トランスの磁場解析と電源回路の連成解析事例

DC-DCコンバータやACアダプタをはじめ、スイッチング電源などにトランスが使用されています。トランスは磁気コア(鉄心)、1次コイル、2次コイルによって形成されており、設計において巻線や磁気コアのギャップなどの構造設計やインダクタンス、出力電流などの特性値を評価する必要があります。またトランス単体の特性値評価だけではなく、回路に組み込んだ際の出力電流やサージ電流の有無などトランスを含んだ電源回路の動作検証が必要となります。
ここでは電磁界解析ソフトAnsys Maxwellを用いて、周波数変化によるトランスの抵抗、インダクタンス算出と磁界解析したトランスを回路シミュレータにインポートし、Ansys Simplorerを用いたスイッチング電源回路の連成解析事例について紹介します。

解析の目的・背景

トランスは交流電力の高さを電磁誘導により変換する電力機器です。電磁誘導は磁束が変化する環境下に存在する導体で電位差(電圧)が生じる現象です。1次コイルに電気が流れることによって磁束が発生し、発生した磁束が磁気コアを介して2次コイルへと流れることで2次コイルの両端に電圧が発生します。2次コイルに発生する電圧はコイルの巻き数や結合係数、磁気コアの材料特性などトランスを構成する要素だけではなく、1次コイルに印可する電流によっても変化します。
そのためトランスの構造設計や特性値だけではなく、構成される電源回路を含めた1次、2次の電流/電圧波形など評価する必要があります。

解析手法

本事例では2Dのトランスモデルとスイッチング電源回路を想定しています。
■トランス
磁気コア、1次コイル、2次コイルの3つのオブジェクトで構成しており、交流磁場解析と過渡解析を行いました。交流磁場解析では周波数における抵抗とインダクタンスを算出し、電源回路と連成解析を行っています。
■電源回路
2次回路の出力電圧を3.3Vとした絶縁型DC-DCコンバータ回路を想定し、磁界解析したトランスをインポートして解析を行いました。出力電圧は図1(b)にある2次回路の終端抵抗である出力抵抗の電圧を出力電圧としています。

解析モデルと解析条件

解析モデルとメッシュ

図１にトランスの解析モデルと電源回路を示します。トランスの解析モデルは2Dで解析を実施しました。電源回路ではAnsys Maxwellによって解析したトランスモデルをインポートし、1次回路と2次回路を接続しています。また、2次回路の終端を出力抵抗として3.3Vの電圧になっているか確認をしました。

解析条件

トランスとスイッチング電源回路の解析条件は下記のように設定しました。
■トランス(Ansys Maxwell)
Eddy Current(交流磁場解析)を用いて周波数10kHz〜200kHzまでを10kHzステップとし、抵抗RとインダクタンスLを算出しました。
その後、回路モデルへとエクスポートし、回路シミュレーションを実施しました。

■スイッチング電源(Ansys Simplorer)
過渡解析で解析時間を40[s]までとし、スイッチング素子のソース / ドレイン電流、出力抵抗の電圧を結果として出力しました。

解析結果：トランスのR,L算出と電源回路の各コンポーネントにおける出力

図2に電磁界解析ソフトAnsys Maxwellを用いて解析した10kHz〜200kHzまでの抵抗値とインダクタンス値の結果を示します。今回使用した磁性材料では10kHz〜200kHzの周波数範囲における抵抗とインダクタンスの変化はわずかであったため、本解析事例のトランスはコイルターン数や磁気コア形状が特性値に対して支配的であるということがわかります。

図3にAnsys Simplorerを用いて解析した電源回路のスイッチング素子のソース / ドレイン電流を示しています。それぞれ同じ波形が得られており、トランスから急激な立ち上がり電流が発生しています。そのため回路を見直すまたはトランスの構造設計を見直すことで立ち上がり電流の対処が必要となります。

図4は2次回路の出力抵抗の電圧波形を示しています。目的である3.3Vの出力電圧が得られていることを確認できました。このようにトランス解析の解析結果を回路シミュレータにインポートすることでトランスを含めた電源回路の駆動を検証することが可能です。 本解析手法ではトランスの磁場解析とトランスを含めた電源回路の解析についてご紹介しました。

使用ソフトウェア

• Ansys Maxwell
• Ansys Simplorer