品のご購入に際しましては事前に当社または特約店へ最新の情報をご確認下さい。 5. 本資料の使用によって起因する損害または特許権その他権利の侵害に関しては、当社は一切その責任 を負いません。 6. 本資料によって第三者または当社の特許権その他権利の実施に対する保証または実施権の許諾を行 うものではありません。 7. 本資料に記載されている製品が、外国為替及び外国貿易管理法に基づき規制されている場合、輸出に は同法に基づく日本国政府の輸出許可が必要です。 8. 本資料の一部または全部を当社に無断で転載または複製することを堅くお断りいたします。 2

2 本設計ツールの構成 ■ 設計ツールの各シート 本設計ツールは以下のシートに分かれています。 本設計ツールの免責事項を記載しています。 0_免責事項 本マニュアルのP.2にも掲載していますので、はじめに必ずお読みください。 本設計ツールの設計条件や設計手順を記載しています。 1_How to Use 本マニュアルと同じ内容です。 2_Design Sheet 実際のLLC電流共振電源の設計を行うシートです。 入力箇所以外は選択できないようにロックしております。ロック解除には応じかねますのでご了承ください。 ■ 選択可能なIC 本設計ツールで選択可能なLLC電流共振電源用ICは以下の通りです。 入力条件によって選択可能なICが変わりますので、詳細はP.4を参照ください。 LLC制御IC MCZ5207SG MCZ5211ST MCZ5216ST PFC＋LLC制御IC MCZ5205SE MCZ5209CN ■ Design Sheetの構成 Design Sheetのシートは、大きく3つのセクションで構成されています。 1 LLC設計条件の入力 2 回路図の表示 3 部品表の表示 * 本設計ツールは改良のため、事前のお断りなく改版する場合があります。ご了承ください。 3

3 設計ツール操作手順 言語の選択 言語の選択 1） 入力情報の入力 2） 出力情報の入力 日本語か英語を選択してください。 4） 共振カーブ 3） トランス条件の入力 5） PFC部の設計 6） シミュレーション入力項目 1) 入力情報の入力 1)-1 入力構成/制御ICの選択 右表を参考にして入力構成を選択してください。 AC入力（PFCなし） AC入力（PFCあり） PFC出力 入力構成を選択後、制御ICを選択してください。 LLC部 2次側 PFC部 LLC部 2次側 PFC部 LLC部 2次側 LLC IC PFC＋LLC IC PFC IC LLC IC 選択可能IC 選択可能IC 選択可能IC MCZ5207SG MCZ5205SE MCZ5207SG MCZ5211ST MCZ5209SN MCZ5211ST MCZ5216ST MCZ5216ST 赤線部分が本設計ツールで設計する部分です。 1)-2 入力電圧の入力 選択した入力構成で入力項目が変わります。入力可能な電圧範囲は80V～420Vです。 入力電圧は、MIN＜TYP＜MAXとなるように入力してください。 ・ AC入力（PFCなし） AC入力電圧を入力します。入力範囲はAC80V～AC288Vです。 LLC部入力電圧は自動的に計算されます。 MIN AC入力電圧MIN×1.1 [V] TYP,MAX AC入力電圧TYP（MAX）×1.41 [V] ・ AC入力（PFCあり） AC入力電圧を入力します。入力範囲はAC80V～AC288Vです。 LLC部入力電圧は自動的に計算されます。 MIN 360[V] TYP 390[V] MAX 420[V] ・ PFC出力 AC入力電圧を入力します。入力範囲はDC80V～DC420Vです。 LLC部入力電圧は自動的に計算されます。 PFC出力電圧＝LLC部入力電圧 1)-3 コア断面積の入力 LLCトランスのコア断面積を入力します。 コア断面積はトランスメーカ様にご確認ください。 4

3 設計ツール操作手順 1） 入力情報の入力 2） 出力情報の入力 4） 共振カーブ 3） トランス条件の入力 5） PFC部の設計 6） シミュレーション入力項目 2) 出力情報の入力 センタータップ構成 ブリッジ構成 ダブラ構成 2)-1 出力構成の選択 右表を参考にして出力構成を選択してください。 本設計ツールの制約上、選択した接続方法は全 出力に反映されます。 他出力で他の構成にしたい場合、右表を参考に 選定してください。 【選定目安】 出力電圧 出力構成 ～5V 50V 100V 150V 200V～ センタータップ構成 ブリッジ構成 ダブラ構成 2)-2 出力ダイオードのVFの入力 想定される出力ダイオードのVFを入力してください。 入力範囲は0.1V～3.0Vです。 2)-3 各出力電圧/電流の入力 各出力電圧、出力電流および出力電圧のばらつきを入力します。 なお、VO1で設定した電圧がフィードバック電圧として設計されます。 出力電圧範囲 0.1V～250V 出力電流範囲 ０A～20A VO2～VO4のトランスのターン数はVO1で決まったターン数の巻数 比倍になります。そのため、設定の出力電圧より高くなるターン数が 選定される場合があります。 3) トランス条件の入力 LLCトランスの励磁インダクタンス、リーケージインダクタンス、1次側 巻線数、2次側巻線数、共振コンデンサ容量を入力してください。 なお、2次側巻線数は、VO1に設定した電圧におけるターン数を入力し ます。インダクタンス値などの設計はP.○○の設計例を参考に、貴社に て設計をお願いします。 5

3 設計ツール操作手順 1） 入力情報の入力 2） 出力情報の入力 4） 共振カーブ 3） トランス条件の入力 5） PFC部の設計 6） シミュレーション入力項目 4) 共振カーブ 入力TYP時、出力電流変化時の共振カーブです。 多出力時はトータル電力をVO1で換算して表示しています。 出力電圧VO1と共振周波数frdが交差する点が臨界点です。 電源の効率・出力の安定性の観点から、入力電圧TYP時に臨界モード で動作させることが望ましいです。 （PFCが無いなど入力電圧範囲が広い場合は除く） 出力電圧 VO1 チェックポイントは共振カーブが以下の状態にあることです。 共振周波数 frd ・ Vin（min）、IO(max)時に設定した出力電圧より共振カーブが上にあること ・ Vin（max）、IO(min)時に設定した出力電圧より共振カーブが下にあること 【NG例】 Vin(min)、IO(max)時に出力電圧が取れない Vin(max)、IO(min)時に出力電圧が上昇している 【参考計算式】 共振コンデンサ Cr 0.019 [uF] VO × n 結合係数 k 0.85 I eq PK = L L 4 × Lm × fr k = 1 − r L = m P Lm + Lr 短絡時共振周波数 fr 107.8 [kHz] L × I ∆B p p 開放時共振周波数 fm 57.0 [kHz] m = k Np × Ae Lm = LP − Lr 励磁電流ピーク値 Ipk 1.544 [A] 4 × π × A 2 L 最大動作磁束密度（fr時） Bmaxfr 112.3 [mT] e × N Lg = P L m n = L Lr P 最大動作磁束密度（fm時） Bmaxfm 156.0 [mT] L コアギャップ Lg 0.47 [mm] r C Q = r RL(ac) 6

3 設計ツール操作手順 1） 入力情報の入力 2） 出力情報の入力 4） 共振カーブ 3） トランス条件の入力 5） PFC部の設計 6） シミュレーション入力項目 5) PFC部の設計 推奨PFCチョークよりも大きいサイズのチョークを選定してください。 磁束密度および最低発信周波数を入力してください。 PFC垂下電力は1.1～1.4倍を目安にしてください。 参考となるインダクタンス値が計算されます。 6) シミュレーション入力項目 シミュレーションを行う際の参考データが表示されます。 7

4 回路図 共振コンデンサの接続方法を選択します。 選択した回路定数は 5)部品表 に反映されます。 シングル ハーフブリッジ Single Half Bridge C142 C143 C143 5 部品表 部品表は自動で生成されます。 8

6 設計参考例 1 電源仕様・評価ボードについて （1) 電源仕様 MCZ5211ST参考電源 Power IC MCZ5211ST Input Voltage DC360[Ｖ]～ＤＣ４２０［Ｖ］ Output current Output Voltage 共振条件設計時は24V出力に換算して計算します。 Min Typ Max 12V +12.0 [V] 0.0 [A] 4.5 [A] 5.0 [A] 24V 0.005 [A] (Min) 24V +24.0 [V] 0.0 [A] 4.0 [A] 6.0 [A] 6.25 [A] (Typ) 5V +5.0 [V] 25 [mA] 25 [mA] 25 [mA] 8.50 [A] (Max) Total Power 0.125 [W] 150.1 [W] 204.1 [W] （2) 評価ボード 12V出力ダイオード SG20SC4M LLC制御用IC（裏面） MCZ5211ST LLC MOSFET 24V出力ダイオード P20F50HP2 SG20TC10M 2 共振条件の設定 ～巻数比の決定～ 共振条件の設計例を示します。 トランスはタムラ製作所製 SWD3539BF を想定しています。 ■ 定格入力電圧時に臨界モード（CRM）で動作することを想定して設計します ・正規化角周波数 ωn ・電圧変換比 M ω f ωn= = f ： 動作周波数 1 M = ωr fr fr ： 共振周波数 2 2 1 × 1− 1− k2 Q 1 k ω 2 + n − n k × ω ωn 臨界モード ： f = fr ∴ ωn = 1 1 M = = 1� VO M k2 2 2 k 1 Lr k × 1− 1− Q ω 2 + × ω − 1 n k n ωn Lm Vf 1 V Vo + Vf = M × in( c) L k = 1 − n = d r L 2 Lp k = 1− r L = m Lp Lm − Lr 結合係数kはトランス構造などによって変わります。 ・巻数比 n Lr トランスの過去実績値より L = 0.86 で計算しています。 p V × n = in M 390 × 1.16 = = 9.12 k = 1 − 0.26 = 0.86 2 × VO + Vf 2 × 24 + 0.8 1 1 ?? = ?? = 0.86 = 1.16 9

6 設計参考例 3 共振条件の設定 ～巻数の決定①～ ■ 入力電圧下限におけるQ値を設定します 1 M = 2 2 ・定常入力電圧の最小時のM 1 2 Q k × 1− 1− k ω 2 + n k × ωn − 1 ωn 2n V M O + VF 2 × 9.12 × 24 + 0.8 max = = Vin(min) 360 = 1.26 Q 0.05 2.4 0.1 ・ソフトスタート入力電圧時のM （Vin＝２５０V） Q=0.35 0.15 2.2 0.2 2n V M O + VF 2 × 9.12 × 24 + 0.8 2 0.25 peak = = 250 = 1.80 M V peak 0.3 in(ssmin) 1.8 0.35 1.6 0.4 0.45 上記結果より、M値が1.8より高くなるQを選択します。 1.4 0.5 今回の設計では Q=0.35 としました。 1.2 Mmax 求めたい仕様にもよっても変わりますが、Qの値はおおよそ 1 0.2～0.5程度です。 0.8 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 f/fr 4 共振条件の設定 ～巻数の決定②～ ■ 最大負荷条件より交流等価抵抗 Rac を求めます Lr 8 × n2 8 × 9.122 24 Rac = π2 × RL = 3.142 × 8.5 = 190.6 Lm Rac 8 R ZO = Rac × Q = 190.6 × 0.35 = 66.7 ac = × R 2 (dc × n C 2 O r π ) 3項の図から f/fr =0.6、 fr =120kHzとすると、fminは約70kHzとなります。 巻数は以下の式より求まります。 （Ae=1.05[ｃｍ2]、Bm＝200[mT]） n × V N O + Vf × Dmax p = 2 × Ae × Bm × fmin V + V N O f × D s = max 24 + 0.8 × 0.5 = 2 × Ae × Bm × fmin 2 × 1.05 × 0.2 × 70 × 0.1 = 4.2 巻数は整数となるので・・・ Np = Ns × n = 4.2 × 9.12 = 38.3 Np＝38[T]、Ns=4｢T] となります。 5 インダクタンス値の決定 リーケージインダクタンス値はトランス形状および1次側巻数で決まるため、 過去の試作トランスの値（Np=32[T]、Ｌｒ＝80[uH]）を元に初期値を決めます。 Np12 : Np22 = Lr1 ∶ Lr2 382× 80 322 ∶ 382 = 80 ∶ ???? Lr = 322 = 112.8 uH Lr 112.8 Lp = 1 − k2 = 0.26 = 434 uH 上記計算結果から、 Lp＝430[uH]、Lr=110｢uH] となります。 10 M

6 設計参考例 6 共振コンデンサの決定 共振周波数 fr=120kHzとして計算します。 1 C 1000 r = 2 × π × Zo× ?? = 2 × 3.14 × 66.7 × 120 = 0.019 uF 上記計算結果から、 共振コンデンサ Cr は 0.018[uF] となります。 ここで計算された値を初期値として、最終的にはシミュレーションや実機にて確認していきます。 7 設計ツールへの入力例 11

LLC電流共振電源設計ツール Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. 12