コイル、トランスでの昇圧について

質問

☆初めての投稿で勝手がわからず、回答に対するお礼と補足をつけたら自分の質問への補足がつけられなくなったので、改めて質問します。

最近電気工作をする機会があり、いろいろ調べていますが、コイル・トランスでかなり苦戦してます＞＜
今の課題は、DC5V～24Vを100kHzくらいでスイッチングさせて、トランス出力でAC100Ｖ（100kHz）を作ることです。

とりあえず手元にあるのが２入力１出力のトランスで、巻き線比は８、入力側のコイルは1kHzで５０μ[Ｈ]です。

　DC3.3V＿＿＿＿＿＿＿＿＿　　＿＿＿＿＿＿
　　　　　　　　　　　　｜　　　　　｜　｜　　｜
　　　　　　（0.033μF）Ｃ　　　　 Ｌ　Ｌ　　Ｒ(1MΩ)
　　　　　　　　　　　　｜　　　　　｜　｜　　｜
　　　　　　　　　　　TR_C―――´　｀――――――
　FG(矩形波)―TR_B　　
　3.3V－0V　　　　TR_E
　　100kHz　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　　　GND
上記のような回路を作りました。トランジスタのベース抵抗は4.7kΩ、ベースエミッタ間抵抗は2.2kΩです。コンデンサを入れると波形のノイズが減ったので採用しています。
質問(1)
バイポーラでスイッチングの場合、上記回路では入力側に並列に突入電流対策のダイオードを入れないと正常に動作しないものですか？

実際に測定したら、トランスの入力側両端には20mVくらいしか出ず、コレクタ端子にほぼ3.3Vが出ていました。トランス入力側のインダクタンスをＬＣＲメータで計ったら300mΩしかなかったので、コレクタ-エミッタ間のオン抵抗(４Ωくらい)との分圧によると考えています。

質問(2)こうなるとスイッチングにはオン抵抗の小さいＭＯＳＦＥＴしか無理だと考えられますが、回路設計次第ではバイポーラトランジスタでも可能なのでしょうか？

質問(3)
また、ＭＯＳＦＥＴにしても、高耐圧品はオン抵抗が数Ωにあがりますよね？　そうなるとこのトランスでは５０～１００Ｖへの昇圧は無理ということになるのでしょうか？＞＜

現在、自作の回路で試しつつ、LTSpiceやcircuitmaker2000などでシミュも試みていますが、なかなかうまくいかずに結論が出ません。

すみませんが回答よろしくお願いします。

回答No.8

KEN_2 · ベストアンサー

こんばんは。
私の知識の範疇で説明します。

以下回答します。
>表の中の条件文にIb=20mAとありますね。ここから読み取るのですね！
>★ただ気になったのは、「Fig.4　コレクタ・エミッタ間飽和電圧－コレクタ電流特性」というのがあり、Ic/Ibが20と10の場合がありますが、使い分ける方法ががわかりません。普通は表の条件で使用して、Fig4を参考にすることはしないのでしょうか？
　簡単に説明するために表の値を参照しました。＞・電気的特性 (Ta=25℃)
理論の理解できる方はFig4で回路に最適な値をみつけます。表のIb=20mAはポイントの代表値ですので、参考の目安にしかなりません。
Fig1からFig8の特性曲線から設計値を決定しますが、大まかな値は表から見付けます。
ただVce(sat)を追求してオーバードライブし過ぎるとターン・オフ時間が伸びますので、SW周波数とのバランスでベース駆動電流値を決定し過飽和にならない程度にします。

>せっかくなので最後にトランスについて追加で質問させてください。
>★使用しているトランスはギャップがあるタイプですが、電流が多く流れたと思われるときにすごく発熱しています。
>ギャップがあれば磁束飽和しない（鉄損はない）、という認識ですが、これは巻き線による単純な発熱（銅損）であると考えてよいのでしょうか？
　磁束飽和点が上昇するとの認識としてください。磁気飽和点からは鉄損が増加してトランスが発熱します。

>フライバックコンバータ（フライバックだとトランスはギャップが必要ですよね）でもヒステリシス曲線は閉じているのを見たことがあり、それを考えると磁束飽和領域は存在しているようにも思えますが。。
　その通りで磁束飽和します。ギヤップで磁気飽和点が拡大しますが限界があります。

>★トランスの前段には単純な交流電源＋抵抗素子を、後段には負荷として抵抗を設けた回路があるとします。この場合、交流→交流となり、トランス前段ではある一定の電流波形が出ることと思います。
>この状態で後段が短絡されて過電流が流れた場合、トランス前段には影響はあるのでしょうか？
　影響があります。
トランスの変換効率と銅損で決定される電圧降下と、二次側消費電力＋トランス損失で一次側の電流が増加します。
最悪のケースでは、トランスでの損失で発熱が増加して、絶縁劣化か発煙に至るのが常です。

＊簡単な説明で恐縮ですが、一冊の解説書でも説明し切れない世界ですので、CQ出版社の書籍が豊富な情報で入手可能ではないでしょうか。

お礼

素早く、しかも丁寧に回答いただきまして、本当にありがとうございました。助かりました。

補足

トランジスタについての説明ありがとうございました。

また、トランスについてもありがとうございます。
飽和点の上昇という説明はとてもわかりやすく、すぐに理解できました。

>＊簡単な説明で恐縮ですが、一冊の解説書でも説明し切れない世界ですので、CQ出版社の書籍が豊富な情報で入手可能ではないでしょうか。
実は３冊くらいすでに買ってます。。。
ただピンポイントの疑問が解消されませんので（私の基礎知識不足によると思いますが・・・）、このように解説いただけて非常に助かります。

回答No.7

KEN_2

返事が遅くなりました。
まずは動作した様でおめでとうございます。
>バイポーラだとうまくいきませんでしたが、オン抵抗0.1Ω以下のMOSFETに変えたらそれっぽい波形が出ました！
>
>バイポーラでうまく行かないのはやはり使い方が間違っているのでしょうか・・・？
　その様で、駆動電流不足です。

以下の質問に回答する前に基本的な事項を説明します。
バイポーラは電流駆動素子で、SW動作させるにはIbを必要な電流の2・3倍を流して飽和領域でのＶce(sat)を下げますが、TRのオン抵抗の考え方は存在しません。
MOS_FETの場合は電圧駆動素子で、駆動電流は必要としませんが、ゲート容量の充・放電のために低インピーダンスで駆動する必要があります。
　先の2SD1898の場合Ib；20mAを流してＶce(sat)；0.15Vです。
http://www.rohm.co.jp/products/databook/tr/pdf/2sd1898-j.pdf#search='2SD1898'
　MOS_FET（2SK3298）の場合、入力容量；1580pFとなっています。
http://www.necel.com/nesdis/image/D14059JJ1V0DS00.pdf
よって、TRのIbは、(3.3V-0.6V)/660Ω ＝ 4.1mA　← 完全に不足です。
MOS_FETの入力容量の影響は、T ＝ CR で1580＊10＾12 ＊660 ＝1.05μS 遅れます。
ただ、Vgs ＝ 10V で規定していますので、Vcc(Vdd)が3.3Vでは低過ぎます。

>★それとも、ちゃんと飽和領域でスイッチングしていれば分圧とか無視されるのでしょうか？？？
>ちなみに今は、Ｒb(ＲG)=660Ω、Ｒbe(ＲGS)=11kΩにしています。
その通りです。
Vcc；3.3Vであれば、Rbを200Ω以下にする必要があります。（TRの場合）
Vdd；3.3Vよりも、6Vから10V以上にすればオン抵抗は下がります。Rgは妥当な値です。
Vgが6V以上は必要でVGS = ±30 Vまでは印加できます。

>なお、インバータは片方だけ一段通して逆位相としてます。
実験ではよいですが、温度変化や安定性を考えると上下の素子を対称にドライブする必要があります。上下両方を同条件で駆動しないと同時オンが発生し、還流電流が流れて損失が発生し、最悪駆動素子が破壊・劣化します。

★スイッチングに使用する場合、バイポーラなら飽和領域、ＭＯＳならオン抵抗領域で動作点を取らなければならないという認識ですが、合ってますか？
その通りです。

>片側の巻き線のみの駆動であると、巻き線のアンバランスでSWエネルギーのロスが発生
>★具体的に知りたいです
低周波のトランスでは空き巻き線があっても影響が少なく無視できますが、高周波ではプッシュプル用の巻き線の場合密に巻き込んであるのでストレーＣとしての結合でのロスと、片側巻き線のみ利用の磁束密度半減とで、所期の性能の半分以下になります。

>よろしければ★印の箇所をご教授いただけると助かります。
簡単ではありますが、参考になれば幸いです。

お礼

>返事が遅くなりました。
>まずは動作した様でおめでとうございます。
ありがとうございます。
遅いなんてとんでもないです。
むしろ私のほうがレスが遅くて恐縮です。。

毎回丁寧なご回答をいただきましてありがとうございます。

補足

>先の2SD1898の場合Ib；20mAを流してＶce(sat)；0.15Vです。
表の中の条件文にIb=20mAとありますね。ここから読み取るのですね！
★ただ気になったのは、「Fig.4　コレクタ・エミッタ間飽和電圧－コレクタ電流特性」というのがあり、Ic/Ibが20と10の場合がありますが、使い分ける方法ががわかりません。普通は表の条件で使用して、Fig4を参考にすることはしないのでしょうか？

せっかくなので最後にトランスについて追加で質問させてください。
★使用しているトランスはギャップがあるタイプですが、電流が多く流れたと思われるときにすごく発熱しています。
ギャップがあれば磁束飽和しない（鉄損はない）、という認識ですが、これは巻き線による単純な発熱（銅損）であると考えてよいのでしょうか？
フライバックコンバータ（フライバックだとトランスはギャップが必要ですよね）でもヒステリシス曲線は閉じているのを見たことがあり、それを考えると磁束飽和領域は存在しているようにも思えますが。。

★トランスの前段には単純な交流電源＋抵抗素子を、後段には負荷として抵抗を設けた回路があるとします。この場合、交流→交流となり、トランス前段ではある一定の電流波形が出ることと思います。
この状態で後段が短絡されて過電流が流れた場合、トランス前段には影響はあるのでしょうか？
・・・わかりにくいですね。
要は、トランス前後では損失を除けばエネルギーは等しくなるわけですが、後段の電流が変化（大きくなる）した場合はどうなるのか？という疑問です。
前段のエネルギーは固定で、後段の電圧低下となるのか、
後段の電圧は固定で、前段（供給側）が引っ張られて前段でのエネルギーも大きくなり、前段の電圧もしくは電流が増えるのか？
言っていることが滅茶苦茶だったらすみません。

よろしくお願いします。

回答No.6

KEN_2

ANo.2,4 です。
今回のコイルの情報で様子がほぼ見えてきました。
最初の情報とから一次側7VＸ2、二次側50Vのトランスで、一次側片側の巻き線をSW駆動とのことですね。
多分、プッシュ・プル駆動で動作させるのを前提に巻き線が巻き込まれていると考えられます。
片側の巻き線のみの駆動であると、巻き線のアンバランスでSWエネルギーのロスが発生して、出力に目的の電圧が発生しない可能性大です。
プッシュ・プル駆動で試してみませんか？多分今度は一発で動作するはずです。
上下をMOSかTRを逆位相っで駆動するために、インバータICで逆位相の駆動信号を加えれば動作します。
　注意点は、
１．二次側50Vで設計されたトランスなので、100V出力常用は絶縁耐圧的に無理があります。
　様子を見ながら電圧を上昇させてください。
２．インバータICの組方は、C-MOSICを使い一段目の出力をニ分岐して二段と一段を通せば180度逆のパルスが得られます。

最初の質問に回答します。
１．突入電流は発生しませんので、対策のダイオードを入れる必要はありません。
２．適切な設計であれば、バイポーラトランジスタでも可能です。
３．一次側が20V程度以下なら、Ｘ3倍の60Vから80V耐圧のTRで使用できます。
＊問題の核心を見極めて次のステップを踏み出す見極めが必要です。

お礼

丁寧な説明ありがとうございます。

補足

プッシュプルやってみました。
バイポーラだとうまくいきませんでしたが、オン抵抗0.1Ω以下のMOSFETに変えたらそれっぽい波形が出ました！

バイポーラでうまく行かないのはやはり使い方が間違っているのでしょうか・・・？
個人的にはオン抵抗の影響かなと判断しているのですが。
つまり、入力電圧→GNDまでにコイルとTRしかないので、そこのインピーダンス比で分圧になってしまい、コイルのインピーダンスより小さくなければコイル両端には小さな電圧しか出ない、
飽和領域ではＶce(sat)となるはずが、分圧によりそうならない、のかなと。
★それとも、ちゃんと飽和領域でスイッチングしていれば分圧とか無視されるのでしょうか？？？
ちなみに今は、Ｒb(ＲG)=660Ω、Ｒbe(ＲGS)=11kΩにしています。

なお、インバータは片方だけ一段通して逆位相としてます。

★スイッチングに使用する場合、バイポーラなら飽和領域、ＭＯＳならオン抵抗領域で動作点を取らなければならないという認識ですが、合ってますか？

>片側の巻き線のみの駆動であると、巻き線のアンバランスでSWエネルギーのロスが発生
★具体的に知りたいです。

よろしければ★印の箇所をご教授いただけると助かります。
よろしくお願い致します。

回答No.5

anachrockt

これは共振型コンバータですが，負荷の整流回路を抵抗に変えれば，解析方法の参考になるでしょう．
http://www.onsemi.jp/pub_link/Collateral/AND8311-D.PDF

バラスト（蛍光灯インバータ）にも使えるし．
http://www.onsemi.jp/pub_link/Collateral/AND8244-D.PDF

スパイスシミュレーションの説明もあります．
http://www.onsemi.jp/pub_link/Collateral/AND8255-D.PDF

シミュレーションにはトランスのモデリングが必要ですが，トランス知らないと難しいでしょう．

お礼

別件で手が離せず、ずいぶんと日が空いてしまいました。なかなか回答できずに申し訳ありませんでした。
ご回答、アドバイスありがとうございます。助かります。
紹介いただいたオンセミの資料はかなり詳しいものですね。共振型インバータについても知見を増やして参考にしたいと思いました。
トランスのモデリング、とくに解説してくれているサイトもなく、難しそうですね。少なくともcircuitmaker2000では無理そうなので、TSpiceで試してみます。

回答No.4

KEN_2

ANo.2 です。
前回の補足情報で少し様子が見えました。
トランスの外形寸法で、数10mW程度の負荷しか取らないAC100V出力ですね。
（数10WのDC/ACインバータを連想してしまいました。）
他励式で小出力のインバータなら比較的に簡単に動作させることができます。
今分かる範囲で書き出すと、SW動作がトランスを駆動していないことです。

>トランスの入力側両端には20mVくらいしか出ず、コレクタ端子にほぼ3.3Vが出ていました。
これから言えることは、TRが正常にONしていないのです。
今分かっていることはトランスの実測値ですので、以下の確認をしてください。
1.FGのGND側接続はTRのGNDと確実に接続されていますね。
2.DC3.3VもGNDと接続されていますね。
3.念のためにGNDとトランスDC3.3V間に1μF程度（耐圧15V以上）のコンデンサを接続してください。　←　ひょっとすると変化があるかも？？
4.トランスの情報で型名と仕様のURL情報をお知らせください。
（トランスの仕様が不明では核心の検討ができません。）

以下は先の情報からTRの資料の検討に必要な情報です。
2.トランジスタ→　2SD1898です　PC：0.3W　hfe；120から270
http://www.rohm.co.jp/products/databook/tr/pdf/2sd1898-j.pdf#search='2SD1898'
MOSFET（2SK3298）　Pr1；2.0W　Rds＝0.75Ω MAX
http://www.necel.com/nesdis/image/D14059JJ1V0DS00.pdf#search='2SK3298'

お礼

別件で手が離せず、ずいぶんと日が空いてしまいました。なかなか回答できずに申し訳ありませんでした。
ご回答、アドバイスありがとうございます。助かります。

補足

適確な表現ができておらず申し訳ないのですが、「出力がでない」というのは電圧レベルで十分な振幅が出ないという意味あいです。スイッチングしているような波形（100kHzで上下に振れている）はでています。回路シミュレーションでも同様の結果でした。
ただ、ちゃんとスイッチングしていればコレクタ-GND間の電位はＶCE(SAT)とＶinの矩形波になるはずなので、仰るとおりスイッチングに問題があるのかもしれないと考えています。ただ、トランジスタの飽和領域で動作するような定数設定にはしてあるつもりなのですが。。
質問に回答します。
1,2：GNDはＦＧや電圧源と回路ボードで接続されています。ＴＲのGNDとも接続されています。
3：こちらも実は0.1μと10μをパスコンに入れていました。1μのセラコン1個に変えてみましたが、残念ながら効果はありませんでした。
4.トランスですが、メーカーから回答がきましたが、カスタム品のサンプルをコネでもらったものらしく、型番は不明でした。
・コアはフェライトNi系
・ポッド-ドラム型でギャップあり
・入力が7[Ｖ]-0.5[Ａ]、出力が50[Ｖ]-50m[Ａ]を想定
・フライバック式
ということでした。

ちなみに、２入力を直結させて１入力として試したところ、前段で２Ｖ、後段で７Ｖというそれらしい波形が観測できました。
使用しない片方の入力側こういるがあると悪さをしてしまう可能性もでてきました。

回答No.3

anachrockt

以前蛍光灯インバータを作ったときに専門家に聞いた話を紹介します．

1石の回路の動作原理は，LC発振器と同じだそうですから，教科書も読むとエエでしょう．
外部から矩形波で駆動すると，コイルの電流は徐昇しますが，コンデンサには回路の抵抗で決まる大電流が流れ，トランジスタが過電流で壊れます．
トランジスタを壊さないためには，オンさせるときにVCEを0Vにしておけばよいんで，その条件を求めることが必要です．
求め方は，トランジスタがオンしたときとオフしたときの2つの状態で等価回路を書き，微分方程式を立ててVCEが0Vになる条件を求めます．
そうなるとピンポイントの条件が求まりますが，素子変動もあるんでVCE≦0Vとし，トランジスタのCE間に逆電圧が加わらないようにダイオードを並列接続します（ダンパーダイオード）．
そうすると，再度微分方程式を立てて解く必要がありますが，面倒ですからシミュレーションして求めます．

2石の方が簡単で，電源電圧が低いときはこのような電圧共振を採用します．
http://www.tlm.co.jp/web/gijyutu/Pencil18.PDF
ダンパーダイオードも入ってますね．

電源電圧が高いときはこのような電流共振を採用します．
http://www.st.com/stonline/products/literature/an/4690.pdf
ダンパーダイオードはMOSFETのボディダイオードで代用してます．
トランスはランプのところに入れて昇圧するとエエでしょう．

書き込みを読むとコイルとトランスについての基礎知識が不足しているようですから，本気で作るつもりならDIXON先生のWebセミナーを受講した方がエエですよ．

お礼

いまだに出力が得られず、困ったもんです。。
セミナーはぜひ受けてみたいと思います。
ご回答ありがとうございます。

補足

インバータはほぼすべてがコレクタ共振回路の改良版というのを見たことがありますが、コレクタ共振回路はいまだに理解できないままです。

リセット回路というか、対地間のダイオードやMOSFETのボディダイオードの方法は、ネットや購入した電源設計の本で載っていたので知っていましたが、微分方程式の話は知りませんでした。とても参考になります。

コイルやトランスについては、ネットで調べたり本で調べたりしてますが、電気の基礎がなっていないのと、得たそれぞれの知識が１つに繋がっていないように感じます。もっと勉強しないといかんですね＞＜

回答No.2

KEN_2

この回路では動作しません。
途中のトラブル対応の認識にも誤りがあります。

質問(1)、（2）、（3）に回答するには認識の問題がありますので、スキルUPしてからの課題として現実の解決策を指導させていただきます。

以下は認識に誤まりがあります。
>コンデンサを入れると波形のノイズが減ったので採用しています。
ノイズに見えるでしょうが、コンバータが100KHzで動作仕掛かっている状態の波形のはずです。
『（0.033μF）Ｃ』は入れる必要はありません。0.01μFでも負荷になります。
当座は採用するコンデンサの容量を減らして0.0047μF以下にしてください。
>DC5V～24Vを100kHzくらいでスイッチングさせて、トランス出力でAC100Ｖ（100kHz）を作ることです。
普通に回路を設計しても20Kから40KHzが限度で、回路構成を吟味しトランスを検討した上で設計しても60KHzから80KHz付近で限界となります。
まず、20KHz程度を目標にチャレンジしませんか？
>実際に測定したら、トランスの入力側両端には20mVくらいしか出ず、コレクタ端子にほぼ3.3Vが出ていました。トランス入力側のインダクタンスをＬＣＲメータで計ったら300mΩしかなかったので、コレクタ-エミッタ間のオン抵抗(４Ωくらい)との分圧によると考えています。
トランジスタの動作認識が今一歩です。
>トランジスタのベース抵抗は4.7kΩ、ベースエミッタ間抵抗は2.2kΩです。
1.ベース抵抗は4.7kΩは270Ωから470Ω程度にしましょう。駆動電流不足です。
2.FGの周波数を10KHz程度で動作するところ迄いきましょう。
＊次のステップはAC100Vを出力し、負荷電力を取り出せる駆動回路の検討となります。

＊先の質問は内容を確認されましたら『質問を締め切る』をしてください。マルチポストとなります。
質問を締め切る
http://oshiete.goo.ne.jp/ask/guide/question/close.html

お礼

ご回答、およびマルチポストの指摘、ありがとうございました。

補足

>コンデンサを入れると波形のノイズが減った
100kHzの波形の上に乗っていたノイズが減ったんです。ただ、再度試したら、仰るとおりコンデンサがあってもなくても変わりませんでした。
。
>周波数
それが、50～100kHz用のトランスなんです。ネットでは数百kHzまで対応しているトランスがありますが、私の上記回路のような単純な直流スイッチングの方式では80kHzが限界ということでしょうか？

MOSFET（2SK3298）に変えて試してみましたが、やはり入力側のコイル両端にはほとんど電圧がかかっていない状態です。
このときはゲート抵抗30Ω、ＦＧから10Vp-pの矩形波を入力して、駆動電流0.3Aを狙って実験しました。こちらは放熱板はなしです。←ヒートシンク付の素子なのに放熱板なし、ってのがありえないですかね？

んー、手元にあるトランスありきで電源回路を作るのはやはり難しいでしょうか。。

回答No.1

fjnobu

回路上は動作するはずです。先ず１次側のコンデンサーは０．０５μＦで共振します。共振すると１次側のトランジスタのＰＣが大きくて、耐電圧が高ければ２次側には高電圧が出ます。
電圧測定は、オシロスコープでの測定ですか？オシロスコープ出なければ測定はできません。
入力側に突入電流は起こらないので、ダイオードは不要です。

お礼

測定はオシロで行っています。
ダイオードは不要ですか。自分の周辺でも必要論と不要論があります。

参考になりました。
すばやいご回答ありがとうございます。