パワーエレクトロニクス工学論

９．ソフトスイッチング電源 （ 共振型スイッチング電源 ）

9-1 各種ソフトスイッチング方式

9-2 ZVS-PWM制御スイッチング電源 9-3 電圧共振型ソフトスイッチング電源

9-4 新方式共振型ソフトスイッチング電源

パワーエレクトロニクス工学論

（１）ソフトスイッチングの概要 ● 特 徴

＊メリット ：スイッチング損失の低減・・・効率の向上 ＊デメリット：共振用ＬＣの追加、共振周波数の変動

● 動 作

＊出力電圧・電流を共振・・・正弦波波形（ノイズ小さい）

＊SW素子の V=0 （あるいは I =0）で スイッチを切換え ⇒ スイッチの損失がない

ＺＶＳ ： Zero Voltage Switching ＺＣＳ ： Zero Current Switching

● 種類（多数の方式あり）

＊電流共振／電圧共振／複共振 ＊直列共振／並列共振

9.1 各種ソフトスイッチング方式

◆スイッチング動作波形の比較

（Ａ） 通常の動作

＊両端電圧の切換えと、

電流の切換えが同時に発生 ＊ＯＦＦ時の電流切換えが遅れる ＊スイッチング・ロス

ロス電力： Ｐ＝∫Ｖ･Ｉ

（Ｂ） ソフトスイッチングの動作 ＊共振により電圧や電流を振動 ［ＺＶＳの場合」

・両端電圧＝０ でＳＷ＝ＯＮ ［ＺＣＳの場合］

・ＳＷ電流＝０ でＳＷ＝ＯＮ

PWM V

I

OFF

PWM V

I

OFF

(B) ソフトスイッチング波形 (A) 通常のスイッチング波形

●電流共振スイッチ と電圧共振スイッチ

＊スイッチング電源に対して、共振素子（Lr,Cr,Dr）を追加 ＊電流（電圧）共振時、電圧（電流）は通常のスイッチング ＊コンデンサの挿入位置の相違

＊電流（電圧）=0 の期間にスイッチ切換え・・・スイッチ期間は限定

（２） ソフト・スイッチングの基本回路

(A) 電流共振スイッチ（半波形）

ON OFF

S i

V

Ｓ Lr

Ｄ V

Cr

P

Ic

負荷電流源

Ｄr

(B) 電圧共振スイッチ（全波形）

S

i

Vc

OFF ON

Ｓ

Lr Ｄ

Cr V

Ic

Ｄr

Vc

●動作：・共振周波数は固定：ＳＷ周波数を可変して出力電圧制御 ・半波形／全波形：半周期／一周期の電流をD で制限

(A) 半波形

Ａ Ｃ

Ｐ Ｓ Lr

Ｄ V

Cr

Ic

(B) 全波形

Ｓ Lr

Ａ Ｃ

Ｐ Cr Ｄ

V

Ic

（参考１） 電流共振スイッチとコンバータ構成

(A) 降圧形コンバータ（半波形）

Ｓ Lr

Ｐ

V

Ａ Ｃ

Cr Ｄ V

L

Ｃ Ｒ

(B) 昇圧形コンバータ（全波形）

Ｐ V

Ｓ Lr

Ａ

Ｃ Ｄ

V

Cr

L

Ｃ Ｒ

電流共振スイッチ（降圧形電源）

Ｐ

V

Ｓ Lr

Ａ Ｃ

Ｄ Ic Cr

(A) 半波形

（参考２） 電圧共振スイッチとコンバータ構成

(A) 降圧形コンバータ

Ｓ

Lr

Ｐ

V

Ａ Ｃ

Ｄ V

Cr

L

Ｃ Ｒ

(B) 昇圧形コンバータ

Ｐ V

Ｓ

Lr

Ａ

Ｃ Ｄ

Cr V

L

Ｃ Ｒ

電圧共振スイッチ（昇圧形電源）

Lr Ｓ

Ａ

Ｃ Ｐ

Ｄ

Cr V

Ic

(B) 全波形

＊半波形／全波形：半周期／一周期の電圧供給を、Diで制限

（１）降圧形ZVS-PWM制御電源

● 構 成

＊共振コンデンサ１個のみ追加

＊Vc＝Vinで SW = ON

⇒ スイッチング損失 =0

●特徴

＊コイルに双方向電流

ＬＣ共振⇒Ｖｃ を立上げる

＊制御周波数（周期）

・SWーOFF時間：共振条件 ・SW－ON 時間 ：制御条件

9.2 ZVS-PWM制御スイッチング電源

Vin Vc Vo

ZVS-PWM

M3 M5

M2

M1 M4

Vds PWM ＩＬ

Vc

● 動作説明

＊モード１： ｔ 0～ｔ １

・PWM信号=OFF ⇒ SW=OFF ・ＩＬ 順方向電流により、

共振Crの電荷は放出 ⇒ Vc 低下

Vc(t)=Vin－（Io／Cr）･ｔ (9-1) ・短時間で Vc=0V

T1≒Vin･Cr／Io (9-2)

Vin Vc Vo

ZVS-PWM

M3 M5

M2

M1 M4

Vds PWM ＩＬ

Vc

＊モード2： ｔ ₁～ｔ ₂

・Vc = 0 V ⇒ Di = ON

・ＩＬ は次式により、直線的に減尐 I_L(t) = Ioー(Vo／L)・ｔ (9-3) ・短時間で I_L =0 A

T2 = Io･Ｌ／Vo (9-4)

Vin Vc Vo

M3 M5

M2

M1 M4

Vds PWM ＩＬ

Vc

ZVS-PWM

＊モード3： ｔ ₂～ｔ ₃

・IL = 0 A ⇒ コイル電流は反転（反転電流）

⇒ D1=OFF より ＬＣ共振 (Co=電源）

⇒ Cr は充電を開始し、Vc上昇 Vc= 宿題 (9-5) ・Vc は上昇し、遂には Vc=Vin T3= 宿題 (9-6)

Vin Vc Vo

ZVS-PWM

M3 M5

M2

M1 M4

Vds PWM ＩＬ

Vc

＊モード4： ｔ ₃～ｔ ₀

・Vc = Vin ⇒ ボディ・ダイオード D2=ON Vc = Vin をコンパレータで検出

・PWM =“H”により、SW = ON ⇒ Vin の供給により、

I_L の微小反転電流は すぐに順方向に流れる

I_L (t) ≒ ｔ・(VinーVo)／L (9-7) ・Vo は徐々に上昇し、

遂には Vo = Vr に達する ⊿Vo(t) = (1/C)∫Ｉ_Ｌ･dt

= (Vin-Vo)/2LCo・t^２ (9-8) ・ Vo = Vr を検出し、PWM =“L”

・モード１ に戻る

Vin Vc Vo

ZVS-PWM

M3 M5

M1 M2 M4

Vds PWM ＩＬ

Vc

● シミュレーション結果 ＊回路構成

・出力誤差電圧とSAW信号を比較 ⇒ セット信号S を発生 ・Vc=Vin により、リセット信号R を発生

⇒ FF出力 = PWM信号

So

PWM

Vc PWM

SAW

S R

ZVS-PWM

● シミュレーション結果（動作波形）

＊シミュレーション波形

モード２の時間を制御可能

ZVS-PWM

Vgs=ON

Vc Vds

0A

モード

2

PWM

Vc IL

Vds

●シミュレーション結果（出力リプル）

結果：

定常リプル ＜ 2mVpp @Io=0.6A

過渡応答 ＜± 15mV @Io=0.6/1.2A

14

条件：

Vi=10V ， Vout=6.0V

Io=0.6A/1.2A, L=10uH, Cr=10nF, C=1000uF

出力リプル・過渡応答特性

Vout

Io=0.6A Io=0.6A

8mVpp

2mVpp

[ms]

Vo [V]

Io=1.2A

＋

15mV

－

15mV

● 実測波形

＊動作条件は、シミュレーション回路と同様 ＊実測波形は、原理波形と類似

● 共振条件

＊共振条件：２･Vo＞Vi

* Crの動作範囲：Vc=0～Vin ＊ 起動時の出力電圧：

Vo＞Vi/２ に充電必要

★起動時のチャージアップ回路必要

ZVS-PWM

PWM

Vc IL

Vds

I

Vds

Vc

PWM

（２）昇圧形ZVS-PWM制御電源

● 構成

＊ダイオードに並列に 共振コンデンサを接続 ●動作

* 共振原理は、降圧形と同様 ・M1：SW=OFF

⇒ IL により Cr は充電 ・M2：Vsw = Vo ⇒ Di = ON IL は次式で減尐

IL(t) = Io - ｔ・(Vo-Vin)/L (9-9) ・M3：遂には IL=0 A となり反転 ⇒ Co より逆電流

Cr は充電し Vswは低下 ・M4：Vsw=0V となり、ボディD=ON ・M5：Vsw=0V をコンパレータで検出 ⇒ SW=ON し、コイルにチャージ ・Vo=Vr により、PWM=OFF

M3 M5

M2

M1 M4

Vds PWM

ＩＬ

Vc

昇圧形

ZVS-PWM

● シミュレーション結果

＊回路条件

Vi=3.5V, Vo=6.0V, Io=0.12A L=3.9uH, Co=470uF, Cr=100nF Fop=162.5 kHz

● 実測波形

＊動作周波数

Fop=129 kHz (＜ Fsim=162.5 kHz) N-MOS、OPアンプ等の遅延 により、動作周波数は低下 ＊スイッチング損失比較

⊿Pzvs=0.55W ⇔ ⊿Pnor=29.3W 損失低減率＝98 %

昇圧形 電源の実測波形

昇圧形

ZVS-PWM

半波型電圧共振電源 主要波形

（１）半波型電圧共振電源

【構成】 ・スイッチと直列に 共振インダクタ、並列に 共振コンデンサ ・Vr = V

の検出で、SAW信号をﾘｾｯﾄ/ｽﾀｰﾄ ⇒ SW=ON (ZVS)

【特徴】 共振条件： Vi＜|Vr|=Io・Zr ：(Zr=√(Lr/Cr)特性インピーダンス 共振周波数：Fr= １／2 π √(Lr・Cr)、 Lr ＜ Lo

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi

Vo

PWM

SAW

AMP

Co R

Vr

COMP1

SＷ

Lo

Vi

Cr Lr

Do

Ir Vr I

V

V

⊿Vo

9.3 電圧共振型ソフトスイッチング電源

（１）半波型電圧共振電源

【動作説明】

* State 0：

・PWM=「H」：SW=ON のとき ・V

= Vr ≒ Vi

・Do = OFF ⇒ Ir = I

：増加中

半波型電圧共振電源 主要波形

Vi Vo

PWM=H

V

I

I

Vr

Lr Lo

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi

（１）半波型電圧共振電源

【動作説明】 State 1：

・Vo＞Vref ⇒ PWM=「L」に反転 ⇒ SW=OFF

・Cr ・Lr は共振状態となり、Vr は大きく上昇 (Vr ＞Vi) ・Ir=0 で、I

はDoより供給され、V

=-V

その後 Ir = 反転、Vr = 減尐 ⇒ Vr = V

を検出 ・SAW信号をリセット ⇒ PWM=「H」に反転

I

半波型電圧共振電源 主要波形

Vi Vo

PWM=L

Ir Vr

V

Cr Lr

I

Do

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi

【動作説明】 State 2：

・PWM=「H」になり、SW=ON ⇒ Vr = V

により ZVS を実現 ・Iｒ は逆流から順方向増加に転じる ⇒ I

は減尐

⇒ I

= 0 で、V

=Ｖｉ に変化

・Do=OFF となるが、Vr=Vi ＞ Vo より、 I

は増加し続ける

（１）半波型電圧共振電源

半波型電圧共振電源 主要波形

Vi Vo

PWM=H

Ir Vr

V

I

Do

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi

【動作説明】

* State 3：

・ I

の増加により、Vo ＞ Vr となり

・PWM=「L」 に転じ、SW = OFF ⇒ State 1 に戻る

（１）半波型電圧共振電源

半波型電圧共振電源 主要波形

SＷ

Lo

Vi

Cr Lr

Do

Ir Vr I

V

PWM=H

Vo

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi

１）シミュレーション条件

・Vi=10V, Vo=5V, Io=0.25A Lo=50uH, Lr=20uH,

Co=200uF, Cr=100pF ２）共振波形

・Fop = 380 kHz

・Vr =125V, Ir = 0.25 A

シミュレーション波形

●シミュレーション結果

主要波形

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi [ms]

125V

V

-0 20 40 60 80 100 120

time/mSecs 500nSecs/div

7.9995 8 8.0005 8.001 8.0015 8.002 8.0025 8.003

?

Y3

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

mA

Y2

-200 -100 0 100 200 300 400 500

To=2.62 us

V_D Vr

I _D I _L

I r

共振電圧＝＋125V

Io=0.25 A [V]

[ms]

Io=0.25 A Io=0.50 A

±15mV

◆ 共振条件、共振電圧

・Vi ＜ Vr = Io・Zr ≒ 125 V

ただし Zr = √(Lr／Cr) = √(20u/100p) = 447 Ω * Io = 1 A では、 Vr ≒ -500V ⇒ 高耐圧素子が必要

★出力電圧特性

＊定常リプル＜2mVpp @ 0.5A ＊過渡応答特性

⊿Vo＜±15mV @⊿Io=0.25A

●シミュレーション結果

過渡応答特性

（２）全波形ソフトスイッチング電源

● 構 成 ●特徴

＊半波形のSWと直列にダイオード挿入 ＊共振条件は同じ

Vr＜0 V 時のボディDi の導通を阻止 ＊Vrは正負に大きく振れる

＊共振電圧Vr＜0 V 後、再度のVr=0 を検出 ＊PWMﾃﾞｭｰﾃｨは、実際と一致 ⇒ PWM=H、SW=ON ⇒ ZVSの実現 ＊Ioによる周波数変化なし

全波形ソフトスイッチ電源の構成 主要波形

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi

Vo

PWM

SAW

AMP

Co R

Vr

COMP1

SＷ

Lo

Vi

Cr Lr

Do

Ir Vr I

V

V

⊿Vo

（A) 動作説明

＊モード0、モード１は、半波形と同様

＊モード2： ｔ 1～ｔ 2

・Vr <0 V でも、ボディDは導通しない

・Vr はネガに共振 ⇒ 負ピークを経て Vr↑

・Vr = Vd ≒0 V で、PWM=H，SW=ON このとき Ir は最大 (≒ IL)

・ＩＬ により、Id は徐々に減少

ID=0 A で、VD↑ ⇒ IL↑⇒Vo↑

＊モード3： ｔ 2～ｔ 3

・Vo > Vr で、PWM=L，SW=OFF ・モード0 に戻る

全波形電源の動作波形 全波形電源の構成（一部）

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi

PWM

Lo

Vi

Cr Lr

Do

Ir Vr I

V

（Ｂ）シミュレーション結果（動作波形）

＊シミュレーション波形

モード２の時間を制御可能 ・Fop=830 kHz, Vr=Vi±115V, Ir = －0.25A, Id = 0.50A

全波形電源のシミュレーション結果

-260mA

V

-150 -100 -50 0 50 100 150

time/mSecs 200nSecs/div

3.8994 3.8996 3.8998 3.9 3.9002 3.9004 3.9006 3.9008 3.901

mA

-300 -200 -100 -0 100 200 300 400 500

125V To=1.2 us

Vr

Vd

Ir

Io Id

500mA

-105V

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

Vi

全波形電源の動作波形

共振電圧＝＋125V，－105V

クランプ付半波型電圧共振電源 シミュレーション結果

【目的】 共振高電圧の制限 ⇒ 低耐圧SW素子の使用

【対策】 ツェナーによる電圧クランプ ⇒ 共振持続、特性のチェック

【構成】 Vr 電圧を、（ダイオード＋ツェナー）で制限

【特徴】 ピーク電圧を、ツェナー電圧で設定可能

【結果】 半波型電圧共振電源

＊Vz=40V 時、Vp= 125V ⇒ 44V、Ip= 250mA ⇒ 70mA

9.4 新方式共振型ソフトスイッチング電源

SＷ

Vo Vi

Cr

Lr Vr I

V

ZD

Vr/V

-60 -40 -20 0 20 40 60

time/mSecs 500nSecs/div

7.799 7.7995 7.8 7.8005 7.801 7.8015 7.802

mA

-200 -100 0 100 200 300 400 500

Vr

Id

Ir

2.04us

クランプ付全波型電圧共振電源 シミュレーション結果

●全波型共振電源：

SＷ

Vo Vi

Cr

Lr Vr I

V

ZD

Vc/V

-60 -40 -20 0 20 40 60

time/mSecs 1uSecs/div

4.898 4.899 4.9 4.901 4.902 4.903

mA

-200 -100 0 100 200 300 400 500

44V

Id Ir

3.7us -20V 0.33A

-0.09A

【構成】 Vr ポジ電圧を、（ダイオード＋ツェナー）で制限

【特徴】 ピーク電圧を、ツェナー電圧で設定可能

【結果】 Vz=40V 時、Vp= 125V ⇒ 44V、Ip= 250mA ⇒ 90mA

★半波型／全波型 共振電源

＊定常リプル ＜2mVpp @ 0.5A

＊過渡応答特性 ⊿Vo＜±12mV @⊿Io=0.25A

★その他の特徴

＊クランプ付特性が、やや良い

●シミュレーション結果 ［出力電圧リプル］

半波型共振電源の過渡応答

time/mSecs 200uSecs/div

3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4

V

4.97 4.98 4.99 5 5.01 5.02 5.03

With Clamp

W/O Clamp 12mV

12mV

0.25A 0.50A 0.25A

全波型共振電源の過渡応答

time/mSecs 200uSecs/div

3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4

V

6.97 6.98 6.99 7 7.01 7.02 7.03

W/O Clamp 12mV

With Clamp

0.25A 0.50A 0.25A

12mV

クランプ付半波型電圧共振電源 シミュレーション結果

（追加） 別回路 電圧共振型電源

【構成】 ダイオードと直列にLr を挿入。Cr 他端は Vi or GND

【特徴】 共振電圧は「負電圧」

PWM

SAW

Ir I

Vr

Io

SＷ

Vi Lo Vo

PWM

SAW

AMP

Cr Lr Co

R

Do

Db

Vr

Vi

Vr

Ir

COMP1

I

[ms]

[V]

-120V -23V -23V

ON OFF ON

★半波型共振電源

＊クランプON/OFF による特性差は無し ＊Vp： －120V ⇒ －23V （Vz=20V）

： －120V ⇒ －50V （Vz=40V）

●シミュレーション結果

半波型共振電源の過渡応答 全波型共振電源の過渡応答

Vi Lo Vo

PWM

SAW

AMP

Cr Lr Co

R

Do

Vr

Vi

Vr

COMP1

ZD

Vo

Io

+12mV

-12mV

0.50A

0.25A 0.25A

●シミュレーション結果 （応答特性）

過渡応答特性

Vr

Ir IL

－50V 580mA

Vo

Io

+12mV

-12mV

0.50A

0.25A 0.25A

Vr

Ir IL

－50V 580mA

＊ シミュレーション結果（Vz = 40V ） ・条件：Vi=10V, Vo=5.0V, Io=0.5A

・共振波形： Vr = －50V、 Ir = 580 mA

＊ 過渡応答特性

・定常出力リプル：⊿Vo＜2mVpp

・ｵｰﾊﾞｰｼｭｰﾄ： ＝ ±12 mV （Io= 0.5A／0.25A )

クランプ回路付き共振波形

●シミュレーション結果

★ 負荷電流Io 対 動作周期Top （Vz = 40～120 V ） ・クランプ無： To = 2.5 u ～ 11.0 us

・クランプ付： To’= 1.9 u ～ 7.1 us （Vcl＝40V～120V）

ただし 全波共振では、周期変化無し

＊クランプにより

動作周期は半減

＊ クランプ電圧による 動作周波数の差無し

負荷電流 対 制御周期