なぜフォワード電源のVds波形はDCMモード下で後半に振動するのか？

初心者入門 基礎 Q&A
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なぜフォワード電源のVds波形はDCMモード下で後半の波形が振動するのでしょうか？下図の通りです。

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核心は「二次側のクランプが消失 + 一次側のLC共振」であり、その具体的な仕組みは非常に明確です。

DCMモードにおいて、二次側の電流がゼロまで減少すると、二次側の整流ダイオードは自動的に遮断されます。このとき、二次側はもはやトランスの巻線比を通じて出力電圧を一次側に反映できず、「二次側が一次側の電圧をクランプする機能が失われる」状態になります。

一方、一次側にはまだ漏れインダクタンス（二次側に結合しなかった分のインダクタンス）が残っており、これとMOSトランジスタ自身の寄生容量（Coss）が組み合わさって、直接LC共振回路を形成します。漏れインダクタンスに残ったエネルギーは、この漏れインダクタンスと寄生容量の間で繰り返し充放電を行い、その結果、Vds波形に振動（リンギング）が発生します。しかし、RCD吸収回路の抵抗やMOSトランジスタのオン抵抗などの「減衰素子」によってエネルギーが消費されるため、振動の振幅は徐々に減衰し、最終的にエネルギーが消失するまで続きます。

簡単に言えば、「二次側が一次側の電圧を制御できなくなった」結果、一次側の漏れインダクタンスと寄生容量が「自由に共振」し始めるということです。

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DCMモードでは、二次側の電流がゼロに低下すると、二次側のインダクタ電流もゼロになります。これは、磁芯内のエネルギーが完全に放出されたことを意味します。このとき、ダイオードの電流がゼロになるため、ダイオードは自動的に遮断され、二次側は開放状態となり、出力電圧はもはや一次側に反射しなくなります。この時点でMOSのVds電圧が入力電圧より高いため、電圧差によってMOSの接合容量と一次側インダクタの間で共振が発生します。この共振電流により、MOSの接合容量が放電され、Vds電圧は低下し始めます。その後、1/4共振周期経過後に再び上昇します。しかし、RCDクランプ回路やその他の寄生抵抗の影響により、この振動は減衰振動となり、振幅は徐々に小さくなっていきます。

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その振動はDCM動作の典型的な特徴です。これは、トランスの一次側磁化インダクタンスが、MOSFETのドレインにおける全寄生容量と共振することによって引き起こされます。

この波形の「後半部分」は、「不連続」またはデッドタイム期間であり、二次側ダイオードが蓄えられたエネルギーをすべて出力に供給し終えた後、かつ一次側MOSFETが再びオンになる前の期間を指します。

以下に、何が起きているのかをステップごとに解説します。

1. 主要な構成要素

このリンギング（振動）は、2つの主要な素子によって形成される典型的なLC共振タンク回路（または「タンク」）によって引き起こされます：

  • インダクタ（L）： フライバックトランスの一次側磁化インダクタンス（Lm）。
  • コンデンサ（C）： スイッチノードにおける全寄生容量（C_node）。この容量は、以下のいくつかの stray 容量の合計です：
    • MOSFET出力容量（Coss）： （現在オフ状態の）MOSFETのドレインとソース間の容量。通常、最も大きな寄与を占めます。
    • トランス巻線容量（Cw）： 一次巻線の各ターン間の容量。
    • PCBレイアウトによる容量： プリント基板のパターンから生じる stray 容量。

2. DCMスイッチングサイクル

なぜこれが発生するかを理解するために、DCMスイッチングサイクルの3つの明確なフェーズを見てみましょう：

  1. MOSFET ON時： スイッチが閉じています。一次側磁化インダクタンス（Lm）に流れる電流が増加し、エネルギーが蓄えられます。このときVds（ドレイン-ソース間電圧）はほぼ0Vです。
  2. MOSFET OFF時（エネルギー伝送）： スイッチが開きます。Lmに蓄えられたエネルギーが二次側に伝送され、出力ダイオードがONになります。Vdsは入力電圧（Vin）と反射された出力電圧（V_reflected）の和まで急上昇します。
  3. MOSFET OFF時（デッドタイム）： これが重要な部分です。DCMでは、エネルギーの伝送が次の周期が始まる前に完了します。
    • 二次側電流がゼロに低下します。
    • 出力ダイオードがOFFになります。
    • この瞬間、トランスの二次側は回路から実質的に「切断」されます。一次側も（MOSFETがオフのため）切断されています。
    • 一次側磁化インダクタンス（Lm）は、今や有効に全ノード容量（C_node）と並列に接続された状態になります。
    • ダイオードがOFFになる際に急激に変化する電圧の「キック」によって、このLCタンクが励起され、自然共振周波数 f_r = 1 / (2\\pi \\sqrt{Lm \\cdot C_{node}}) で振動（リング）を始めます。
    • この（通常は減衰する）振動は、次の周期でMOSFETが再びオンになるまで続きます。

3. このリンギングは問題ですか？

場合によりますが、悪い面もあれば、良い面もあります：

  • 悪い点（EMI）： このリンギングは高周波の振動であり、電磁妨害（EMI）の大きな発生源となる可能性があります。これにより、電源装置が規制試験に不合格になることがあります。
  • 良い点（バレーイーコン）： 準共振（QR） または バレーイーコン と呼ばれるスマートな電源コントローラは、この振動を検出するように設計されています。これらのコントローラは、Vds電圧が振動によって最低値（「バレー」）まで下がったタイミングで意図的にMOSFETを再びオンにします。この技術はゼロ電圧スイッチング（ZVS） または「ソフトスイッチング」と呼ばれ、スイッチング損失を大幅に低減し、コンバータ全体の効率を向上させます。
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