まとめ - 高効率フルブリッジレス PFC電源および LLC共振回路のEMI低減に関する研究

本稿ではLLC電源回路を構成する二種類の電源回路の改善に取り組んだ。

一つ目はPFC電源における効率改善及び、EMI低減である。前者はダイオードの役割を

MOSFETに代用させることで、整流ブリッジにおける損失改善を行った。複雑な制御構成

になるが、シミュレーション上で効率を 98%まで高めることができた。後者は、クロック信号に周波数格差技術を使用することで、最大19.6dBの低減効果が得られる。

二つ目は LLC 共振回路におけるEMI低減である。時比率変調を用いたスペクトラム拡散を行うと、EMIが約 13dB低減される。しかし出力電圧に変調リプルが生じてしまうため、変調度合いを抑える逆周波数変調を行った。この結果、リプルを12mV まで抑えることに成功した。

今後の課題として、フルブリッジレスPFC回路の実装が挙げられる。本稿ではシミュレーション上で、実在する素子モデルで動作させてきた。回路実装を見越してのシミュレーションだが、温度特性も含めた検討までは行われていない。特にハイサイドMOSFETの駆動では、実装時の内部抵抗の状態が効率に影響してくるため、排熱環境などを考量する必要がある。

追加資料

前述のフルブリッジレスPFC電源において実装を試みたが、時間的な制約と進捗の遅れから完成には至らなかった。成果は出ていないため、本節は途中までの足跡を残す意味合いで記述する。

PFC 電源の制御では、本稿のシミュレーションのようにアナログ回路で構成させることも可能であるが、時間の関係で市販のICを利用した。具体的な作成回路図を図7.1、回路仕様を表7.1にまとめた。図7.1は通常方式のPFC電源回路であり、本回路を拡張することでフルブリッジレスPFC電源の作成に取り掛かるはずであったが、そこまでの制作に至らなかった。

通常方式のPFC電源の作成回路は図7.2であり、動作時には図7.3のような結果が得られた。入力電圧と入力電流の波形から力率改善動作が行われていることが見て取れる。昇圧比はおよそ3倍であり、出力電力は約12.6Wとなった。

図7.1 作成回路図

図7.2 作成回路写真

𝑉𝑖𝑛 𝐶𝑖𝑛 𝐶′_𝑖𝑛

𝑅_𝑜𝑢𝑡 𝑉_𝑜𝑢𝑡 L

LIR1150S

𝑅1 𝑅2

𝑅3 𝑅₄

𝑅5 𝑅6

𝑅 𝑅

𝑅 𝐶1

𝐶2 𝐶₃

𝐶4

𝐶𝑜𝑢𝑡 𝐶′_𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑐𝑐 𝐷₁

𝐷2

表7.1 実装回路仕様 (a)パワー段使用素子 (b)制御部使用素子 Parameters Value or Model number

𝑉_𝑖𝑛 50V@100Hz

𝑉_𝑜𝑢𝑡 140V

𝐶_𝑖𝑛 0.22μF

𝐶′_𝑖𝑛 0.1μF

L 942μH

𝐷₂ IN5408

𝐶_𝑜𝑢𝑡 0.1μF

𝐶′_𝑜𝑢𝑡 940μF

𝑅_𝑜𝑢𝑡 1kΩ

Q 2Sk3234

(a)

[3] 原田耕介 (1999.12.25) 「よくわかるSW電源入門ソフトスイッチング電源技術」

東京. 日刊工業新聞社

[4] 落合政司 (H27.3.25) 「スイッチング電源の原理と設計」東京, オーム社

[5] エヌエフ回路設計ブロック「コンデンサインプット形整流回路」

www.nfcorp.co.jp/techinfo/dictionary/033.html

[6] EDN Japan「力率改善回路(PFC)」

https://ednjapan.com/edn/articles/1206/18/news008.html

[7] Texas Instruments「UCC２８０７０によるブリッジレス電力係数補償（PFC）

プリレギュレータ設計の実装」

http://www.tij.co.jp/jp/lit/an/jaja214/jaja214.pdf

[8] ローム株式会社「ダイオードの歴史と原理」

https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/diodes/di_what1

[9] 羽鳥光俊（H12.6.30）「EMC設計の実際―放射妨害波の制御」東京, 丸善株式会社

[10] 広瀬正侑, 庄山正仁, 西川幸廣, 鷁頭政和（2019.7.20）「LLC 電流共振コンバータの

PFM制御及び位相シフト制御における安定性解析について」信学技報 EE2019-20, 19-24, 東京

研究業績

国内学会発表・研究会発表 (発表者に下線)

[1] 大岩紀行, 櫻井翔太郎, 築地伸和, 小堀康功, 小林春夫

「昇圧型PFC電源におけるEMIノイズ低減の研究」

第8回電気学会東京支部栃木・群馬支所合同研究発表会, ETG18-68, ETT18-68 群馬大学（2018年3月1日、3月2日）

[2] アーマッドブストニ, 大岩紀行, 櫻井翔太郎, 孫逸菲, 小堀康功, 小林春夫「高効率力率改善電源のブリッジレス化」

第9回電気学会東京支部栃木・群馬支所合同研究発表会, ETG-19-56,ETT-19-56 小山高専（2019年3月4日、3月5日）

[3] 大岩紀行, 片山翔吾, 小堀康功, 桑名杏奈, 小林春夫

「高効率フルブリッジレスPFC回路とLLC回路におけるEMI低減法」

電気学会電子回路研究会, ECT-019-076. 明治大学駿河台キャンパス

（2019年12月6日）

[4] 大岩紀行「LLC電源での効率改善とEMI低減技術の検討」

第74回「システムLSI合同ゼミ」, 東京農工大学小金井キャンパス, (2020,1,25)

国際学会発表・研究会発表 (発表者に下線)

[5] Noriyuki Oiwa, Shotaro Sakurai, Nobukazu Tsukiji, Yasunori Kobori and Haruo Kobayashi,

”A Study on EMI Noise Reduction in Boost-Type PFC Circuit”

2nd International Conference on Technology and Social Science (ICTSS2018), Kiryu, Japan (18-20 April, 2018)

[6] Noriyuki Oiwa, Shotaro Sakurai, Yifei Sun, Minh Tri Tran, Jing Li, Yasunori Kobori and Haruo Kobayashi,

“EMI Noise Reduction for PFC Converter with Improved Efficiency and High Frequency Clock.”

IEEE 14^th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, Qingdao,China（Nov. 2018）

[7] Ahmad Bustoni, Noriyuki Oiwa, Shotaro Sakurai, Yifei Sun, Yasunori Kobori and Haruo Kobayashi,

“Bridge-less Power Factor Correction Converter with Adaptive Switching Pulse Enabling Control.”

International Conference on Mechanical, Electrical and Medical Intelligent System 2018

[8] Noriyuki Oiwa, Shotaro Sakurai, Ahmad Bustoni, Shogo Katayama, Yasunori Kobori and Haruo Kobayashi,

“EMI Noise Reduction for PFC Converter with Improved Efficiency and High Frequency Clock.”

5^th International Symposium of Gunma University Medical Innovation and 9^th International Conference on Advanced Micro-Device Engineering, P057, Kiryu City Performing Art Center, Japan (Dec. 2018)

[9] Minh Tri Tran, Yifei Sun, Noriyuki Oiwa, Yasunori Kobori, Anna Kuwana and Haruo Kobayashi "Mathematical Analysis and Design of Parallel RLC Network in Step-down Switching Power

Conversion System"

3rd International Conference on Technology and Social Science (ICTSS2019), Kiryu, Japan (8-10 May, 2019)

[9] Minh Tri Tran, Yifei Sun, Noriyuki Oiwa, Yasunori Kobori, Anna Kuwana and Haruo Kobayashi "Fast Response, Small Ripple, Low Noise Switching Converter with Digital Charge Time

Control and EMI Harmonic Filter"

3rd International Conference on Technology and Social Science (ICTSS2019), Kiryu, Japan (8-10 May, 2019)

[10] Shogo Katayama, Noriyuki Oiwa, Yasunori Kobori, Anna Kuwana and Haruo Kobayashi

"Output Voltage Ripple Reduction with Nosie Spread Spectrum for Dual-Phase LLC Resonant Converter"

5th Taiwan and Japan Conference on Circuits and Systems (TJCAS 2019 at Nikko) , Nikko, Tochigi, Japan, (August 19-21, 2019)

[11] Shogo Katayama, Noriyuki Oiwa, Yasunori Kobori, Anna Kuwana and Haruo Kobayashi "Output Voltage Ripple Reduction for Current Mode Resonant Converter"

5th Taiwan and Japan Conference on Circuits and Systems (TJCAS 2019 at Nikko) , Nikko, Tochigi, Japan, (August 19-21, 2019)

[12] Noriyuki Oiwa, Shogo Katayama, Yasunori Kobori, Anna Kuwana and Haruo Kobayashi "High-Efficiency Full-Bridgeless PFC Power Supply Circuit"

5th Taiwan and Japan Conference on Circuits and Systems (TJCAS 2019 at Nikko) , Nikko, Tochigi, Japan, (August 19-21, 2019)

学術論文誌

[1] Minh Tri Tran, Yifei Sun, Noriyuki Oiwa, Yasunori Kobori, Anna Kuwana and Haruo Kobayashi

"Fast Response, Small Ripple, Low Noise Switching Converter with Digital Charge Time Control and EMI Harmonic Filter"

Journal of Mechanical and Electrical Intelligent System (JMEIS, J. Mech. Elect. Intel. Syst.).

[2] Minh Tri Tran, Yifei Sun, Noriyuki Oiwa, Yasunori Kobori, Anna Kuwana and Haruo Kobayashi

“Mathematical Analysis and Design of Parallel RLC Network in Step-down Switching Power Conversion System"

Journal of Mechanical and Electrical Intelligent System (JMEIS, J. Mech. Elect. Intel. Syst.). vol.

3, no. 2 (May 2020).

受賞

[5] Best Student Award

Noriyuki Oiwa, Shotaro Sakurai, Nobukazu Tsukiji, Yasunori Kobori, Haruo Kobayashi,

”A Study on EMI Noise Reduction in Boost-Type PFC Circuit”

2nd International Conference on Technology and Social Science (ICTSS2018), Kiryu, Japan (18-20 April, 2018)

ドキュメント内高効率フルブリッジレス PFC電源および LLC共振回路のEMI低減に関する研究 (ページ 49-57)