Transcript 2.2 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオード

Design Kit
NI Multisim
FCC(Forward Coupling Converter)
Output Voltage=10(V),Output Current=2(A)
C4
5pF
D1
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
C1
330pF
69µH
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
L1
680pF
L2
2.5nH
D2
R3
22Ω
D50LC20U_Pro*
L4
30nH
C3
680pF
http://www.bee-tech.com/
株式会社ビー・テクノロジー
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
R4
270Ω
L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
目次
1.FCC(Forward Coupling Converter)について
2.回路シミュレーションの等価モデルの考え方
2.1 トランス2次側入力波形
2.2 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオード
2.3 チョークコイル
2.4 コンデンサ
2.5 配線長
3.回路解析シミュレーションにおける各部の波形
3.1 出力電圧
3.2 出力電流
3.3 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオードにおける突入電流
3.4 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオードにおけるスイッチング波形
3.5 整流側ダイオードの損失シミュレーション
3.6 フライホイル側ダイオードの損失シミュレーション
3.7 出力ノイズ
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
1.FCC(Forward Coupling Converter)について
D1
L1
T1
D2
C1
RL
VCC
TR1
TR1がONした時にD1がONして負荷に電流を流します。
TR1がOFFした時にチョークコイルに溜まったエネルギーをD2を通過し負荷に供給します。
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1.FCC(Forward Coupling Converter)について
Tr1がONの場合
D1
L1
T1
ON
D2
VCC
ON
TR1
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C1
RL
1.FCC(Forward Coupling Converter)について
Tr1がOFFの場合
D1
L1
T1
D2
ON
VCC
OFF
TR1
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C1
RL
2.回路シミュレーションの等価モデルの考え方
回路モデルの考え方
D1
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
V1
R1
22Ω
L1
69µH
D50LC20U**
C2
R2
22Ω
R3
D2
D50LC20U* 22Ω
680pF
R4
270Ω
C4
1mF
C5
1mF
C6
220nF
C7
220nF
C8
220nF
C1
330pF
L4
30nH
RL
5Ω
C3
680pF
等価的に回路モデルを考える
C4
5pF
D1
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
C1
330pF
L1
69µH
680pF
L2
2.5nH
D2
R3
22Ω
R4
270Ω
D50LC20U_Pro*
L4
30nH
C3
680pF
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
2.回路シミュレーションの等価モデルの考え方
回路モデルの考え方
トランス2次側入力波形をパルス電源で表現する
整流側ダイオードとフライホイル側ダイオードを忠実に再現する
チョークコイルを等価的に考える
コンデンサの等価回路を考える
配線長の影響を考慮する
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2.1 トランス2次側入力波形
D1
L1
T1
D2
C1
RL
VCC
TR1
トランス2次側入力波形をパルス電源
に置き換えます。
実際の回路基板があれば、オシロスコープでトランス2次側入力波形を
確認し、その波形をパルス電源に置き換えます。
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2.1 トランス2次側入力波形
V1
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
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2.2 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオード
ここでのポイントは、逆回復特性の表現です。通常のダイオード・モデル
パラメータでは正確に逆回復特性を表現する事が出来ません。ここでは、
プロフェッショナル・モデルを採用致します。
Simulation
Measurement
プロフェッショナルモデルとは、逆回復特性(trj,trb)を忠実に再現した等価回路モデルです。
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2.2 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオード
逆回復特性であるtrrはtrjとtrbに分割して考えます。trjとtrbの関係図は下記の
通りです。
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【参考】ダイオードモデルの弱点について
ダイオードのパラメータであるTTは、逆回復特性のtrr(trj+trb)のtrjの部分しか
表現出来ません。この弱点を克服する為には、trj+trbを表現する等価回路を作成
する必要があります。
D1
+
等価回路モデル
004D2
Trjのみ表現可能である
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2.3 チョークコイル
チョークコイルは等価的に考えます。本格的にシミュレーションする場合は、
周波数を考慮した等価回路モデルが必要になります。ここでは、特に回路
に影響する要因を考え、等価モデルを作成します。
C4を追加する事で、回路による影響要因を
加える事が出来ます。
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【参考】インダクタの等価回路の考え方
L1
R1
L1
L1
R1
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L1
R1
C1
2.4 コンデンサ
C4
5pF
D1
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
C1
330pF
69µH
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
L1
680pF
L2
2.5nH
D2
R3
22Ω
D50LC20U_Pro*
L4
30nH
C3
680pF
R4
270Ω
L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
コンデンサの内部にはESRとESLが存在します。回路動作にESR及び
ESLが影響する場合は、回路図上に無くても、回路解析シミュレーション
をする場合は、具体的な値を入れなくてはいけません。ESR値及びESL値
をサプライヤー企業にお問合わせするか。プレシジョン・インピーダンス・
アナライザで計測を行う必要があります。
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【参考】 コンデンサの等価回路の考え方
C1
C1
R1
C1 R1
C1
R1
L1
コンデンサの種類により、ESR値及びESL値には傾向があります。
その特性も考慮しなければなりません。
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2.5 配線長
C4
5pF
D1
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
C1
330pF
69µH
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
L1
680pF
L2
2.5nH
D2
R3
22Ω
D50LC20U_Pro*
L4
30nH
C3
680pF
R4
270Ω
L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
配線長の影響が回路動作に与える場合、配線長のインダクタンス値は
回路図にはありませんが、配線長のインダクタンス成分を負荷しなければ
なりません。この回路の場合、特に影響度合いが強い箇所に配線長の値
を入れております。L3のインダクタンスは配線長です。
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3. 回路解析シミュレーション
FCC(Forward Coupling Converter)
C4
5pF
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
Dsense1
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
D1
680pF
C1
330pF
L1
69µH
L2
2.5nH
D2
R3
D50LC20U_Pro* 22Ω
Dsense2
C3
680pF
L4
30nH
Simulation Settings
Analysis type:Time Domain(Transient)
Run to time=50m(sec)
Step Size=1m(sec)
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R4
270Ω
L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
3.1 出力電圧
C4
5pF
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
Dsense1
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
C1
330pF
D1
680pF
L1
69µH
L2
2.5nH
D2
R3
D50LC20U_Pro* 22Ω
R4
270Ω
Dsense2
C3
680pF
L4
30nH
Voltage/Level Markerで出力電圧を確認します。
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L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
3.1 出力電圧
出力電圧が目的の10(V)である事を確認します。また、シミュレーション結果
より、6m(sec)以降に出力電圧が安定している事が確認出来ます。
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3.2 出力電流
Trace I(RL)
出力電流が目的の2(A)である事を確認します。また、シミュレーション結果
より、6m(sec)以降に出力電流が安定している事が確認出来ます。
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3.3 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオードにおける突入電流
-- I(Dsense1)
-- I(Dsense2)
整流側ダイオードとフライホイル側ダイオードにおける突入電流が確認出来ます。
Trace I(Dsense1)=整流側ダイオードの電流
Trace I(Dsense2])=フライホイール側ダイオードの電流
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3.3 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオードにおける突入電流
-- I(Dsense1)
-- I(Dsense2)
過渡解析における0m(sec)から8m(sec)の拡大図です。
Trace I(Dsense1)=整流側ダイオードの電流
Trace I(Dsense2)=フライホイール側ダイオードの電流
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3.4 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオード
におけるスイッチング波形
-- I(Dsense1)
-- I(Dsense2)
整流側ダイオードとフライホイール側ダイオードのスイッチング波形を確認出来ます。
Trace I(Dsense1)=整流側ダイオードの電流
Trace I(Dsense2)=フライホイール側ダイオードの電流
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3.5 整流側ダイオードの損失シミュレーション
C4
整流側ダイオード
5pF
I(Dsense1)
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
Dsense1
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
C1
330pF
D1
680pF
L1
69µH
L2
2.5nH
D2
R3
D50LC20U_Pro* 22Ω
Dsense2
C3
680pF
L4
30nH
R4
270Ω
L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
整流側ダイオードの電圧波形を観察する場合は、voltage Differential Marker(s)
にて確認します。
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3.5 整流側ダイオードとフライホイル側ダイオードにおける突入電流
ダイオードモデルは等価回路モデルですのでV(D1)のようなTraceが出来ません。
サブサーキット内部のTraceを行う必要があります。
.MODEL D_D5LC20U D
+ IS=77.0115E-9 N=1.7294 RS=45.043E-3 IKF=0
+ ISR=0
+ CJO=171.21E-12
+ M=.43908
+ VJ=.64127
+ BV=200
+ IBV=10.000E-6
+ TT=12.356E-9
モデルパラメータ記述
.SUBCKT D50LC20U_PRO A K
R_R2 5 6 73
R_R1 3 4 1
C_C1 5 6 100p
E_E1 5 K 3 4 1
S_S1 6 K 4 K _S1
RS_S1 4 K 1G
.MODEL _S1 VSWITCH (Roff=50MEG Ron=1m Voff=90mV Von=100mV)
G_G1 K A VALUE { V(3,4)-V(5,6) }
D_D1 2 K D_D5LC20U
D_D2 4 K D_D5LC20U
F_F1 K 3 VF_F1 1
VF_F1 A 2 0V
.MODEL D_D5LC20U D
+ IS=77.0115E-9 N=1.7294 RS=45.043E-3 IKF=0
+ ISR=0
+ CJO=171.21E-12
+ M=.43908
+ VJ=.64127
+ BV=200
+ IBV=10.000E-6
+ TT=12.356E-9
.ENDS
サブサーキット記述
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3.5 整流側ダイオードの損失シミュレーション
(40.00m, 0.682)
損失の計算方法
Trace AVG(@d_d1:xd1[vd]*I(DSENSE1))
で波形を表示させ、カーソル機能で数値を読み取ります。
整流側ダイオードの損失は、0.682(W)でした。
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3.6 フライホイル側ダイオードの損失シミュレーション
C4
5pF
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
Dsense1
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
C1
330pF
D1
680pF
フライホイル側ダイオード
L1
69µH
L2
2.5nH
D2
R3
D50LC20U_Pro* 22Ω
R4
270Ω
Dsense2
C3
680pF
I(Dsense2)
L4
30nH
フライホイール側ダイオードの電圧波形を観察する場合は、
voltage Differential Marker(s)にて確認します。
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L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
3.6 フライホイル側ダイオードの損失シミュレーション
(40.00m,1.875)
損失の計算方法
Trace AVG(@d_d1:xd2[vd]*I(DSENSE2))
で波形を表示させ、カーソル機能で数値を読み取ります。
整流側ダイオードの損失は、1.875(W)でした。
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3.7 出力ノイズ
C4
5pF
L5
30nH
-28 V 45 V
1.2usec 5usec
R1
22Ω
Dsense1
D50LC20U_Pro*
C2
R2
22Ω
V1
C1
330pF
D1
680pF
L1
69µH
L2
2.5nH
D2
R3
D50LC20U_Pro* 22Ω
Dsense2
C3
680pF
L4
30nH
R4
270Ω
L3
10nH
RL
5Ω
C6
3mF
R5
106mΩ
C7
660nF
出力ノイズ波形を観察する場合は、voltage Differential Marker(s)にて確認します。
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
3.7 出力ノイズ
出力ノイズ波形を観察する事が出来ます。
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.