Siパワーデバイス|評価編

LLCコンバータの動作の特徴

2022.03.29

この記事のポイント

・LLCコンバータのメリットはスイッチング損失の低減だが、共振外れによってスイッチング損失が増大しMOSFETが破壊する場合がある。

・LLCコンバータはPFM方式を用いて出力電圧を制御する。LLCのゲイン-周波数特性は2つの共振周波数を持つため、fswによって3つの動作領域に分類される。

今回は、2つ目の「LLCコンバータの動作の特徴」に関してです。

LLCコンバータの動作の特徴

前回示した基本回路の一次側MOSFETに着目した場合の、LLCコンバータのメリットおよびデメリットを下表に示します。LLCコンバータは、励磁電流を用いてMOSFETの出力容量Cossの充放電を行う部分共振方式によってZVS動作を実現します。これにより、スイッチング損失を低減できるため、MOSFETのパッケージや放熱用ヒートシンクを小型化することができます。

メリット デメリット
  • ・ブリッジ構成の回路なのでMOSFETのドレインーソース間電圧VDSが電源電圧でクランプされる。
  • ・基本的にターンON時はZVS動作なので、スイッチング損失を低減できる。
  • ・スイッチング損失を低減できるので、パッケージやヒートシンクの小型化が可能である。
  • ・共振外れによってMOSFETに貫通電流が流れ、スイッチング損失が増大する。最悪の場合、MOSFETが破壊する恐れあり。

LLCコンバータは、MOSFETのスイッチング周波数fswを変化させる周波数変調(Pulse Frequency Modulation、以下PFM)方式を用いて出力電圧を制御しています。この回路方式は、Lr、Lm、Crを用いて式(1)、式(2)で表される2つの共振周波数を持っており、スイッチング周波数の設定次第で回路動作が変わります。

f_0=1/(2π√(L_r C_r )) ・・・・・・・・(1)f_m=1/(2π√((L_r+L_m ) C_r )) ・・・・・・・・(2)

図2はゲイン-周波数特性のグラフです。スイッチング周波数とDCゲインによって、3つの動作領域に分類されます。

LLCコンバータの動作の特徴。LLCコンバータのゲイン-周波数特性のグラフ。
図2.LLCコンバータのゲイン-周波数特性グラフ

以下、各領域の説明です。

領域(1) 誘導性負荷領域。励磁電流を用いた部分共振によりZVS動作を実現する。
領域(2) 領域(1)と同様にZVS動作をする。この領域ではG>1なので昇圧動作を行う。通常、LLCコンバータではこの領域を使用する。
領域(3) 容量性負荷領域。ZVS動作ではなくZCS動作になる。MOSFETのターンOFF時に負方向に電流が流れるため、MOSFETのボディダイオードに電流が流れてしまい、ボディダイオードの逆回復特性による貫通電流が逆アームに流れ、ターンON損失が増大する。

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