DC/DCコンバータのハッキング方法

RECOMのRxxPxxシリーズのコンバータは、6.4kVDCの基本絶縁（動作電圧AC250V）、工業用動作温度範囲、低い絶縁容量を持っており、特に高電圧絶縁ゲートドライバ回路への電源供給に適しています。


重要: 電子部品が意図された動作範囲外で使用された場合、その保証は無効となります。以下の解決策を使用する場合は、事前にメーカーに連絡し、了解を得てください。

例えば、SiCトランジスタのアプリケーションで、スイッチング損失を抑えて最適な性能を得るために、正のゲート駆動電圧を約+15V、負のゲート駆動電圧を約-4V必要とするとする（図1）。

しかし、この非対称出力電圧の組合せの絶縁型DC/DCコンバータは標準品として存在しないことがメーカーのデータシートから分かりました。どうしたらいいでしょうか？

ハッキング♯1: 規格外の入力電圧を使用する

低消費電力の無調整型DC/DCコンバータは、全負荷で測定した場合、一般的に出力/入力電圧の変動比率がVinの1.2%/1%になります。つまり、入力電圧が公称値より10%上下すると、出力電圧は約12%上下するため、入力電圧の変動が増幅されることになります。電圧比は負荷が小さくなると直線的に改善されるので、50％負荷ではVinの1.1％/1％程度、最小負荷ではほぼ同等（1％/1％）となります。異なるメーカーのデータシート間で比較できるように、エレクトロニクス業界では、無調整型コンバータのラインレギュレーション仕様を、供給電圧の標準的な±10％変動以上に統一しています。しかし、入力電圧がこの範囲外に設定された場合はどうなるのでしょうか？

答は、コンバータはまだ機能するが、性能パラメータはもはやデータシートの仕様で保証されないということです。入力電圧が低すぎたり高すぎたりすると、出力電圧も低すぎたり高すぎたりして仕様外となりますが、特定の状況下では非常に有用な場合があります。以下の画像（図2）と試験結果（表1）は、RECOMのR-REF01-HB評価ボードを用いてSiC MOSFETを1MHzのPWMスイッチング信号で駆動したときの回路電圧の測定値です。





このハッキングからわかるように、入力電圧を公称値（9.6V）より20％低く設定すると、入力電圧がデータシートの仕様外であるにもかかわらず、望ましい非標準出力電圧になるのです。

このハッキングでどこまでできるのか？まあ、見てみましょう。



反対側では:



入力電圧がデータシートに記載されている±10%の範囲を大きく外れても、コンバータが突然機能しなくなることはないことが分かります。

注意: コンバータを規定の入力電圧範囲外で動作させると、内部ストレスが増加し、データシートに記載されている効率、出力リップル、動作温度範囲など他の仕様が満たされない場合があります。入力電圧が非常に低い場合、入力電流の増加により一次側部品が過熱する可能性があります。入力電圧が高すぎる場合、内蔵コンデンサやトランジスタの定格電圧を超えてしまう可能性があります。いずれの場合も、周囲温度や負荷の変化により出力電圧が大きく変動する可能性がありますので、注意してご使用下さい。

非標準の+15V/-4Vの非対称出力電圧の組み合わせを生成する問題をより確実に解決するためには、セミレギュレータ回路を使用する必要があります。

ハッキング♯2: 1出力のみを調整する

RxxP21509Dのような公称出力が+15/-9Vの非対称出力型DC/DCコンバータを使用すると、一方の出力電圧が適正であれば、もう一方の出力電圧を容易にポストレギュレートして目的の出力電圧に下げることが可能です。絶縁型ゲートドライバ電源の例では、ネガティブレール出力電流はポジティブレール電流より小さいので、ツェナーダイオードと汎用NPNバイポーラ・トランジスタ・レギュレータ・ソリューションを使用できます(図3)。

このソリューションの利点は、DC/DCコンバータがデータシートの仕様範囲内で動作しているため、-40℃～+85℃の工業用周囲温度の全範囲でディレーティングなしに動作するなど、性能と保証の両方に悪影響を与えないということです。

さらに、ネガティブレールはレギュレートされ、負荷や入力電圧の変動に関係なく固定されたままであり、異なるツェナーダイオード電圧を選択することで、範囲内の任意の電圧に設定することができるようになりました。ネガティブレールよりもポジティブレールの方が重要な場合は、同じ手法でレギュレートすることができます。（ハッキング#3参照）。

このハッキングの欠点は、レギュレートされたレール電流がトランジスタの電力損失によって制限されることです。この例では、NPNトランジスタは約5Vを落とす必要があり、最大で-100mAの平均負荷電流に制限されます（注：ピーク時のゲート充放電電流は出力コンデンサから供給されるので、ここでは平均電流ドレインのみを考慮する必要があります）。

過度の放熱を避け、より大きな出力電流が必要な場合は、積層型コンバータが適しています。

ハッキング♯3: 積層型コンバータ

ゲートドライバにかかる平均電力は、ゲート駆動電圧の振幅、トランジスタのゲート電荷、スイッチング周波数に依存し、以下の式で求めることができます。

そのため、より高い周波数でスイッチングする場合や、並列化したゲートを駆動して出力電流を増やす場合などには、より大きなゲート駆動電力が必要になります。ただし、この例ではゲート駆動電圧が非対称（+15V/-4V）であるため、Vgateの正振幅の方が負振幅よりも大きな電力が必要です。消費電力が1つの絶縁型DC/DCコンバータの能力を超える場合、2つの異なる積層型コンバータを使用することができます（図4）。次のハッキングは、+16V@2Wと-5V@0.7Wを供給します。

デュアル出力DC/DCコンバータR12P209Dはコモンピン接続せずに使用し、18V/222mAの無調整電源を生成しています。これはツェナーとNPNトランジスタの組み合わせにより、+16VのVDDレールまでレギュレートされます。NPNは2倍の電流が流れますが、半分の電圧しか落とさないので、トランジスタの電力損失はハッキング#2とほぼ同じになります。

さらに、ゲートドライバ非絶縁一次側の5Vリニアレギュレータを、最大500mAで5Vを供給できる低コストのR-78Eスイッチングレギュレータモジュールに交換しました。これにより、ゲートドライバ1次側と絶縁型-5V出力レールに使用するR05P05S DC/DCコンバータの両方に電源を供給し、12V電源電圧の変動はすべてネガティブレールにレギュレートされることになります。安定化電源から無調整型DC/DCコンバータを動作させることで、システム全体のパフォーマンスが向上し、カスケードコンバータの使用という次のハッキングアイデアの基礎になります。

ハッキングその4: カスケード接続されたコンバーター

ハッキング#1にあるように、無調整型DC/DCコンバータの出力電圧は、入力電圧を調整することで微調整することができます。もし、出力調整可能な絶縁型非対称ゲートドライバ電圧が必要なら、低価格の非絶縁型調整済みDC/DCモジュールを追加すれば、ゲート電圧値の広い範囲に設定可能なゲートドライバ回路を作ることができます。このハッキングは、どの正負の駆動電圧の組み合わせが最も低損失で高性能なのかをテスト・確認するのに有効です。その後、固定電圧のトリミング抵抗を実装することで、最適な出力電圧の組み合わせを設定することができます。

RPX-1.0は、出力電圧の調整範囲が0.8～30Vと非常に広く、連続出力電流も1Aと非常に優れているため、特にローコストな表面実装型DC/DCモジュールとして重宝されています。出力電圧は2つの抵抗でプリセットできますが、このハッキングのようにトリマー抵抗で変更することもできます。

すべてのハッキングに言えることですが、「愚かな策でもうまくいくなら、それは愚かではない」というモットーがあっても、本来の用途以外で使用することは、細心の注意が必要です。

疑問点がある場合は、RECOMテクニカルサポートにお問い合わせください。ソリューションをテストし、お客様の特定のアプリケーションへの適合性についてアドバイスいたします。大量生産用に、ご希望の入力電圧と出力電圧の組み合わせた製品保証付きのセミカスタムコンバータも提供しています。

この記事は2部構成の第1部で、第2部は「AC/DCコンバータのハッキング方法」です。

Steve Roberts, イノベーションマネージャー, RECOM