【LLCコンバータ】マルチレベル方式LLCコンバータの動作原理

皆さんお疲れ様です。今日はLLCコンバーターを勉強する記事の第10回目です。

本記事では、マルチレベル動作について解説したいと思います。

LLCコンバーターの欠点である。出力電圧範囲の狭さを改善する手法の1つです。

マルチレベル方式LLCコンバータの動作原理を知りたい

出力電圧範囲を広くしたいけど、マルチレベル方式の動作がわからないとお悩みの方の参考になれば幸いです。

それではやっていましょう。

回路図
動作原理の解説
シミレーションでの動作確認

回路図

まずは回路図です。これです↓。

通常のLLCコンバータと比べると中間にQ2と下側にQ4が入り込んだ形になってます。

そして、Q2とQ3の間にキャパシタの中間電圧が繋がってます。

あ？それで？どうやって動くの？を説明しようと思います。

動作原理の解説

イメージ

この回路は「出力電圧を小さくしたいとき」と「出力電圧を大きくしたいとき」で動作が変わります。

スイッチのON/OFFを工夫して、共振回路(Cr,Lr,Lm)に印可する電圧を

出力電圧を大きくしたいとき⇒共振回路をVin or 0Vでスイッチング(通常のLLCの動き)
出力電圧を小さくしたいとき⇒共振回路を1/2Vin or 0Vでスイッチング

と2パターンで動きます。したがって、出力電圧の特性は以下のようなイメージとなります。

こうすることで出力電圧範囲を広くとれます。

それではそれぞれのときでどう動くのか？を説明します。

出力電圧を大きくしたいとき

このときは簡単です。モードは以下の2通りです。

モード	Q1	Q2	Q3	Q4	備考
1	ON	OFF	OFF	ON	共振回路にVinを印可
2	OFF	ON	ON	OFF	共振回路に0Vを印可

まずモード1でQ1,4をONして、共振回路にVin電圧を印可します↓。

つづいてモード2でQ2,3をONして、共振回路に0V電圧を印可します。

これを繰り返したら普通のLLCコンバータと同じ動きですね。出力電圧を計算式もいつも通りの以下です。

$$\small{
V_{out}=\frac{1}{2}V_{in}\frac{1}{\sqrt{\left(1+\frac{1}{S}-\frac{1}{SF^2}\right)^2+Q^2\left(F-\frac{1}{F}\right)^2}}
\\
S=\frac{L_m}{L_r},F=\frac{f}{f_r},f_r=\frac{1}{2\pi\sqrt{L_rC_r}},Q=\frac{\sqrt{\frac{L_r}{C_r}}}{R_L’},R_L’=\frac{8}{\pi^2}\left(\frac{N_1}{N_2}\right)R_L
}$$

Vout:出力電圧[V], Vin:入力電圧[V], Lm:励磁インダクタンス[H], Lr:漏れインダクタンス[H],Cr:共振コンデンサ[F], f:スイッチング周波数[Hz], fr:Lr&Cr共振周波数[Hz], N1:1次巻き線, N2:2次巻き線, RL:負荷抵抗[Ω]

これは簡単ですね。