パワーエレクトロニクス工学論 ９．共振型スイッチング電源 9-1 各種共振型スイッチング方式 9-2 ZVS-PWM制御スイッチング電源 A) 降圧形ZVS-PWM電源 B) 昇圧形ZVS-PWM電源 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-1 9.1 各種共振型スイッチング方式 （１）ソフトスイッチングの概要 ●特徴 ＊メリット ：スイッチング損失の低減・・・効率の向上 ＊デメリット：回路の複雑化（共振用ＬＣの追加等） ●動作 ＊出力電圧・電流を共振・・・正弦波波形（ノイズ小さい） ＊共振の V=0 （あるいは I =0）で スイッチを切換え ⇒ スイッチの損失がない ＺＶＳ ： Zero Voltage Switching ＺＣＳ ： Zero Current Switching ● 種類（多数の方式あり） ＊電流共振／電圧共振／複共振 ＊直列共振／並列共振 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-2 （２） ソフト・スイッチングの基本回路 ●電流共振スイッチ と電圧共振スイッチ ＊スイッチング電源に対して、共振素子（Lr,Cr,Dr）を追加 ＊電流（電圧）共振時、電圧（電流）は通常のスイッチング ＊コンデンサの挿入位置の相違 ＊電流（電圧）=0 の期間にスイッチ切換え・・・スイッチ期間は限定 Lr Ｓ 負荷電流源 Ｄr VA Ｓ Ic Ｄ Cr Ic ON OFF S iS Vc VS iS (A) 電流共振スイッチ（半波形） Cr Ｄr P S Lr Ｄ Vc OFF VAP ON (B) 電圧共振スイッチ（全波形） H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-3 （参考１） 電流共振スイッチとコンバータ構成 ●動作：・共振周波数は固定：ＳＷ周波数を可変して出力電圧制御 ・半波形／全波形：半周期／一周期の電流をD で制限 Ａ Ｓ Lr Ｃ Ａ Ｓ Lr L Ｃ Vo Ic VAP (A) 半波形 Ａ Ｓ Lr Vi Ｄ Cr Ｐ Cr Ｄ Ｃ Ｐ (A) 降圧形コンバータ（半波形） Ｃ L Ｃ Ｄ Ｐ Vo Ic VAP Ｄ Cr (B) 全波形 Ｒ Ｐ 電流共振スイッチ（降圧形電源） Vi Lr Ｓ Cr Ｃ Ｒ Ａ (B) 昇圧形コンバータ（全波形） H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-4 （参考２） 電圧共振スイッチとコンバータ構成 ＊半波形／全波形：半周期／一周期の電圧供給を、Diで制限 Ｓ Ａ Ｐ Ｃ Vi Cr Ｄ L Lr Ｄ Ｓ Cr (B) 全波形 VAP Ａ 電圧共振スイッチ（昇圧形電源） Ｃ Ｒ Ｐ (A) 降圧形コンバータ Ｐ Ｃ Lr Cr VAP Ａ (A) 半波形 Ic Vo Lr Ｄ Ｓ Ic L Ｃ Ｃ Ｐ Vo Lr Ｄ Vi Ｓ Cr Ｃ Ｒ Ａ (B) 昇圧形コンバータ H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-5 9.2 ZVS-PWM制御スイッチング電源 （１）降圧形ZVS-PWM制御電源 ●構成 ＊共振コンデンサ１個のみ追加 ＊Vc＝Vinで SW = ON ⇒ スイッチング損失 =0 ●特徴 ＊コイルに双方向電流 ＬＣ共振⇒Ｖｃ を立上げる ＊制御周波数（周期） ・SWーOFF時間：共振条件 ・SW－ON 時間 ：制御条件 Vc Vin Vo PWM ＩＬ Vc Vds M1 M2 M3 M4 M5 ZVS-PWM制御スイッチ電源の構成と動作 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-6 ● 動作説明 ＊モード１： ｔ 0～ｔ １ ・PWM信号=OFF ⇒ SW=OFF ・ＩＬ 順方向電流により、 共振Crの電荷は放出 ⇒ Vc 低下 Vc(t)=Vin－（Io／Cr）･ｔ (9-1) ・短時間で Vc=0V T1≒Vin･Cr／Io (9-2) Vc Vin Vo PWM ＩＬ Vc Vds M1 M2 M3 M4 M5 ZVS-PWM制御スイッチ電源の構成と動作 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-7 ＊モード2： ｔ 1～ｔ 2 ・Vc = 0 V ⇒ Di = ON ・ＩＬ は次式により、直線的に減少 IL(t) = Ioー(Vo／L)・ｔ (9-3) ・短時間で IL =0 A T2 = Io･Ｌ／Vo (9-4) Vc Vin Vo PWM ＩＬ Vc Vds M1 M2 M3 M4 M5 ZVS-PWM制御スイッチ電源の構成と動作 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-8 ＊モード3： ｔ 2～ｔ 3 ・IL = 0 A ⇒ コイル電流は反転（反転電流） ⇒ D1=OFF より ＬＣ共振 (Co=電源） ⇒ Cr は充電を開始し、Vc上昇 Vin Vc= 宿題 (9-5) ・Vc は上昇し、遂には Vc=Vin T3= 宿題 (9-6) Vc Vo PWM ＩＬ Vc Vds M1 M2 M3 M4 M5 ZVS-PWM制御スイッチ電源の構成と動作 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-9 ＊モード4： ｔ 3～ｔ 0 ・Vc = Vin ⇒ ボディ・ダイオード D2=ON Vc = Vin をコンパレータで検出 ・PWM =“H”により、SW = ON Vin ⇒ Vin の供給により、 IL の微小反転電流は すぐに順方向に流れる IL (t) ≒ ｔ・(VinーVo)／L (9-7) ・Vo は徐々に上昇し、 遂には Vo = Vr に達する PWM ⊿Vo(t) = (1/C)∫ＩＬ･dt ＩＬ = (Vin-Vo)/2LCo・t２ (9-8) ・ Vo = Vr を検出し、PWM =“L” Vc Vc Vo Vds ・モード１ に戻る M1 M2 M3 M4 M5 ZVS-PWM制御スイッチ電源の構成と動作 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-10 ● シミュレーション結果 ＊回路構成： ・出力誤差電圧とSAW信号を比較 ⇒ セット信号S を発生 ・Vc=Vin により、リセット信号R を発生 ⇒ FF出力 = PWM信号 So PWM Vc SAW PWM R S ZVS-PWM制御電源のシミュレーション回路 主要波形 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-11 ● シミュレーション結果（動作波形） ＊シミュレーション波形： ・共振コンデンサCrの値により モード１の時間を制御可能 ・コイル値Lの値により モード２の時間を制御可能 PWM IL Vc Vds Vgs=ON Vds モード2 Vc 0A ZVS-PWM制御電源のシミュレーション結果 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-12 ●シミュレーション結果（出力リプル） 条件： 結果： Vi=10V，Vout=6.0V 定常リプル Io=0.6A/1.2A, L=10uH, 過渡応答 Cr=10nF, C=1000uF Vo [V] ＜2mVpp @Io=0.6A ＜±15mV @Io=0.6/1.2A 8mVpp ＋15mV Vout 2mVpp －15mV Io=0.6A Io=1.2A Io=0.6A [ms] 出力リプル・過渡応答特性 13 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 PWM ● 実測波形 IL ＊動作条件は、シミュレーション回路と同様 ＊実測波形は、原理波形と類似 Vc Vds ● 共振条件 ＊共振条件：２･Vo＞Vi * Crの動作範囲：Vc=0～Vin ＊ 起動時の出力電圧： Vo＞Vi/２ に充電必要 ★起動時のチャージアップ回路必要 Vds PWM Vc IL ZVS-PWM制御電源の実測波形 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-14 （２）昇圧形ZVS-PWM制御電源 ● 構成 ＊ダイオードに並列に 共振コンデンサを接続 ●動作 * 共振原理は、降圧形と同様 ・M1：SW=OFF ⇒ IL により Cr は充電 ・M2：Vsw = Vo ⇒ Di = ON IL は次式で減少 IL(t) = Io - ｔ・(Vo-Vin)/L (9-9) ・M3：遂には IL=0 A となり反転 ⇒ Co より逆電流 Cr は充電し Vswは低下 ・M4：Vsw=0V となり、ボディD=ON ・M5：Vsw=0V をコンパレータで検出 ⇒ SW=ON し、コイルにチャージ ・Vo=Vr により、PWM=OFF PWM ＩＬ Vc Vds M1 M2 M3 M4 M5 昇圧形ZVS-PWM電源の動作 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-15 ● シミュレーション結果 ＊回路条件 Vi=3.5V, Vo=6.0V, Io=0.12A L=3.9uH, Co=470uF, Cr=100nF Fop=162.5 kHz 昇圧形ZVS-PWM電源のシミュレーション結果 ● 実測波形 ＊動作周波数 Fop=129 kHz (＜ Fsim=162.5 kHz) N-MOS、OPアンプ等の遅延 により、動作周波数は低下 ＊スイッチング損失比較 ⊿Pzvs=0.55W ⇔ ⊿Pnor=29.3W 損失低減率＝98 % 昇圧形ZVS-PWM電源の実測波形 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 9-16
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