【LLCコンバータ】動作原理と電流ルートの詳細

この記事では『LLCコンバータ』において

などを図を用いて分かりやすく説明しています。

LLCコンバータの全10モードについて

上図にLLCコンバータの回路図と各部電流電圧波形を示します。LLCコンバータの電流ルート(MODE1～MODE10)を色分けしています。

LLCコンバータの電流ルートは全10モードありますが、共振キャパシタ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)による共振現象を利用しているためかなり複雑になります。

これから各MODEについて詳しく説明します。

MODE1

どのMODEから始めても良いのですが、今回はスイッチ\(S_1\)がON、スイッチ\(S_2\)がOFFの状態をMODE1として説明を行います。

1次側の電流ルート

スイッチ\(S_1\)がONしているため、「\(V_{IN}\)→\(S_1\)→\(C_R\)→\(L_R\)→\(L_1\)」のルートで電流が流れます。この電流は共振コンデンサ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)の共振電流であり、トランスの一次巻線\(L_1\)に流れる電流波形\(i_R\)を見ると正弦波上に変化しています。また、「\(V_{IN}\)→\(S_1\)→\(C_R\)→\(L_R\)→\(L_M\)」のルートで励磁電流\(i_{LM}\)も流れます。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れているため、2次側はダイオード\(D_{S1}\)が導通します。

その他

キルヒホッフの法則より、出力電圧\(V_{OUT}\)と等しい電圧がトランスの二次巻線\(L_2\)に印加されます。
その結果、一次巻線\(L_1\)にかかる電圧は
\begin{eqnarray}
V_{OUT}×\frac{N_1}{N_2}\\
\end{eqnarray}
となります(\(N_1\)：一次巻線\(L_1\)の巻線数、\(N_2\)：二次巻線\(L_2\)の巻線数)。この電圧が励磁インダクタンス\(L_M\)にも印加されるため、励磁電流\(i_{LM}\)は直線状に増加します。共振コンデンサ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)の共振が終了し、一次巻線\(L_1\)に流れる電流\(i_{L1}\)が0Aになると次のMODEへ移行します。

MODE2

MODE2はスイッチ\(S_1\)がON、スイッチ\(S_2\)がOFFの状態です。

1次側の電流ルート

共振コンデンサ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)の共振が終了し、一次巻線\(L_1\)に流れる電流\(i_{L1}\)が0Aになっているため、励磁電流\(i_{LM}\)のみ流れます。電流ルートは 「\(V_{IN}\)→\(S_1\)→\(C_R\)→\(L_R\)→\(L_M\)」となります。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れていないため、2次側はダイオード\(D_{S1}\)が導通しません。すなわち、この期間では、負荷電流は出力コンデンサ\(C_{OUT}\)から供給されます。

その他

スイッチ\(S_1\)がターンOFFすると次のMODEへ移行します。

MODE3

MODE3はスイッチ\(S_1\)がOFF、スイッチ\(S_2\)がOFFの状態です。

1次側の電流ルート

スイッチ\(S_1\)がOFFしても、インダクタの性質より、励磁電流\(i_{LM}\)は流れ続けます。この励磁電流\(i_{LM}\)はコンデンサ\(C_1\)の充電(ルート：\(V_{IN}\)→\(C_1\)→\(C_R\)→\(L_R\)→\(L_M\))とコンデンサ\(C_2\)の放電(ルート：\(C_2\)→\(C_R\)→\(L_R\)→\(L_M\))となります。その結果、スイッチ\(S_1\)にかかる電圧\(V_{DS1}\)が増加し、スイッチ\(S_2\)にかかる電圧\(V_{DS2}\)は減少します。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れていないため、2次側はダイオード\(D_{S1}\)が導通しません。すなわち、この期間では、負荷電流は出力コンデンサ\(C_{OUT}\)から供給されます。

その他

コンデンサ\(C_1\)とコンデンサ\(C_2\)の充放電が終了すると、次のMODEへ移行します。

MODE4

MODE4はスイッチ\(S_1\)がOFF、スイッチ\(S_2\)がOFFの状態です。

1次側の電流ルート

コンデンサ\(C_1\)とコンデンサ\(C_2\)の充放電が終了しても、インダクタの性質より、励磁電流\(i_{LM}\)は流れ続けます。この励磁電流\(i_{LM}\)はダイオード\(D_2\)(スイッチ\(S_2\)のボディダイオード)に流れます。電流ルートは「\(L_M\)→\(D_2\)→\(C_R\)→\(L_R\)」となります。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れていないため、2次側はダイオード\(D_{S1}\)が導通しません。すなわち、この期間では、負荷電流は出力コンデンサ\(C_{OUT}\)から供給されます。

その他

スイッチ\(S_2\)がターンONすると次のMODEへ移行します。なお、スイッチ\(S_2\)のボディダイオード\(D_2\)が導通している時にオンするため、スイッチ\(S_2\)はZVS(Zero Voltage Switching)となります(正確にはダイオードの順方向電圧の低下があるので0Vではないが、近似的に0Vとします)。また、ボディダイオード\(D_2\)が導通している間は\(D_{S2}\)は-\(V_F\) (約-0.6V)でクランプされます。

MODE5

MODE5はスイッチ\(S_1\)がOFF、スイッチ\(S_2\)がONの状態です。
スイッチ\(S_2\)がターンONする際、共振コンデンサ\(C_R\)は充電され大きな電圧となっています(\(C_R\)の左側がプラス、右側がマイナス)。そのため、スイッチ\(S_1\)がOFFの期間では、電源\(V_{IN}\)から電力が供給されず、この共振コンデンサ\(C_R\)が電源の代わりとなります。

1次側の電流ルート

スイッチ\(S_2\)がONしているため、「\(C_R\)→\(S_2\)→\(L_1\)→\(L_R\)」のルートで電流が流れています。この電流は共振コンデンサ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)の共振電流であり、一次巻線\(L_1\)に流れる電流波形\(i_{L1}\)をを見ると正弦波上に変化しています。また、スイッチ\(S_2\)をONしても、インダクタの性質より、励磁電流\(i_{LM}\)は流れ続けます。この励磁電流\(i_{LM}\)の電流ルートは「\(L_M\)→\(S_2\)→\(C_R\)→\(L_R\)」となります。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れているため、2次側はダイオード\(D_{S2}\)が導通します。

その他

キルヒホッフの法則より、出力電圧\(V_{OUT}\)と等しい電圧がトランスの二次巻線\(N_3\)に印加されます。
その結果、一次巻線\(L_1\)にかかる電圧は
\begin{eqnarray}
-V_{OUT}×\frac{N_1}{N_3}\\
\end{eqnarray}
となります(\(N_1\)：一次巻線\(L_1\)の巻線数、\(N_3\)：二次巻線\(L_3\)の巻線数)。このマイナスの電圧が励磁インダクタンス\(L_M\)にも印加されるため、励磁電流\(i_{LM}\)は直線状に減少します。励磁電流\(i_{LM}\)が減少して、0Aになると、次のMODEへ移行します。
 

MODE6

MODE6はスイッチ\(S_1\)がOFF、スイッチ\(S_2\)がONの状態です。MODE6はMODE1の動作において、スイッチ\(S_1\)とスイッチ\(S_2\)が逆になっただけです。

1次側の電流ルート

スイッチ\(S_2\)がONしているため、「\(L_1\)→\(L_R\)→\(C_R\)→\(S_2\)」のルートで電流が流れます。この電流は共振コンデンサ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)の共振電流であり、トランスの一次巻線\(L_1\)に流れる電流波形\(i_R\)を見ると正弦波上に変化しています。また、「\(L_M\)→\(L_R\)→\(C_R\)→\(S_2\)」のルートで励磁電流\(i_{LM}\)も流れます。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れているため、2次側はダイオード\(D_{S2}\)が導通します。

その他

キルヒホッフの法則より、出力電圧\(V_{OUT}\)と等しい電圧がトランスの二次巻線\(N_3\)に印加されます。
その結果、一次巻線\(L_1\)にかかる電圧は
\begin{eqnarray}
-V_{OUT}×\frac{N_1}{N_3}\\
\end{eqnarray}
となります(\(N_1\)：一次巻線\(L_1\)の巻線数、\(N_3\)：二次巻線\(L_3\)の巻線数)。このマイナスの電圧が励磁インダクタンス\(L_M\)にも印加されるため、励磁電流\(i_{LM}\)は直線状に減少します。共振コンデンサ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)の共振が終了し、一次巻線\(L_1\)に流れる電流\(i_{L1}\)が0Aになると次のMODEへ移行します。

MODE7

MODE7はスイッチ\(S_1\)がOFF、スイッチ\(S_2\)がONの状態です。MODE7はMODE2の動作において、スイッチ\(S_1\)とスイッチ\(S_2\)が逆になっただけです。

1次側の電流ルート

共振コンデンサ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)の共振が終了し、一次巻線\(L_1\)に流れる電流\(i_{L1}\)が0Aになっているため、励磁電流\(i_{LM}\)のみ流れます。電流ルートは「\(L_M\)→\(L_R\)→\(C_R\)→\(S_2\)」となります。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れていないため、2次側はダイオード\(D_{S2}\)が導通しません。すなわち、この期間では、負荷電流は出力コンデンサ\(C_{OUT}\)から供給されます。

その他

スイッチ\(S_2\)がターンOFFすると次のMODEへ移行します。

MODE8

MODE8はスイッチ\(S_1\)がOFF、スイッチ\(S_2\)がOFFの状態です。MODE8はMODE2の動作において、スイッチ\(S_1\)とスイッチ\(S_2\)が逆になっただけです。

1次側の電流ルート

スイッチ\(S_2\)がOFFしても、インダクタの性質より、励磁電流\(i_{LM}\)は流れ続けます。この励磁電流\(i_{LM}\)はコンデンサ\(C_1\)の放電(ルート：\(L_M\)→\(L_R\)→\(C_R\)→\(C_1\)→\(V_{IN}\))とコンデンサ\(C_2\)の充電(ルート：\(L_M\)→\(L_R\)→\(C_R\)→\(C_2\))となります。その結果、スイッチ\(S_1\)にかかる電圧\(V_{DS1}\)が減少し、スイッチ\(S_2\)にかかる電圧\(V_{DS2}\)は増加します。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れていないため、2次側はダイオード\(D_{S2}\)が導通しません。すなわち、この期間では、負荷電流は出力コンデンサ\(C_{OUT}\)から供給されます。

その他

コンデンサ\(C_1\)とコンデンサ\(C_2\)の充放電が終了すると、次のMODEへ移行します。

MODE9

MODE9はスイッチ\(S_1\)がOFF、スイッチ\(S_2\)がOFFの状態です。MODE9はMODE4の動作において、スイッチ\(S_1\)とスイッチ\(S_2\)が逆になっただけです。

1次側の電流ルート

コンデンサ\(C_1\)とコンデンサ\(C_2\)の充放電が終了しても、インダクタの性質より、励磁電流\(i_{LM}\)は流れ続けます。この励磁電流\(i_{LM}\)はダイオード\(D_1\)(スイッチ\(S_1\)のボディダイオード)に流れます。電流ルートは「\(L_M\)→\(L_R\)→\(C_R\)→\(D_1\)」となります。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れていないため、2次側はダイオード\(D_{S2}\)が導通しません。すなわち、この期間では、負荷電流は出力コンデンサ\(C_{OUT}\)から供給されます。

その他

スイッチ\(S_1\)がターンONすると次のMODEへ移行します。なお、スイッチ\(S_1\)のボディダイオード\(D_1\)が導通している時にオンするため、スイッチ\(S_1\)はZVS(Zero Voltage Switching)となります(正確にはダイオードの順方向電圧の低下があるので0Vではないが、近似的に0Vとします)。また、ボディダイオード\(D_1\)が導通している間は\(V_{DS1}\)は-\(V_F\) (約-0.6)でクランプされます。

MODE10

MODE10はスイッチ\(S_1\)がON、スイッチ\(S_2\)がOFFの状態です。MODE10はMODE5の動作において、スイッチ\(S_1\)とスイッチ\(S_2\)が逆になっただけです。

1次側の電流ルート

スイッチ\(S_1\)がONしているため、「\(V_{IN}\)→\(S_1\)→\(C_R\)→\(L_R\)→\(L_1\)」のルートで電流が流れています。この電流は共振コンデンサ\(C_R\)と共振インダクタ\(L_R\)の共振電流であり、一次巻線\(L_1\)に流れる電流波形\(i_{L1}\)をを見ると正弦波上に変化しています。また、スイッチ\(S_1\)をONしても、インダクタの性質より、励磁電流\(i_{LM}\)は流れ続けます。この励磁電流\(i_{LM}\)の電流ルートは「\(L_M\)→\(L_R\)→\(C_R\)→\(S_1\)→\(V_{IN}\)」となります。

2次側の電流ルート

一次巻線\(L_1\)に電流が流れているため、2次側はダイオード\(D_{S1}\)が導通します。

その他

キルヒホッフの法則より、出力電圧\(V_{OUT}\)と等しい電圧がトランスの二次巻線\(N_2\)に印加されます。
その結果、一次巻線\(L_1\)にかかる電圧は
\begin{eqnarray}
V_{OUT}×\frac{N_1}{N_2}\\
\end{eqnarray}
となります(\(N_1\)：一次巻線\(L_1\)の巻線数、\(N_2\)：二次巻線\(L_2\)の巻線数)。この電圧が励磁インダクタンス\(L_M\)にも印加されるため、励磁電流\(i_{LM}\)は直線状に増加します。励磁電流\(i_{LM}\)が増加して、0Aになると、MODE１へ移行します。