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2021.02.09 Siパワーデバイス

PSFB回路の基本構成

位相シフトフルブリッジ回路の電力変換効率向上

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はじめに

Siパワーデバイスの評価編 第2弾として、「位相シフトフルブリッジ回路の電力変換効率向上」に関する記事の連載を開始します。

近年、サーバーやオンボードチャージャーなどの電源には、さらなる大電力化が要求されています。このような大電力電源には多くの場合フルブリッジ回路が用いられ、特に位相シフトフルブリッジ(Phase Shift Full Bridge以下PSFB)回路は、スーパージャンクションMOSFET(以下SJ MOSFET)やIGBTなどのスイッチング素子のターンON時にゼロ電圧スイッチング(Zero Voltage Switching以下ZVS)動作が可能で、スイッチング損失を低減できることから、より大きな電力を扱うことが可能になります。

電源の大電力化に伴って、効率の向上が大きな課題になります。一般的に、効率が同じでも大電力電源の場合は損失自体が大きくなりますので、可能な限り高効率が望まれます。

本章では、PSFB回路にSJ MOSFETが使用される場合の回路動作から、高速リカバリー型SJ MOSFETの必要性を解説します。また、リカバリー特性の異なるSJ MOSFETによる効率比較を行い、PSFB回路におけるリカバリー特性の重要性を確認します。

PSFB回路の基本構成

最初に、PSFB回路の基本構成を示します。この基本構成がイメージできていると、以降の回路動作も理解しやすくなります。

位相シフトフルブリッジ(Phase Shift Full Bridge/PSFB)の基本回路

PSFBの特徴の1つであるZVSを実現するため、共振用インダクタとしてトランスの漏れインダクタンスを利用しますが、ZVS動作の範囲を広げるためトランスと直列にインダクタを付加する場合もあります。ここでは、その直列付加インダクタLSが使用される回路を想定します。

続いて、各スイッチのON/OFFタイミングチャートを示します。図の下部、両矢印の下に示されている数字は、回路動作モードを表すラベルです。後の回路動作の説明で使うモード番号は、これに一致します。

チャートが示すように、Q1とQ2がON/OFF状態を入れ替えた後、ある位相遅れをもってQ3とQ4がON/OFF状態を入れ替えます。このことから一般的に、Q1とQ2のレグを「進みレグ」、Q3とQ4のレグを「遅れレグ」と呼びます。

位相シフトフルブリッジ(Phase Shift Full Bridge/PSFB)のスイッチング

キーポイント:

・位相シフトフルブリッジ(PSFB)回路は、スイッチング素子がゼロ電圧スイッチング(ZVS)動作をすることにより、スイッチング損失を大幅に低減できるため、より大きな電力を扱うことが可能。

・PSFBのスイッチング回路は基本的に4個のスイッチング素子(MOSFET)からなり、ZVS動作に必要な共振用インダクタとしてトランスの漏れインダクタンスを利用する。

・ZVS動作の範囲拡張のためトランスと直列にインダクタを付加する場合もある。ここでは付加された回路を想定。

・基本のスイッチングは、Q1とQ2がON/OFF状態を入れ替えた後、ある位相遅れをもってQ3とQ4がON/OFF状態を入れ替える。

・一般に、Q1とQ2のレグを「進みレグ」、Q3とQ4のレグを「遅れレグ」と呼ぶ。

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