電気回路設計｜基礎編

電流連続モード（CCM）PFC：ダイオードによる効率向上の例

2018.03.27

この記事のポイント

・電流連続モード（CCM）PFCではダイオードのtrrが損失に大きな影響を与えVFの影響は少ない。

・電流連続モード制御のPFCではtrrの小さいダイオードを選択することで回路効率を改善できる。

前回の臨界モードPFCの例に続いて、今回は電流連続モードPFCでの、ダイオードの特性の違いによる効率の違いを示します。

ダイオードによる電流連続モードPFC回路の効率改善の例

これは、以前にPFCの説明をした際に使った簡略化したPFCの回路例です。PFCの出力段の基本となるダイオードとMOSFETの組み合わせ部分において、ダイオードの特性が効率にどのような影響を与えるかを考察します。ダイオードはFRD（ファストリカバリダイオード）を用い、特性の異なる3種類での効率を測定した結果を示します。

左はシングルPFC（力率改善）の簡略回路図。右は電流連続モードPFCにおけるFRD（ファストリカバリダイオード）のtrrと回路効率の比較。trrが高速なほど効率は高い。

右のグラフは、各FRDによる回路効率に対しFRDのtrr（逆回復時間）を重ねてあります。グラフから読み取れるように、最も効率が高いのはtrrが最も低いFRDを使った場合です。以下に、各FRDの主要特性と効率の測定値を示します。

FRD IF (A) VF (V)
Typ. @IF max		 trr (ns)
Typ. @IF max, VR=400V		 効率 (%)
RFNL10TJ6S 10 1.1 100 (dIF/dt=-100A) 89.10
RFV8TG6S 8 2.3 25 (dIF/dt=-200A) 93.59
RFVS8TG6S 8 2.5 20 (dIF/dt=-200A) 93.87

回路条件：連続モード、Po=300W、fsw=200kHz、Vin=115Vrms、Vo=390V

RFNL10TJ6SとRFV08TJ6Sは、前回の臨界モードPFCの損失シミュレーションに使ったFRDで、RFNL10TJ6SはVFが低いことから臨界モードPFCでは最も高い効率をマークしたFRDです。逆にRFV08TJ6Sは、VFがRFNL10TJ6Sとの比較において高いことから、臨界モードPFCでの効率は低い結果となりました。

しかしながら、電流連続モードPFCの効率に関しては、VFの影響はほとんどなくtrrの影響が支配的です。trrが遅いことで効率が低下する理由は、波形図でわかります。

電流連続モードPFCにおけるダイオードのtrrの影響。trrが遅いと大きなIRが流れ、その影響でMOSFETに不要な大電流が流れ効率が低下する。

FRDの波形は、FRDがオンして5A程の順電流IFが流れ、その後オフすると18A程の逆電流IRが流れています。このIRはtrr期間に流れるもので、連続モードPFCでは、これがMOSFETのスイッチングに影響を与えます。波形が示す通り、MOSFETのオン時にはスパイク状の大電流が流れ、これが損失となって回路全体の効率を低下させます。FRDのtrrの詳細についてはこちらを参照願います。

結論としては、電流連続モードPFCにおいては、ダイオードのtrrが高速なほど効率は高くなります。VFには基本的に影響されません。

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