位相シフトフルブリッジコンバータ(Phase Shift Full Bridge略してPSFB)を勉強しよう！という記事の2回目です。
1回目：【電源回路】位相シフトフルブリッジコンバータの動作原理
2回目：【電源回路】位相シフトフルブリッジコンバータ(PSFB)はなぜソフトスイッチングするのか？(本記事)
3回目：【電源回路】位相シフトフルブリッジコンバータ(PSFB)のデューティーサイクルロスについて
本日は位相シフトフルブリッジコンバータがなぜソフトスイッチングするのか？を解説してみようと思います。
- 位相シフトフルブリッジコンバータはどういう原理でソフトスイッチングするの？
とお悩みの方の参考になれば幸いです。
結論
- LLCコンバータとほぼほぼ同じ原理でソフトスイッチングする。
- ターンオフ時は寄生容量の充放電を利用してZVS(Zero Voltage Switching)をする。
- ターンオン時は寄生容量の充放電後にボディダイオードが導通しているときにターンオンしてZVSする。
以下で詳細を解説します。
そもそもソフトスイッチングとは
以前LLCコンバータの記事でも触れましたが、ソフトスイッチングの定義は以下の通りです。
スイッチング過程における半導体バルブデバイスの電圧－電流平面上の軌跡が最大電圧点、最大電流点および原点を結ぶ三角形の領域内で動くスイッチング動作
http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20150925-1.pdfより引用
図示するとこうです↓。
例えば、以下のようなスイッチング波形があったとします↓。
電圧と電流の軌道を先ほどの図1にプロットしたらこうなります↓。
つまりスイッチング時の電圧、電流の起動が図1の斜め線の左下の領域に入っていたらソフトスイッチングです。
なのでソフトスイッチングはゼロイチではなく。ソフトスイッチングにも度合いがあるってことです。
割と損失多めのソフトスイッチングもあれば、損失めちゃ少ないソフトスイッチングもあるって感じですね。
はい、ソフトスイッチングの定義は以上です。
位相シフトフルブリッジコンバータのソフトスイッチング
モード1→モード2(Q1ターンオフ&Q2ターンオン)
青色→黄色へ遷移するときについてです。
Q1ターンオフ寸前のとき、Q1→変圧器→Q4と電流が流れています。
これがQ1ターンオフするとインダクタは電流を流し続けようとするので、トランス電流は流れ続けます。しかしスイッチからは流れません。
どこから流れるかというと、Q1の寄生容量が充電&Q2の寄生容量が放電される経路で電流が流れます。
充放電している間、Q1,Q2の中間点の電圧はVinから0Vに徐々に変化します。
Q1がターンオフする瞬間はQ1両端電圧は0Vを維持されているためZVSが成立します。
充放電が完了した後、引き続きLlの電流は流れ続けます。その電流はQ2のダイオードから流れます。
この状態ではQ2両端電圧はほぼ0Vです。このタイミングでQ2をターンオンすることでZVSが成立します。
モード2→モード3(Q4ターンオフ&Q3ターンオン)
黄色→赤色へ遷移するときについてです。
Q4ターンオフ寸前のとき、Q2→変圧器→Q4を電流が流れています。
これがQ4ターンオフするとインダクタは電流を流し続けようとするので、トランス電流は流れ続けます。しかしスイッチ4へは流れません。
どこへ流れるかというと、Q4の寄生容量が充電&Q3の寄生容量が放電される経路で電流が流れます。
充放電している間、Q3,Q4の中間点の電圧は0VからVinに徐々に変化します。
Q4がターンオフする瞬間はQ4両端電圧は0Vを維持されているためZVSが成立します。
充放電が完了した後、引き続きLlの電流は流れ続けます。その電流はQ3のダイオードへ流れます。
この状態ではQ3両端電圧はほぼ0Vです。このタイミングでQ3をターンオンすることでZVSが成立します。
モード3→モード4(Q2ターンオフ&Q1ターンオン)
赤色→緑色へ遷移するときについてです。
Q2ターンオフ寸前のとき、Q3→変圧器→Q2と電流が流れています。
これがQ2ターンオフするとインダクタは電流を流し続けようとするので、トランス電流は流れ続けます。しかしスイッチQ2からは流れません。
どこから流れるかというと、Q2の寄生容量が充電&Q1の寄生容量が放電される経路で電流が流れます。
充放電している間、Q1,Q2の中間点の電圧は0VからVinに徐々に変化します。
Q2がターンオフする瞬間はQ2両端電圧は0Vを維持されているためZVSが成立します。
充放電が完了した後、引き続きLlの電流は流れ続けます。その電流はQ1のダイオードへ流れます。
この状態ではQ1両端電圧はほぼ0Vです。このタイミングでQ1をターンオンすることでZVSが成立します。
モード4→モード1(Q3ターンオフ&Q4ターンオン)
緑色→青色へ遷移するときについてです。
Q3ターンオフ寸前のとき、Q3→変圧器→Q1と電流が流れています。
これがQ3ターンオフするとインダクタは電流を流し続けようとするので、トランス電流は流れ続けます。しかしスイッチQ3からは流れません。
どこから流れるかというと、Q3の寄生容量が充電&Q4の寄生容量が放電される経路で電流が流れます。
充放電している間、Q3,Q4の中間点の電圧は0VからVinに徐々に変化します。
Q3がターンオフする瞬間はQ3両端電圧は0Vを維持されているためZVSが成立します。
充放電が完了した後、引き続きLlの電流は流れ続けます。その電流はQ4のダイオードから流れます。
この状態ではQ4両端電圧はほぼ0Vです。このタイミングでQ4をターンオンすることでZVSが成立します。
はい、あとは繰り返しです。
最初の2つを理解したら後は逆をやっているだけなのですぐにわかるかと思います。
本日は以上になります。最後までお読みいただきありがとうございました！！