【PFCコンバータ】トーテムポール型ブリッジレスPFCコンバータの動作原理

みなさま、お疲れ様です。

本日は「トーテムポール型ブリッジレスPFCコンバータ」の動作原理を解説してみようと思います。

トーテムポール型ブリッジレスPFCの動作がわからなくてブチ切れ寸前の方の一助になれば幸いです。

回路図はこんな形をしています↓。

ちなみにQ3,4はダイオードでも良いです。その回路はこんな感じ↓。

ちなみにちなみにブリッジレスPFCコンバータはこんな感じ↓。

今回はQ3,Q4もMOSFETにしたタイプのトーテムポール型ブリッジレスPFCについて話を進めます。

Q3とQ4はAC入力電圧の周波数に応じてオンオフします。Q1,2は高速でスイッチング動作します。

それにより、AC入力電圧をDC電圧を昇圧して出力します。

動作イメージはAC入力の上側半波と下側半波のときで昇圧チョッパー動作しているって感じです。

では、各モードの解説をします。

各動作モードと電流経路

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。

モード1 上側半波の充電時

モード1はQ2,4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。

$$\small{
ΔI_L=\frac{V_ac}{L}
}$$

モード2  上側半波のときの放電

モード2では、Q2,4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。

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

モード3  下側半波のときの充電

モード1の下側半波バージョンです。Q1,3がオンします。

電流経路は以下の通りです。

モード1と同様にリアクトルに電源電圧Vacを印加して、エネルギーをチャージしています。

モード4  下側半波のときの放電

モード2の下側半坡バージョンです。Q2,3がオンします。

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Q3を通って、Vdcだけ電圧降下して、Q2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。

よくできてますねぇ。

どうやってスイッチを動かしたらいいのか？のイメージ

各動きはわかったとして、じゃあどのやってスイッチをON/OFFさせたら良いでしょうか？

そもそもPFCコンバータは何をしたいかというと、、、「力率を1にしたい！」ってことです。

つまり「Vac(入力電圧)とIL(入力電流)の位相を合わせたい！！」がやりたいことです。

この点線に合わせるために赤線のように電流を流します。一部を拡大するとこんなイメージです。

つまりVacの電圧が0V付近の時は充電モード(モード1,3)を長くとり、ピーク電圧付近の時は放電モード(モード2,4)を長くとるように動いたら良い感じに電圧上昇に応じて、電流をついて来させることが出来ます。

これを見ると上側半波時はQ2が昇圧チョッパー回路のON時間に当たり、下側半波のときはQ1が昇圧チョッパー回路のON時間に当たっています。

つまり、DUTYを決めてゲートを叩きに行くときは上側半波と下側半波とでON DUTYをひっくり返さないといけないです。

はい、まぁそんな感じで今回は終わりです。

誰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！