【PFC回路】バイパスダイオードの役割について！

PFC回路にはバイパスダイオードが接続されている場合があります。

この記事では、PFC回路のバイパスダイオードって何？どこに接続されているの？という基本的な内容から、バイパスダイオードの有無による突入電流の経路の違い、バイパスダイオードの役割などを詳しく説明します。

バイパスダイオードとは

PFC回路のバイパスダイオードD₁はインダクタLと出力ダイオードD_OUTの両端に接続されているダイオードです。このバイアスダイオードD₁は入力電圧v_INの印加時に生じる突入電流が流れる経路を確保するために接続されています。

突入電流の経路

入力電圧v_INを印加前は、出力コンデンサC_OUTには電荷が溜まっていないため、出力電圧V_OUTは0Vとなっています。この出力電圧V_OUTが0Vの状態において、入力電圧v_INを印加すると、突入電流がEMIフィルタ→ブリッジダイオード→バイパスダイオードD₁→出力コンデンサC_OUTの経路で流れ、出力コンデンサC_OUTを充電します。

また、入力電圧v_INは正弦波なので0Vの時もあればピーク電圧V_INPEAKの時もあります。そのため、入力電圧v_INがどのタイミングで印加されるかによって突入電流の大きさが変わり、電圧が大きくなる90°の箇所や270°の箇所で印加されると、突入電流が非常に大きくなります。

出力電圧V_OUTが入力電圧v_INより高くなると、バイパスダイオードD₁は逆バイアス電圧(カソードKの方がアノードAよりも電圧が高くなること)が印加されるため、バイパスダイオードD₁がオフします。

すなわち、入力電圧v_INの印加時のみバイパスダイオードD₁が導通し、出力コンデンサC_OUTを充電するということです。そのため、バイパスダイオードはプリチャージダイオード(Pre-Charge Diode)とも呼ばれています。

補足

バイパスダイオードD₁がない場合、突入電流はインダクタLと出力ダイオードD_OUTに流れてしまい、出力ダイオードD_OUTが破壊する可能性があります。

バイパスダイオードの役割

バイパスダイオードD₁は出力ダイオードD_OUTの破壊を防止するだけでなく、以下の役割も担っています。

インダクタのコアの飽和対策

バイパスダイオードD₁がない場合、入力電圧v_INを印加時に突入電流がインダクタLに流れることで、インダクタLのコアが飽和する可能性があります。コアが飽和した状態でMOSFETがオンすると、MOSFETに大電流が流れるため破壊する可能性があります。また、コアが飽和すると、出力ダイオードD_OUTに大電流が流れるため、出力ダイオードD_OUTの破壊の原因にもなります。突入電流をバイパスダイオードD₁に流すことでインダクタLのコアの飽和を防止することができます。

雷サージ対策

バイパスダイオードD₁がない状態で雷サージが印加すると、インダクタLに大電流が流れます。その後、インダクタには逆起電力が生じ、ブリッジダイオードに逆バイアス電圧(カソードKの方がアノードAよりも電圧が高くなること)が印加されます。その結果、ブリッジダイオードが絶縁破壊する可能性があります。バイパスダイオードD₁を接続すると、雷サージのエネルギーを出力コンデンサC_OUTに流すことができるため、ブリッジダイオードの破壊を防止することができます。

共振対策

バイパスダイオードD₁がない場合、インダクタLと出力コンデンサC_OUTで共振回路を形成します。この共振回路によって、入力電圧v_INを印加時にOUTに高電圧が印加される可能性があります。バイパスダイオードD₁を接続することで、共振現象を防止することができます。