DC-DCコンバーターの絶縁トランスについて

現在入力DC24V（20A）、出力DC240V（2A）のコンバータを作製しています。
DC24Vをフルブリッジでスイッチングし、トランスで昇圧する事を考えています。
試しにトランスを自作し、実際に出力電圧を確認してみました。
2次側に1KΩほどの負荷をつけた状態の時は、2次側に240Vほどのパルス波形が確認できますが、
2次側の負荷を300Ω、60Ωと大きくしていくと2次側の波形が三角波っぽくなり、電圧が160V、50Vと
下がってきてしまいます。
ちなみにスイッチング周波数は200kHzで、今回試作したトランスはフェライトのEIコアを使った物です。
巻き線数は1次側が5ターン、2次側が50ターンで試してみました。

2次側の負荷を大きくすると電圧が下がってきてしまう原因として考えられる事がありましたら、お教え下さい。
　（これは2次側のリーケージインダクタンスによる電圧降下が起きてしまっているのでしょうか？）

No.5 ベストアンサー 回答者： se223 回答日時： 2012/03/28 11:40

負荷60Ωで50Vまで下がるのは普通かと思います。

インピーダンスは巻数比の二乗で効いてきます。
磁気飽和ならギャップをつければ解消できますが透磁率が下がり、漏れ磁束も多くなります。電流も取れないかと思います。
負荷が下がった分入力の電力を大きくする必要があります。
500Wのコンバータのようですが、最大磁束密度や断面積を計算しなくともコアの大きさで扱える電力範囲が表のようなものでコアの資料もしくはWeb上の設計例にあると思います。
スイッチング周波数を上げると同じ断面積のコアの場合電力も大きく出来ますが、トランジスタのほうのロスとかが大きくなります。
ロスは熱になります。

この回答への補足

たびたび申し訳ございません。
先ほどお礼のところで原因が解明した旨を書きましたが、実際に周波数を100kHzまで下げて実験を
行った結果、60Ω負荷を付けた時の2次側電圧は周波数が200kHzの時と変わりませんでした。
恥ずかしながら、回路シミュレーション上はもっともらしい結果だったので、早とちりをしてしまい
ました。

se223様のご回答に
　＞負荷60Ωで50Vまで下がるのは普通かと思います。インピーダンスは巻数比の二乗で効いてきます。

とあります。色々調べた結果、1次側から見たときのインピーダンスは2次側の負荷が抵抗（R）の場合
　Z＝R/(n^2)　　n：巻数比
であることを知りました。
ただこのインピーダンスによって何故50Vまで電圧が下がってしまうのか理由が良くわかりません。
もしよろしければ、負荷60Ωの時に50Vまで下がってしまう理由をお教え下さい。

補足日時：2012/03/28 19:36

この回答へのお礼

再度ご回答を頂き、ありがとうございました。
皆様のご意見をもとに、色々と確認をした結果、原因がわかりました。ちょっと長くなりますが、
原因は以下のようなものです。

自作したトランスの1次側を短絡し、2次側のリーケージインダクタンスを測定してみたところ、
約400μHでした。
そして今回のスイッチング周波数は200kHzなのでON区間が2.5μSになります。
トランスの巻き線比から、2次側の電圧は240Vになる予定なので、60Ωの負荷を付けた場合の
2次側の電流は理想としては4Aです。（この場合1次側電流が40Aになり当初の仕様を大きく越えて
しまいますが・・・。）
ON区間が2.5μSなのでその時間内に4Aまで電流が上がりきらず途中でOFFとなってしまい、結果的に
電流が流しきれていないことにより、電圧が上がらなかったようです。
　（負荷が1kΩとかの場合は流れる電流も小さいため、ON時間内にその電流値に達します。）
ちなみに電子回路シミュレーターで400μHと60Ωを直列に接続し、±240Vで200kHzのパルス電圧を
入力すると、60Ω両端の電圧は実験の結果と同じような内容になりました。パルスの周波数を20kHzに
して電流波形を確認すると4A近くまで電流が達し、60Ω両端の電圧も240Vになります。
対策としては、リーケージインダクタンスを出来る限り小さくして、スイッチング周波数を下げる
ことになるかと思います。

この場をお借りして申し訳ないのですが、
色々とアドバイスを頂きました皆様に感謝いたしております。今回皆様のアドバイスをもとに色々と
調べる事により、多くのことを学ぶ事ができました。
本当にありがとうございました。

お礼日時：2012/03/28 15:40

No.4 回答者： fjnobu 回答日時： 2012/03/28 07:33

ANo2です。

まずは銅線ですが、0.05φ34本だと、断面積で0，0667mm＾2ですね。２０Aなら電気工事でも３mm＾2の線を使います。
電流が全く流れないと思います。
そうすると、5ターンだと１００ATの起磁力ですが、磁気抵抗と磁束密度計算は出来ていますか？
かなり大きい形のフェライトコアを使わないと磁気飽和を起こしそうです。

この回答へのお礼

再度ご回答をいただき、ありがとうございました。
銅線についてですが、私の間違いでした。0.03mm~2の線を34本束ねた物なので、
断面積は1.02mm^2です。（それでも20Aを流すには細いですね。）
いまは最大でも8Aぐらいまでしか流さないようにして実験をしています。
あと磁気抵抗と磁束密度に関しての計算は特にしていませんでした。
finobuさんのご回答をみて私なりに計算してみたところ8Aの電流であれば磁気飽和はして
いなさそうです。（あっているか自身がありませんが。）
でも電流波形を見る限り、飽和していない感じです。
ご指摘のとおり、計算上20A流すと完全に飽和してしまいそうです。

お礼日時：2012/03/28 14:59

No.3 回答者： xpopo 回答日時： 2012/03/28 00:15

一次側巻き線の電圧は負荷を変えても変化してないのでしょうか？

フルブリッジのドライブ能力は十分でしょうか？リーケージが疑われる
ならば1次側の電流は無駄な電流が増えるはずですので、電流比は１：１０
より小さくなると思うんですが．．．。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
1次巻き線の電圧は負荷を変えても変化していません。
フルブリッジのドライブ能力ですが、実験を始めた当初に能力が足りない事に
気づいたので、５Aまでとれる定電圧電源をつかってドライブしているので
大丈夫だと思います。

お礼日時：2012/03/28 14:49

No.2 回答者： fjnobu 回答日時： 2012/03/27 20:10

銅線が細くて、電流が流せない。

ドライブ電力が不足している。
磁気飽和がおきて、電力が伝わらない。
捲き線が疎で磁力線と十分に接続されていない。
理由はいっぱいあるので、もう少し条件が必要です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
トランスに巻いている銅線ですが、1次側は0.05の線を34本束ねたリッツ線を使用しています。2次側は
0.05の線を17本束ねたリッツ線を使用しています。
　（1次側は仕様に対してちょっと細いですが、実験レベルなのでこの線で巻いています。）
また回路のドライブには定電圧電源を使用しており、電力的には問題なさそうです。
線の巻き方については、ボビンに密に巻いています。それほど疎にはなっていないと思います。
磁気飽和しているかは、正直なところちょっとわかりません。
あと参考になるかどうかわかりませんが、1次側波形のピーク電流と、2次側波形のピーク電流を測定してみたところ、負荷を変えてもピーク電流値は1次側に対し2次側が約1/10の値になります。電流に関しては巻き線比通りになっているようです。
そこで私なりに考えてみたのですが、トランスの等価回路で出てくるリーケージ（漏れ）リアクタンスによる電圧効果が影響しているような気もします。
ようは負荷が大きいと言う事は負荷抵抗値が小さくなることなので、リーゲージリアクタンスと負荷抵抗で2次側の電圧が分圧された場合、負荷が大きくなるにつれ負荷抵抗の電圧割合が小さくなると考えました。
しかし、リーケージリアクタンスにより240Vが50Vになるほど電圧が下がるようなことはあるのか？という疑問もあり、他にお気づきの点がありましたらご教授下さい。
（長文になってしまい、申し訳ございません。）

お礼日時：2012/03/27 21:25

No.1 回答者： se223 回答日時： 2012/03/27 19:55

フィードバック制御をかけないと負荷が重くなると電圧は落ちるばかりです。

PWM制御とかしているのでしょうか？
コントロールICのデータシートには参考回路があると思いますが。
あと入力と出力には変換効率がありますので、入力側の電力は1.4倍とか見ておく必要があります。

この回答へのお礼

ご回答、ありがとうございます。
現段階ではまだフィードバック制御はかけていません。ある程度電圧が落ちるとは予測していたのですが、負荷抵抗1kΩで240V、60Ωで50Vと、かなり電圧が下がってしまい、PWM制御でカバーできる範囲ではなさそうなので、他に原因があるのではないかと思っています。
しかし実際は、上記ぐらい電圧が下がるものなのでしょうか？

お礼日時：2012/03/27 20:46