電源アプリケーションのトランス巻数比を計算する方法

トランスの巻数比は、一次巻線と二次巻線の間の電圧関係を決定するために使用される基本的なパラメータです。ただし、電源アプリケーションの場合、正しい巻線比を計算するには、単に入力電圧を出力電圧で割るだけでは不十分です。

従来の変圧器では、電圧比は巻線の巻数比に直接関係します。スイッチング電源では、最終的なトランスの設計は、コンバータのトポロジ、スイッチング周波数、デューティ サイクル、波形、整流方法、磁気コア、および動作電圧範囲にも依存します。

高周波トランスやスイッチング電源トランスを扱うエンジニアや OEM バイヤーは、これらの関係を理解することで、トランスの選択とカスタム開発をより効率的に行うことができます。

1. トランスの巻数比とは何ですか?

トランスの巻数比は、一次巻線の巻数と二次巻線の巻数の関係を表します。

理想的な変圧器の場合:

Vp / Vs=Np / Ns

どこ：

Vp=一次電圧

対=二次電圧

Np=プライマリ ターン

Ns=二次ターン

たとえば、一次電圧が 400 V で、必要な二次電圧が 40 V の場合、次のようになります。

400 / 40 = 10

したがって、基本的な一次巻数と二次巻数の比率は次のようになります。--

Np : Ns=10 : 1

この計算により、基本的な電圧関係が得られます。それ自体は、実際の電源トランスの最終巻線設計を決定するものではありません。

2. 基本的な巻数比の計算方法

最も単純な計算は、一次電圧と二次電圧に基づいています。

巻数比=一次電圧 / 二次電圧

たとえば、次のような変圧器を考えてみましょう。

一次電圧：240V

二次電圧：24V

基本的な巻数比は次のとおりです。

240 / 24 = 10

したがって：

Np : Ns=10 : 1

一次巻線の巻き数が 200 の場合、理論上の二次巻線には次のものが含まれます。

200 / 10=20ターン

これは理想的な変圧器の計算として適切です。

実際の変圧器の場合、メーカーは損失、動作条件、磁束、巻線電流、および特定の電源回路をさらに評価する必要があります。

3. スイッチング電源の一次巻数と-二次巻数比

スイッチング電源変圧器は、従来の主周波数変圧器とは動作が異なります。{0}

変圧器は通常、半導体スイッチング回路によって生成されるスイッチング波形によって駆動されます。したがって、一次巻線に印加される電圧は、電源トポロジーとスイッチング条件によって異なります。

一般的なトポロジには次のものがあります。

フライバック

フォワード

プッシュ-

ハーフブリッジ-

フルブリッジ-

これらのトポロジではエネルギーの伝達方法が異なるため、入力電圧、出力電圧、デューティ サイクル、トランスの巻数比の関係も異なります。

このため、次の計算が行われます。

入力電圧 / 出力電圧

すべてのスイッチング電源の最終的な設計方程式ではなく、出発点として扱う必要があります。

4. デューティサイクルが巻数比に影響を与える理由

多くの PWM 電源では、出力電圧はスイッチング デューティ サイクルによって制御されます。

デューティ サイクルは、スイッチング回路が変圧器にエネルギーを供給する各スイッチング期間の割合を表します。

コンバータの関係を単純化すると、出力電圧を入力電圧、デューティ サイクル、および巻数比に関連付けることができます。

代表的な関係は次のように表現できます。

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

どこ：

Vout=出力電圧

Vin=関連するスイッチング-段入力電圧

D=デューティ サイクル

Ns/Np=二次-対-の巻数比

実際の方程式は、コンバータのトポロジーと回路構成によって異なります。

このため、変圧器メーカーは最終的な巻数比を決定する前に、電源トポロジを把握する必要があります。

5. 入力電圧範囲を考慮する必要があります

公称入力電圧のみを使用すると、不適切なトランス設計になる可能性があります。

たとえば、スイッチング電源は次のように動作します。

DC300～400V

1つの固定電圧ではなく。

トランスは、必要な出力電圧を維持し、過剰な磁束を回避しながら、この範囲にわたって正しく動作する必要があります。

カスタム トランスフォーマーを開発する場合は、以下を指定します。

最小入力電圧

公称入力電圧

最大入力電圧

最大デューティサイクル

スイッチング周波数

必要な出力電圧

出力電流

巻数比は、1 つの公称値ではなく、動作範囲全体に対して評価する必要があります。

6. 出力電圧はトランスの二次電圧と必ずしも等しくない

これは、トランスの巻数比の計算で最もよくある間違いの 1 つです。

電源に安定化された 12 V DC 出力が必要だとします。

トランスの二次巻線を単純に 12 V 用に設計する必要があるというわけではありません。

変圧器と最終 DC 出力の間に、回路には次のものが含まれる場合があります。

整流ダイオード

同期整流

出力インダクタ

コンデンサ

電圧調整回路

PCB導体

これらのコンポーネントは、負荷に供給される実際の電圧に影響を与えます。

したがって、トランスの二次電圧は完全な電源回路に従って決定する必要があります。

カスタム高周波トランスの場合、メーカーは最終 DC 出力電圧だけではなく、実際の二次側要件を受け取る必要があります。{0}}

7. 電圧降下は実際の巻数比に影響します

理想的な変圧器には電気損失がありません。本物のトランスはそうなります。

電圧降下は次のような原因で発生する可能性があります。

一次巻線抵抗

二次巻線抵抗

整流器の電圧降下

漏れインダクタンス

スイッチング-デバイスの損失

プリント基板耐性

その他のコンバータ損失

たとえば、負荷がかかっている状態で最終出力を 24 V に保つ必要がある場合、変圧器は回路の残りの部分での電圧損失を補償する二次電圧を提供する必要がある場合があります。

補償量は電源設計と負荷条件によって異なります。

したがって、実際の巻数比は、完全な電気経路を考慮した後に設定する必要があります。

8. 巻数比と磁気コアの設計

巻数比は巻線間の電圧関係を決定しますが、絶対的な巻数も磁気コアと互換性がある必要があります。

高周波トランスの場合、一次巻線は次の影響を受けます。

印加電圧

スイッチング周波数

最大デューティサイクル

コア断面積-

芯材

最大磁束密度

スイッチング波形

一次巻線が少なすぎると過剰な磁束が発生し、コアが飽和に向かう可能性があります。

巻き数が多すぎると、巻線の長さ、銅損、漏れインダクタンス、トランスのサイズが増加する可能性があります。

したがって、トランスの設計には次の両方が必要です。

正しい巻数比

そして

正しい絶対ターン数。

これらは関連していますが、同じ設計パラメータではありません。

9. 巻数比も現在の関係を決定します

トランスの巻数比は、電圧だけでなく電流にも関係します。

理想的な変圧器の場合:

Ip / は=Ns / Np

どこ：

Ip=一次電流

= は二次電流です

Np=プライマリ ターン

Ns=二次ターン

これは、電圧が降圧されると、一般に同じ伝送電力に対して二次側がより多くの電流を流すことを意味します。

これはトランスの巻線設計に直接影響します。

メーカーは、実際の電流に応じて適切な導体の寸法と巻線の配置を選択する必要があります。

高電流の二次巻線の場合、設計では次のことが必要になる場合があります。-

より大きな導体

複数の平行ワイヤ

適切な巻線層

特別な巻線配置

したがって、巻数比は、電力および電流の要件とともに常に考慮する必要があります。

10. 例: 電源の巻数比の計算

以下を備えた簡素化されたスイッチング電源を考えてみましょう。

DC入力：320V

必要な出力: 24 V

スイッチング トポロジ: ハーフブリッジ-

おおよそのデューティサイクル: 50%

単純な電圧比較では次のようになります。

320 / 24 = 13.33

ただし、ハーフブリッジ動作を考慮せずに、すぐに 13.33:1 の変圧器比を指定するのは誤りです。-。

変圧器の一次側に実際に印加される電圧、デューティ サイクル、整流方法、電圧損失、および調整範囲はすべて、最終設計に影響します。

したがって、変圧器メーカーは完全な電源仕様を使用して次のことを決定します。

適切なコア

プライマリーターン

二次ターン

巻数比

電線サイズ

巻線配置

絶縁構造

予想される気温上昇

このため、カスタム トランスの開発は、実際のコンバータの設計と同時に実行する必要があります。

11. トランスの巻数比の計算でよくある間違い

間違い 1: 最終的な比率として入力電圧 ÷ 出力電圧を使用する

これは理想的な出発点として機能しますが、多くのスイッチング電源アプリケーションには十分ではありません。

間違い 2: コンバータ トポロジを無視する

フライバック、フォワード、ハーフブリッジ、-フルブリッジ コンバータには、異なる電圧とエネルギー伝達関係があります。-

間違い 3: デューティ サイクルを無視する

PWM 制御は、変圧器を介して供給される実効電圧とエネルギーを変更します。

間違い 4: DC 出力と二次電圧を混同する

最終的に調整された DC 電圧は、整流やその他の回路損失により、必要な変圧器の 2 次電圧と異なる場合があります。

間違い 5: コア磁束をチェックせずに巻数比を選択する

一次巻線の絶対数が低すぎる場合、電圧比が正しくても磁束密度が過剰になる可能性があります。

間違い 6: 巻線電流を無視する

巻線導体は、電源によって生成される実際の RMS 電流とピーク電流を処理できなければなりません。

12. カスタム変圧器メーカーにはどのような情報を提供する必要がありますか?

電源用のカスタム変圧器をリクエストする場合、完全な技術情報を提供すると、メーカーが設計を正しく評価するのに役立ちます。

OEM プロジェクトの場合、これらのパラメータは、高周波トランス メーカーに、不完全な電圧仕様に依存するのではなく、磁気および巻線の設計を評価するのに十分な情報を提供します。

13. 変圧器メーカーと協力する必要があるのはどのような場合ですか?

標準変圧器は、電圧、電力、周波数、寸法、取り付け要件が既存の設計とすでに一致している場合に適しています。

ただし、OEM 機器の場合は、実際の電源に合わせて変圧器をカスタマイズする必要がある場合があります。

カスタム変圧器メーカーは以下を評価できます。

磁気コアの選択

一次ターンと二次ターン

巻線構造

ワイヤーの選択

絶縁

漏れインダクタンス

温度上昇

機械的寸法

生産実現可能性

これは、トランスが特定の PCB に適合する必要がある場合、または定義された効率と温度範囲内で動作する必要がある場合に特に重要です。

結論

変圧器の巻数比の計算は、一次電圧と二次電圧の関係から始まります。

Vp / Vs=Np / Ns

しかし、この理想的な関係は、実用的な電源トランスの出発点にすぎません。

スイッチングアプリケーションの場合、最終設計ではコンバータのトポロジ、デューティサイクル、入力電圧範囲、整流、電圧損失、スイッチング周波数、磁気コア、磁束密度、巻線電流、熱条件も考慮する必要があります。

高周波トランスの場合、正しい巻数比と絶対巻数を同時に開発する必要があります。適切な設計では、磁束、巻線損失、温度上昇、全体の寸法をアプリケーション要件内に保ちながら、必要な電圧変換を提供する必要があります。

OEM およびカスタム電源プロジェクトの場合、完全な電気的および機械的仕様を変圧器メーカーに提供することが、適切な一次巻線および二次巻線の設計を決定する最も信頼できる方法です。

重要なポイント

トランスの巻数比を計算するときは、常に次の点を考慮してください。

• 一次および二次電圧
• 入力電圧範囲
• コンバータトポロジー
• デューティサイクル
• スイッチング周波数
• 矯正方法
• 電圧降下と回路損失
• 磁心と磁束密度
• 一次電流と二次電流
• 断熱性と熱的要件

巻数比によって基本的な電圧関係が確立されますが、コンポーネントが実際に電源内で確実に動作するかどうかは、完全なトランス設計によって決まります。