DC/DCコンバータの設計に役立つ平面トランス。

平面トランスとトロイダルトランス: その違いは？

トランスは、あらゆるDC/DCコンバータ設計 の中核をなすもので、全体の性能を決定する上で最も重要な部品です。

従来、トランスやインダクタは巻線部品でした。量産されている 低消費電力DC/DC コンバーターの多くは、手巻きのトロイダルトランスを使用しています。直径6mm、穴3mmという小さなコアに、最大6個の別々の巻線を必要とするトランスの自動製造プロセスを開発することは非常に困難です。RECOMのようなメーカーは、このような小さなトロイダルトランスを製造するための自動巻線機を開発していますが、このようなソリューションは非常に困難です。

平面磁気は1980年代から存在していましたが、当初は製造プロセスが非常に高価であったため、平面トランスの特殊な用途以外での市場浸透は限定的でした。しかし、製造技術の進歩に伴い、平面トランスのコストが下がり、新しいアプリケーションの開発が可能になりました。

平面トランスの構造と設計

平面トランスやインダクタは、図1に示すように、多層プリント基板（PCB）の銅層を使って巻線を形成し、フェライトコアが巻線を囲んでいます。必要な巻数を作るために、1つのPCB層から次の層への接続に隠しビアが使用されています。複数のビアを並列に接続することで十分な電流を流すことができ、小型の電源トランスとして使用することができます。

図2は、隠しビアで接続された2つの層を積み重ねることで、6ターン巻きを形成する方法を示しています。この配置により、巻線の両端がフェライトコアの外側に上手く配置されていることがお分かりいただけるでしょう。1次巻線と2次巻線は、通常、リーケージインダクタンスを低減するためにインターリーブされています。プリント基板を使用することで、機械的に安定した巻線構造が得られ、高い一貫性があり、自動生産に適しています。さらに、多層プリント基板構造の進歩により、巻線間のエポキシ絶縁は、1次回路と2次回路の間の高い絶縁電圧に耐えることができます。

平面設計は、設計チームと製造チームにいくつかの課題をもたらします。多層プリント基板に複数のトレースを敷設するのが難しいため、平面トランスは複雑なトランスを必要としないDC/DCコンバータのトポロジーに最も適しています（ハーフブリッジトポロジーは一般的な選択です）。

しかし、実用上、コスト上、積層数に限界があるため、平面磁器では、高周波のPWM変調器や駆動回路を用いて、巻数や積層数を減らしています。この高周波が引き起こす最大の問題が表皮効果です。電荷キャリアは周波数が高くなるにつれて導体の表面にどんどん移動し、有効断面積が減少してI2R損失が増加します。導体の平面（長方形）デザインは、この表皮効果を相殺することができます。

多層構造はカップリング容量が大きく、高周波のPWM制御を複雑にしています。平面トランスと関連する従来の回路との結合は、終端損失を避けるために慎重に管理する必要があります。コアギャップと層状巻線が近接しているため、渦電流損失が大きく、また巻数の比率が異なるため、入出力の組み合わせごとに別のPCBを設計してテストする必要があります。

これらの問題を解決すると、平面技術により、大電力を伝送できる極めて平坦なトランスを作ることができ、DC/DCコンバータの高さを非常に低くすることができます。図1の100Wコンバータのパッケージの高さは、わずか11mm（0.4インチ）です！

その他、平面設計の利点として、巻線の放熱性の向上、高密度設計、低リークインダクタンス、高電力密度化などが挙げられます。

平面トランスは、より低い電力レベルへ

このような利点から、平面トランスはハイパワーDC/DCコンバータ技術に欠かせない部品となっていますが、RECOMは現在、よりワット数の低い小型コンバータに平面技術を組み込んでいます。

図 3 に RS12-Z レギュレーテッド DC/DC シリーズの外形と内部構造を示します。本製品は、スルーホール、埋設ビア、ブラインドビアを備えた多層プリント基板を使用し、業界最高レベルの12W部品を非常にコンパクトなSIPパッケージに収め、競合するSIP8製品に比べ150%の電力密度改善を実現しています。

これらのレギュレート設計では、トランスの1次側と2次側の両方に集積回路を組み込んでいます。2次側のICは広入力、プッシュプルトランスドライバです。出力側（2次側）には、正確な負荷レギュレーションのための同期降圧ステージが搭載されています。

1Wと2WのDC/DC設計も、2つの製品ファミリーを皮切りに、パイプラインにあります。RKKシリーズ DC/DCコンバータは、DC4kV/1秒という非常に高い絶縁性を 持ち、産業市場に広く使われています。標準機能として、動作温度範囲の拡張があり、ディレーティングなしで-40℃から+105℃をカバーします。このコンバータはIEC/EN/UL62368-1の認証を取得しており、IGBTドライバのアプリケーションに適しています。

RYKシリーズ DC/DCコンバータは、リニアレギュレータを内蔵した低価格の汎用 絶縁型コンバータ で、負荷に依存しない安定した regulated出力を提供します。

平面トランスに変更することで、手作業による組み立てを減らし、より自動化された製造工程が可能になり、製品品質が向上します。また、異なる電圧に対応するためにトランスの巻線を変更する必要がないため、カスタマイズ設計が容易になります。

RECOMは、DC/DCコンバータの製品ライン全体に平面トランスを追加することで、この技術を最大限に活用しています。