スイッチモード電源向けインダクター・トランスの実装テスト手法

Tektronixテクニカルマーケティングマネージャー、Wilson Lee氏による解説。

インダクターとトランスはスイッチモード電源（SMPS）の要です。信頼性の高い動作を保証するには、実際の動作条件下で実装状態での性能検証が不可欠です。

コンポーネントデータシートとシミュレーションモデルは設計を導きますが、寄生効果、温度変動、信号変動により実際の挙動は変化しがちです。この記事では、最新オシロスコープ、プローブ、B-H曲線解析を用いて、稼働中のSMPSでインダクターとトランスを直接測定する基礎と実践手順を解説します。

インダクター理論

ファラデーとレンツの法則は、インダクターを流れる電流と両端電圧の関係を記述します：

整理・積分すると：

実践では、差動電圧プローブを巻線両端に、電流プローブを同一巻線に接続し、オシロスコープのX-Yプロット機能を用いて電圧と電流波形を記録することでインダクタンスを抽出できます。この時間領域アプローチは、電源に実際に存在する信号形状、振幅、周波数での真のインダクタンスを取得します。

実インダクターは電流、温度、周波数に依存するため、動作中に値がドリフトする可能性があります。

図1. 基本的なインダクターはフェライトコアに巻かれたコイルで構成される。電流I（A）がNターンを流れ、インダクタンスはその電流が誘導する磁束を記述する。

例えば、トロイダルコアのインダクタンスは以下で近似可能：

ここでµはコア透磁率（H/m）、Nはターン数、rはコア半径（cm）、Aは断面積（cm²）。N²が支配的であるため、ターン数がインダクタンスの最大のレバーとなります。高µコア選択で小型化と低損失を両立可能です。

コア材料と形状が、全動作点でのインダクタンスと結果としての電力損失を決定します。

インダクタンス測定

設計者は通常、製造後にLCRメーターでインダクタンスを検証します。LCRメーターは狭帯域正弦波で励振するため、簡易チェックには適していますが、実装性能の予測には不十分です。SMPSでは励振が典型的に高周波非正弦波パルスであるため、実装測定が必須です。

実装インダクタンス測定では、巻線両端に差動電圧プローブ、同一巻線に電流プローブを接続。オシロスコープの電力解析ソフトウェアが電圧を時間積分し電流変化で除算し、DCオフセットを自動除去、多数サイクルで平均化します。

トランス測定時は二次側を無負荷にします。無負荷で一次インダクタンスを測定し励磁インダクタンスを取得。二次側に負荷を接続すると相互結合により有効インダクタンスが変化します。

図2. 平均インダクタンス（H）は電流（CH2）対積分電圧（CH1）の傾きから取得。

図3. I対∫Vプロットはサイクル間で蓄積するDCバイアスも明らかにする。

B-H曲線測定

SMPSの磁気コンポーネントは、ヒステリシスループの線形領域で動作しなければ飽和と過大損失を避けられません。しかし、負荷変動、温度、起動過渡により動作条件は変化し、設計時予測は困難です。

多くのコアメーカーが提供するB-H曲線は、磁界H（A/m）と磁束密度B（T）の関係を示し、主要パラメータを明らかにします：

• 透磁率（µ） - B-H曲線の傾き、HをBに変換する効率を示す。
• 飽和磁束密度 - これ以上Hを増やしてもBが増加しない点。
• ヒステリシス特性 - ループの幅、コア損失と相関。軟磁性材料は残留磁束密度（Br）と保磁力（Hc）を最小化。

不安定の指標には、ピークBが飽和限界に接近する、またはB-Hループがサイクル間でシフトすることが含まれます。

オシロスコープは、巻線両端電圧と電流を測定し、以下からBとHを算出することでB-Hプロットを生成できます：

B = (1 / (µ₀·N·A)) · ∫V dt H = I / (l)

ここでlは磁気経路長。スコープの解析ソフトウェアがこの計算を自動化します。

図4. 複数二次巻線を持つトランスの磁気測定。オレンジ波形は二次側励磁時の合成電流。

トランスのB-H曲線

トランスに負荷がかかると、一次電流の一部が二次側に供給されます。励磁電流を分離するため、トランスを一次側と並列の架空インダクタLmでモデル化します。Lmはコアの磁気挙動を表し、励磁電流のみを流します。

図5. 一次側と並列の励磁インダクタLmを示す等価回路。

損失解析

磁気損失はSMPS効率予算を支配します。コア損失（ヒステリシスと渦電流損失）は磁束密度と周波数に依存し、銅損は巻線抵抗から生じます。

スタインメッツ経験式でコア損失を推定：

ここでk、a、bはコアメーカー提供の材料定数。データシートは正弦波励振での損失値を提供することが多いですが、SMPSでは非正弦波励振となるため、実測が望ましいです。

図6. スコープの電力解析機能がv(t)×i(t)の積を平均化し、銅損とコア損失を含む総磁気損失を算出。メーカー提供コア損失を減算して銅損を取得。

スコープは単巻線インダクター、多巻線インダクター、トランスでこの計算を実行可能。トランスの場合、一次側に差動プローブと電流プローブ（必要なら二次側も）を接続し、ソフトウェアがワット単位で損失を出力します。

まとめると、インダクターとトランスはSMPSのフィルタリング、絶縁、エネルギー貯蔵、タイミングに不可欠です。最新オシロスコープと電力解析ソフトウェアによる正確な実装測定で、これらのコンポーネントが設計仕様を満たし、全条件で信頼動作することを保証できます。