【PFCコンバータ】双方向スイッチ付きPFCコンバータの動作原理について

みなさま、お疲れ様です。

本日は双方向スイッチ付きPFCコンバータの動作原理を解説してみようと思います。

参考資料はここですね。TI様の資料です。

と悩みを持たれている方の参考になれば幸いです。

まず回路図はこんな形をしています↓。

結局、昇圧DCDCと同じ考え方

ACDCは少しとっつきにくいですが、一瞬で切り取ると昇圧DCDCと同じ動作しています。どういう動作かと言うと、

リアクトルに電源電圧かけてエネルギーを貯めて、それを出力側へ持ってく。

ということです。

双方向スイッチ付きPFCでもスイッチをいい感じに動かして、この2つの動作を繰り返しています。

以降で詳しく説明します。

4つの動作モード

スイッチのON/OFFのタイミングは以下の4通りです。

動作モードはスイッチのオンオフ状態に応じて、以下の4つのモードに分けられます。

AC入力の上側半波のときにモード1,2。下側半波のときにモード3,4となります。

上側半波のときは
モード1⇒モード2⇒モード1⇒モード2⇒モード1・・・以降繰り返し

下側半波のときは
モード3⇒モード4⇒モード3⇒モード4⇒モード3・・・以降繰り返し

と動作します。

それでは各モードで具体的にどういう風に動いているかを解説します。

上側半波のとき

モード1：双方向スイッチがON(リアクトルにエネルギーを貯める)

モード1は双方向スイッチがオンしています。電源電圧は上側半波が印加されています。

電流経路は以下の通りです。

リアクトルに電源電圧が印加され、エネルギーをチャージします。

リアクトル電流のリップルは以下のように計算できます。

$$\small{
ΔI_L=\frac{V_{ac}}{L}T_1
}$$

モード2：D1&D4がON(リアクトルのエネルギーを出力へ放出)

モード2では、D1,D4がオンします。電源電圧は継続して上側半波が印加されています。

電流経路は以下の通りです。

リアクトルに(Vac-Vdc)の電圧が印加されます。Vdc>Vacですが、リアクトル電流はすぐには方向を変えられないので、出力側に電流が流れます。

このときのリアクトルのリップル電流は以下のように計算出来ます。

$$\small{
ΔI_L=\frac{V_{ac}-V_{dc}}{L}T_2
}$$

結局、リアクトルにエネルギーを貯めて、出力側へ放出を繰り返して昇圧します。

昇圧DCDCと同じですね。

下側半波のとき

モード3：双方向スイッチがON(リアクトルにエネルギーを貯める)

モード3は双方向スイッチがオンしています。電源電圧は下側半波が印加されています。

電流経路は以下の通りです。

リアクトルに電源電圧が印加され、エネルギーをチャージします。

リアクトル電流のリップルは以下のように計算できます。

$$\small{
ΔI_L=\frac{V_{ac}}{L}T_3
}$$

モード4：D2&D3がON(リアクトルのエネルギーを出力へ放出)

モード4では、D2,3がオンします。電源電圧は継続して下側半波が印加されています。

電流経路は以下の通りです。

モード2と同様にリアクトルの電流が流れ続けようとする特性を利用して、出力側に電力を供給します。

VacからD2を通って、Vdcだけ電圧降下して、D3を通ってリアクトルとたどり着いたら、結局(Vac-Vout)の電圧がリアクトルにかかってます。

リアクトル電流は以下の通りです。

$$\small{
ΔI_L=\frac{V_{ac}-V_{dc}}{L}T_4
}$$

下側半波のときもこんな感じにリアクトル電流を貯めたり放出したりして、昇圧します。

双方向スイッチ付きPFCコンバータの長所と短所

参考資料によると

確かに。

双方向スイッチどうやってONするの？となりますし、上側半波のときはD2,3がずっとOFFしてる。下側半波のときはD1,4がずっとOFFしてる。とイマイチポイントがあるのはわかる気がしますね。

はい、本記事は以上となります。

何かの参考になれば幸いです。最後までお読みいただきありがとうございました！！