- 公開日：2025年09月29日
- | 更新日：2025年09月30日
絶縁DCDC小型化に向けたトランスの高周波スイッチング
- ライター：Hideki Utsugi
- 電源
はじめに
1kW以上の絶縁型DCDCコンバータの小型化では、構成する部品においてトランスの小型化が必要です。GaNデバイスの登場でシリコンベースのデバイスより、トランスに対し高速なスイッチング周波数で制御可能となり、トランスの小型化が可能となってきています。GaNデバイスでの制御対象となる、トランス仕様において高周波スイッチングで課題となる表皮効果を説明致します。
トランスとは
トランスは２つのコイルと、鉄心（磁性材）で構成されます。
以下に構造例を示します。
図 トランク構造例
トランスの一次コイルに電力印加すると磁束が発生し、二次コイルは磁束を受け起電力が発生し、電力伝達を果たします。尚、トランスの一次・二次巻き線の巻き線比が、入力電圧（一次コイル）に対し、出力電圧（二次コイル）の変換となりますが、電力としては同じです。
図 トランス等価図
コイルの巻き線比と一次と二次電圧の関係は以下の式で表すことが出来ます。
N2/N1＝V2/V1
トランスの変換効率に影響する主要な要素のひとつが結合度です。結合度とは、一次巻線と二次巻線間で磁束がどれだけ効率よく伝達されるかを示す指標です。結合度が高いほど、漏れ磁束が少なくなり、エネルギー損失が減少します。巻き方にも工夫が必要で、例えば一次巻線と二次巻線を重ねて巻く（インタリーブ巻線）ことで結合度を向上させることができます。逆に、巻線間の距離が大きいと結合度が低下し、リーケージインダクタンスが増加して効率が悪化するような特徴があります。
② トランスの高周波スイッチングと表皮効果
高周波スイッチングをもちいることで、カスタムトランスの小型化をするケースが多いと考えます。
周波数を高くすることで、トランスを構成する磁性体のサイズを小さくでき、トランス全体の体積を減らすことが可能となるからです。しかし、高周波化するうえで、いくつかの課題が生じます。
そのひとつが表皮効果です。
表皮効果とは、高周波スイッチングの際、電流が導体の表面近くに集中して流れる現象です。トランスのスイッチング周波数が高くなるほど、コイルを流れる電流は線材の中心部を避け、表面に偏って流れる現象となります。線材の断面積全体を活用できなくなります。その結果、巻線の抵抗が増加し、発熱およびトランスの損失が大きくなります。
図 線材断面/電流が流れる領域イメージ
その為、スイッチング周波数を決めたうえで、表皮効果を意識したコイルの線材仕様の検討が必要となります。表皮深さ（Skin Depth）は、導体内で交流電流が浸透する深さを示します。スイッチング周波数が高くなるほど浅くなります。表皮深さは以下に計算式と式に用いるパラメータをしめします。
図 表皮効果時の表皮深さ（δ）と計算式
例えば、導体が銅で100kHz の場合、表皮の深さは約0.2mm程度です。
高周波対応の巻線としては、リッツ線などで表皮効果による損失を抑制します。
リッツ線は素線という細い絶縁銅線を多数撚り合わせ、電流を均等に分布させることで表皮効果による影響を低減します。リッツ線の素線の径は、表皮深さの50%以下が一般的な目安のようです。
図 リッツ線断面（素線）
例えば、導体が銅で100kHz の場合、表皮の深さは約0.2mmの場合、リッツ線の素線の径は0.1㎜以下が目安となります。
リッツ線を構成する素線の本数は、必要電流から算出します。最終的にリッツ線の仕様では、素線を束ね撚りピッチが検討要件としてあります。素線を束ね撚りのピッチは、素線の電流分布が偏るなどもあるようですので、経験あるトランスメーカもしくは電線メーカにお任せした方が良いと考えます。
まとめ
1ｋW以上のトランスの小型化に取り組む際は、高周波スイッチングによる課題の一つとしてリッツ線を用いた表皮効果への対策をレポート致しました。GaNデバイスはシリコンデバイスより高周波スイッチングに最適なデバイスです。
ルネサスは、窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ (GaN HEMT) のパイオニアであり、25Wから10kWまでの幅広いアプリケーションにわたって、信頼性が高く高性能なソリューションを提供しています。
是非ルネサスのHPより「窒化ガリウム（GaN）電源ソリューション」をご参照ください。
（以下にGaNに関するURLをしめします。）