位相シフト全ブリッジコンバータにおける電荷ベースソフトスイッチング解析とコミューティングインダクタンスおよびデッドタイムの同時選択
Charge-Based Soft-Switching Analysis and Joint Selection of Commutating Inductance and Dead Time in Phase-Shifted Full-Bridge Converters
位相シフト全ブリッジ(PSFB)コンバータの遅延脚のゼロ電圧スイッチング(ZVS)は、通常、電圧に依存しない静電容量を仮定するエネルギー基準で評価される。しかし、出力静電容量が電圧によって3桁近く低下するスーパーjunction MOSFETの場合、この評価は閾値と損失を誤って判断する。本稿では、データシートの出力静電容量Coss(u)特性の積分に基づく電荷ベースのアプローチを提案する。これにより、閾値仕事量、スイッチングノード軌跡、残留電圧を計算できる。ダイオードブリッジと同期整流器の場合のコミューティング電流を導出し、閾値以下の遷移にはデッドタイム条件が等式となる転換点が存在する。設計手順により、コミューティングインダクタンス、デッドタイム、および並列一次デバイス数を同時に選択する。3.3kWの基準コンバータでは、実現可能な範囲は3.9~17.8μH(同期整流器)または10.6~16.4μH(ダイオードブリッジ)であり、最適値は8μH/310nsである。PLECS Spiceシミュレーションは、コミューテーション電流を10%以内で再現し、軽負荷時の予測された不完全遷移を確認した。
- 出力静電容量が電圧で3桁近く低下するスーパージャンクションMOSFETでは、電圧非依存の静電容量を仮定する従来のエネルギー基準ZVS評価は閾値と損失を誤判定する
- データシートの出力静電容量Coss(u)特性の積分に基づく電荷ベースのアプローチを提案し、閾値仕事量・スイッチングノード軌跡・残留電圧を算出可能にした
- ダイオードブリッジと同期整流器のコミューティング電流を導出し、閾値以下の遷移でデッドタイム条件が等式となる転換点の存在を示した
- 設計手順によりコミューティングインダクタンス、デッドタイム、並列一次デバイス数を同時選択可能とした
- 3.3kW基準コンバータで実現可能範囲は3.9~17.8μH(同期整流器)、10.6~16.4μH(ダイオードブリッジ)、最適値は8μH/310ns
- PLECS Spiceシミュレーションがコミューテーション電流を10%以内で再現し、軽負荷時の不完全遷移予測を確認した
PSFBコンバータのZVS設計を、スーパージャンクションMOSFETの電圧依存Coss(u)を積分する電荷ベース手法に置き換える研究。デバイスの非線形特性を織り込まない従来のエネルギー基準では軽負荷時の不完全遷移を見誤るという指摘は、SiC/GaNやスーパージャンクション系パワーデバイスのデータシート整備・設計ツールの重要性を示す。3.3kW基準機でコミューテーションインダクタンス3.9〜17.8μH、最適8μH/310nsといった具体設計値を提示しており、EVオンボードチャージャやデータセンター電源向けパワエレ設計の効率・信頼性最適化に直結する。パワー半導体メーカーのリファレンス設計や設計支援エコシステムの価値に波及しうる点を注目したい。