[論文レビュー] A High Frequency Active Clamp Forward Converter with Coreless Transformer

Reza Asrar Ghaderloo, Ali Parsa Sirat+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2023

Advanced DC-DC Converters被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ゼロ電圧スイッチング（ZVS）を実現し、コア損失を排除するためにコアレスのプリント回路基板（PCB）ベースのトランスフォーマーを用いた、高周波（2 MHz）、低消費電力（10W未満）の絶縁型アクティブクラampedフォワードコンバータを提案する。アクティブクランプ回路とコアレストランスフォーマーを統合することにより、高周波でスイッチング損失を低減し、パッシブ素子を最小限に抑えることで、高い効率とコンactなサイズを実現する。

ABSTRACT

In this paper, a highly compact, low power (<10W), high frequency (2 MHz) isolated active clamp forward converter, comprising a coreless Printed Circuit Board-based transformer is proposed. To decrease the size of converter, high switching frequency is considered which lead to decrease in inductor, capacitor and transformer size. Highly switch loss due to hard switching is an important constraint of forward topology to increase frequency. In this paper, the active clamp circuit is added to forward topology to achieve zero voltage switching and decrease switching loss drastically. Due to zero voltage switching, the proposed converter can operate in high frequency. The principle of active clamp forward converter is described in this paper. Another constraint to increase the switching frequency of forward converter is transformer core losses. In this paper, coreless PCB-based transformer is proposed and implemented to be utilized in the structure of the active clamp forward converter. Instead of classic core-based transformer, using a PCB-based transformer as the power transmitter has increased the efficiency due to elimination of core hysteresis loss. The equivalent circuit, transfer function and input impedance of PCB-based coreless transformer are presented in high frequency. Finally, an experimental prototype of the active clamp forward converter which uses a coreless transformer is implemented. The experimental results of proposed converter are presented to evaluate the theoretical analysis and performance.

研究の動機と目的

• ハードスイッチングに起因する高周波フォワードコンバータにおける高いスイッチング損失の課題に対処する。
• 高周波で発生する従来のトランスフォーマーのコア損失を、磁気コアを排除することで克服する。
• 高周波動作に適した、コンパクトで低消費電力（10W未満）の絶縁型コンバータを開発する。
• アクティブクランプ回路を用いてフォワードトポロジでゼロ電圧スイッチング（ZVS）を実現し、スイッチングストレスを低減する。
• 高周波電力伝送に適した、コアレスPCBベースのトランスフォーマーの設計と検証を行う。

提案手法

• 2 MHzでゼロ電圧スイッチング（ZVS）を達成するために、アクティブクランプ回路をフォワードコンバータトポロジに統合する。
• 従来のコア付きトランスフォーマーの代わりに、コアレスのPCBベースのトランスフォーマーを採用し、コアヒステリシス損失およびエディシリーフォール損失を排除する。
• 高周波におけるコアレスPCBトランスフォーマーの等価回路、伝達関数、入力インピーダンスをモデル化する。
• 高周波動作（2 MHz）を用いることで、パッシブ素子（インダクタ、コンデンサ、トランスフォーマー）のサイズを最小限に抑える。
• 理論的解析と実環境下での性能を検証するため、実験的プロトタイプを実装する。
• コアレストランスフォーマーの等価回路モデルと周波数領域解析を用いて、コンバータの性能を分析および最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高周波フォワードコンバータでゼロ電圧スイッチング（ZVS）を効果的に達成する方法は何か？ これによりスイッチング損失をどのように低減できるか？
• RQ2 2 MHz動作下で、トランスフォーマーの磁気コアを排除することで、どの程度効率が向上するか？
• RQ3 高周波下におけるコアレスPCBベースのトランスフォーマーの等価回路パラメータおよび入力インピーダンス特性は何か？
• RQ4 アクティブクランプとコアレストランスフォーマーの組み合わせが、コンパクトで低消費電力（10W未満）のコンバータ設計をどのように可能にするか？
• RQ5 実験的検証において、提案されたコンバータの達成可能な効率と性能は何か？

主な発見

• アクティブクランプ回路により、プライマリスイッチでゼロ電圧スイッチング（ZVS）が成功裏に実現され、2 MHzでのスイッチング損失が顕著に低減した。
• コアレスPCBベースのトランスフォーマーによりコア損失が完全に排除され、従来のコア付きトランスフォーマーと比較して全体の効率が向上した。
• 実験的プロトタイプは、スイッチング損失の低減とヒステリシス損失およびエディシリーフォール損失の不在により、高い効率を達成した。
• 高周波動作（2 MHz）の活用により、パッシブ素子のサイズが顕著に縮小され、極めてコンパクトなコンバータ設計が実現した。
• コアレストランスフォーマーの等価回路モデルは、高周波下での入力インピーダンスおよび伝達特性を正確に予測できた。
• 実験結果は理論的解析を裏付け、フルロード条件下でも安定した動作と効果的なZVSを示した。