【電源回路】フルブリッジコンバータの動作をシミュレーションで理解する

皆さんお疲れ様です。先日フルブリッジコンバータの動作原理を解説する記事を書きました。

今日はフルブリッジコンバータの動作をPspice for TIのシミュレーションを使って確認したいと思います。

といった悩みを抱えている方の解決になれば幸いです。

では始めます。

まずフルブリッジコンバータの復習

詳しくはこちらの記事に書いてますが、ざっくりどんな動きをするかを復習しましょう。

まずフルブリッジコンバータの回路構成は以下のようになります。

フルブリッジコンバータは4種類の動作モードがあります。

まずモード1。Q1とQ4がONします。

Q1,4がONすることにより1次側にVinが掛かり、2次側には巻き線比に応じた電圧Vin/nがかかります。上側のダイオードがONし、電力が供給されます。

次にモード2。全てOFFします。

出力コイルの逆起電力により両方のダイオードがONし、電流が流れます。

次にモード3。Q2,3をONします。

Q2,3がONすることにより1次側に-Vinが掛かり、2次側には巻き線比に応じた電圧-Vin/nがかかります。下側のダイオードがONし、電力が供給されます。

次にモード4。全てOFFします。

モード2と同じように出力コイルの逆起電力により両方のダイオードがONし、電流が流れます。

このように動作して、出力電圧Voutとコイル電流ΔILは以下の式で表されます。

$$V_{out}=\frac{V_{in}}{n}D$$

$$Δi_{L}=\frac{\frac{V_{in}}{n}-V_{out}}{L}\frac{D}{2}T_{PWM}$$

Vout：出力電圧[V]
Vin：入力電圧[V]
n：変圧器の巻き線比
ΔiL：コイル電流の増減分[A]
L：出力コイルのインダクタンス値[H]
D：スイッチ(Q1~Q4)のON DUTY[%]

今回はその通りに動作しているかどうかをシミュレーションで確認してみます。

フルブリッジコンバータの回路図

確認するために作った回路図が以下です↓。

スイッチMOSFETのQ1~Q4にはPower NMOSを使用しました。PSpice Component->Discrete->Power NMOSをクリックして配置します。

変圧器はPSpice component->Modelling Applicationをクリックして、

Transformerを選択し、Centre Tap、Secondary Tapを選択します。巻き線比をN2/N1=0.2としてPlaceしました。(巻き線比は適当です。)

2次側のダイオードはPower Diodeを使いました。最初Diodeを使っていたのですが、「シミュレーションが収束しません」と怒られてて、Power Diodeに変えたらうまく行きました。

スイッチQ1～Q4は理想電源VpulseでON/OFFします。

そんな感じです。

シミュレーション条件と期待値

シミュレーション条件は以下です。出力電圧の狙いは12Vです。

部品定数コイルとコンデンサは結構適当に設定しています。

Vpulseで各スイッチのON時間OFF時間を設定していますが、この時間に応じて出力電圧が決まります。この時間は以下のように計算しています。

$$V_{out}=\frac{V_{in}}{n}D$$

DUTY=に直します。

$$D=\frac{nV_{out}}{V_{in}}$$

Dutyは(ON時間)/(周期)なので

$$\frac{T_{ON}}{T_{PWM}}=\frac{nV_{out}}{V_{in}}$$

$$T_{ON}=\frac{nV_{out}}{V_{in}}T_{PWM}$$

となります。これに後は条件を入れていけば、Tonが求まります。

nはN1/N2のことでN2/N1=0.2としているので逆数で5です。Vout=12でVin=140でTpwm=100uですね。

$$T_{ON}=\frac{5*12}{140}*100u=42.8571usec$$

このTonはQ1,Q4がONする時間Ton1とQ2,3がONする時間Ton2の合計なので、割る2すれば各スイッチのON時間を計算できます。

$$T_{ON1}=T_{ON2}=\frac{T_{ON}}{2}=\frac{42.8571u}{2}=21.42855u$$

なので、VpulseのPWには21.42855uと設定しています↓。

Q2,Q3は半周期待ってからスタートしたらよいので、TD(ディレイ時間)に半周期50usを足した値を設定しています。

はい、まぁこんな感じですね。コイル電流は

$$Δi_{L}=\frac{\frac{V_{in}}{n}-V_{out}}{L}\frac{D}{2}T_{PWM}$$

$$Δi_{L}=\frac{\frac{140}{5}-12}{200u}\frac{0.428571%}{2}*100u$$

$$Δi_{L}=1.714284[A]$$

になるはずです。なので、Vout=12V、ΔIL=1.7Aくらいを期待してます。

シミュレーション実施結果

まず波形です。

いい感じです。細かく見てみます↓。

狙い通りにモード1,3でVin/nの電圧がかかっています。モード2,4で逆起電力で電流が流れています。出力電圧が12Vより少し小さい電圧になっていますが、ダイオードのVf分のドロップがあるためと考えられます。

コイル電流を見てみましょう。モード1のコイル電流部分を拡大しました↓。

はい、いい感じですね。

想定通りに12V付近1.7A付近の結果が得られました。

本記事は以上になります。

初めて学ぶ回路は試しに回路シミュレータを回してほんとにそう動くの？を確認すると理解が深まると思います。

本記事が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！！！