DC-DCソフトスイッチング電源における低コスト高効率技術の研究

クランプ付単インダクタ２出力方式

半波電圧共振型ソフトスイッチング電源

○小堀 康功，深谷 太詞（小山工業高等専門学校）

築地 伸和，須永 祥希，荒船 拓也，高井 伸和，小林 春夫（群馬大学）

アウトライン

１．はじめに

２．ソフトスイッチング電源の概要

2-1 従来降圧型スイッチング電源 2-2 半波型電圧共振電源 2-3 シミュレーション結果

３． 新方式電圧共振電源

3-1 クランプ方式電圧共振電源 3-2 応答特性の確認

４．単インダクタ２出力（ ＳＩＤＯ）電源

4-1 従来SIDO電源の概要 4-2 共振電源のSIDO化 4-3 効率検討

５. まとめ

１）低コスト化：回路・部品の削減

２）高機能化 ：低リプル・高効率化

図1 スイッチング電源の開発動向 高機能化

［単電源］

［

複合

電源

_］

低コスト化

＊ ZVS：Zero Voltage Switching ＊ ZCS：Zero Current Switching

降圧型・

昇圧型等

ＳＩＤＯ方式

シリアル方式

（基本電源方式） ヒステリシス制御

（COT方式）

（高速制御）

ＳＩＤＯ方式

（同期化方式）

共振方式

（ｿﾌﾄSW、ZVS）

（高効率化） （_EMI低減）

ＳＩＤＯ方式

（共振ﾚﾍﾞﾙ）

3

●電源の課題：

１．はじめに

＊SIDO : Single-Inductor Dual-Output

アウトライン

１．はじめに

２．ソフトスイッチング電源の概要

2-1 従来降圧型スイッチング電源 2-2 半波型電圧共振電源 2-3 シミュレーション結果

３． 新方式電圧共振電源

3-1 クランプ方式電圧共振電源 3-2 応答特性の確認

４．単インダクタ２出力（ ＳＩＤＯ）電源

4-1 従来SIDO電源の概要 4-2 共振電源のSIDO化 4-3 効率検討 ５

_{. まとめ}

図２ 降圧型電源 図３ 主要波形

2-1 従来 降圧型スイッチング電源

【構成】

・出力電圧Vo と基準電圧Vr を比較増幅 ⇒ 増幅誤差電圧⊿Vo

・増幅誤差電圧と鋸歯状波SAWを比較 ⇒ PWM信号

PWM SAW

I

L Io ⊿Vo

２．ソフトスイッチング電源の概要

SＷ

Lo

Vi Vo PWM SAW AMP

Co

R

L

Do

クロック COMP1

I

_L

Vr

⊿Vo

図７ 半波型電圧共振電源 図８ 主要共振波形

2-2 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

D

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

L Vr _GND Io Vi Vo PWM SAW AMP

Co

R

L Vr COMP2 COMP1 SＷ

Lo

Vi

Cr

Lr

Do

Vr

Ir

I

_L VD VD

⊿Vo

2-2 半波型電圧共振電源

【動作説明】 * State 0： ・PWM=「H」：SW=ON のとき ・VD = Vr ≒ Vi ・Do = OFF ⇒ Ir = IL ：増加中 図７-1 半波型電圧共振電源 図８-1 主要共振波形 Vi _Vo PWM=H VD

I

_L

I

_r Vr Lo Lr PWM SAW

Ir

I

L Vr _GND Io Vi

2-2 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、ILはDoより供給され、VD=-VF

その後 Ir = 反転、Vr = 減少 ⇒ Vr = VD を検出 ・SAW信号をリセット ⇒ PWM=「H」に反転

I

_L 図７-2 半波型電圧共振電源 図８-2 主要共振波形 PWM SAW

Ir

I

L Vr _GND Io Vi Vi _Vo PWM=L Vr

Ir

VD Cr Lr

I

_D

Do

【動作説明】 State 2： ・PWM=「H」になり、SW=ON ⇒ Vr = VD により ZVS を実現 ・Iｒ は逆流から順方向増加に転じる ⇒ ID は減少 ⇒ IＤ = 0 で、VD=Ｖｉ に変化 ・Do=OFF となるが、Vr=Vi ＞ Vo より、 IL は増加し続ける

2-2 半波型電圧共振電源

図７-3 半波型電圧共振電源 図８-3 主要共振波形 Vi _Vo PWM=H Vr

Ir

VD PWM SAW

Ir

I

L Vr _GND Io Vi

I

_D

Do

【動作説明】 * State 3： ・ IL の増加により、Vo ＞ Vr となり ・PWM=「L」 に転じ、SW = OFF ⇒ State 1 に戻る

2-2 半波型電圧共振電源

図７-4 半波型電圧共振電源 図８-4 主要共振波形 SＷ

Lo

Vi

Cr

Lr

Do

Vr

Ir

I

_L VD PWM=H Vo PWM SAW

Ir

I

L Vr _GND 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

図９ シミュレーション波形

2-3 シミュレーション結果

図８ 主要共振波形 PWM SAW

Ir

I

L Vr GND 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

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

2-3 シミュレーション結果

図１０ 過渡応答特性

アウトライン

１．はじめに

２．ソフトスイッチング電源の概要

2-1 従来降圧型スイッチング電源 2-2 半波型電圧共振電源 2-3 シミュレーション結果

３． 新方式電圧共振電源

3-1 クランプ方式電圧共振電源 3-2 応答特性の確認

４．単インダクタ２出力（ ＳＩＤＯ）電源

4-1 従来SIDO電源の概要 4-2 共振電源のSIDO化 4-3 効率検討

５. まとめ

図１１ クランプ回路付き電圧共振電源 図１２ 共振電圧の変化

3-1 クランプ方式電圧共振電源

・共振電圧Vrを、ツェナーダイオードでクランプ ● シミュレーション結果 （Vz = 40V ） Vr =

125 V ⇒ 44 V

、 Ir = 220mA ⇒ 60mA

⇒ クランプによる特性の変化はないか？

Lo

Vi Vo PWM SAW AMP

Co

Cr

Lr

R

_L

Do

Vr VD Vr COMP2 COMP1

ZD

VD V r / V -0 20 40 60 80 100 time/mSecs 200uSecs/div 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 I r / m A -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Clamp ON Clamp OFF Vr Ir 125V -220mA 44V -60mA

３．新方式電圧共振電源

図１３ クランプ回路付き共振波形 図１４ 過度応答特性

3-2 応答特性の確認

● シミュレーション結果（Vz = 40V ） ・条件：Vi=10V, Vo=5.0V, Io=0.25A ・共振波形： Fo = 490kHz ● 過渡応答特性 ・定常出力リプル：⊿Vo＜2 mVpp ・ｵｰﾊﾞｰｼｭｰﾄ： ＜ ±15 mV （Io= 0.50A／0.25A ) V r / 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 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 13mV 12mV

0.25A 0.50A 0.25A

図１５ 負荷電流 対 制御周期

● クランプ電圧 対 動作周期Top （Vz = 40～120 V ） ● 負荷電流Io 対 動作周期Top （Io = 0.2～1.0 A ） ・クランプ無： To = 2.5 u ～ 11.0 us ・クランプ付： To’= 1.9 u ～ 7.1 us ＊ クランプ電圧による 動作周期の変化無し ＊クランプの有無により 動作周期は半減 （負荷電流が大きい時） ＊傾き＝ 7 us/A

アウトライン

１．はじめに

２．ソフトスイッチング電源の概要

2-1 従来降圧型スイッチング電源 2-2 半波型電圧共振電源 2-3 シミュレーション結果

３． 新方式電圧共振電源

3-1 クランプ方式電圧共振電源 3-2 応答特性の確認

４．単インダクタ２出力（ ＳＩＤＯ）電源

4-1 従来SIDO電源の概要 4-2 共振電源のSIDO化 4-3 効率検討

５. まとめ

図１６ SIDO電源の構成 図１７ 半波型共振回路２

4-1 従来SIDO電源の概要

＊構成：パワーステージ＋２個のサブ電源 ＊制御法：Exclusive制御方式＝誤差電圧の大きいサブ電源に その周期の制御を実施 ＊結果：⊿V1＞⊿V2 のとき、 SEL=「H」⇒ サブ電源１ を選択

４．単インダクタ２出力（ ＳＩＤＯ）電源

Vi Vo PWM SAW Vr SＷ

Cr

Ir

I

_L Vｒ Vi

SAW SEL V1=5V V2=4V Vr _-28V

4-2 共振電源のSIDO化 （Vz=20V）

＊入出力条件： Vi=10V, V1=5.0V, V2=4.0V 負荷： I1 = 0.50A, I2 = 0.25A ＊結果： SEL信号により制御周期は変化 （SAWピーク値が変化） ただし、Vr のピーク値は一定（ー28V） 図１８ シミュレーション波形

図１９ SIDO電源の過渡応答特性

4-2 共振電源のSIDO化

● 過渡応答特性

＊負荷条件： I1=0.75/0.50A, I2 = 0.50/0.25A

＊出力電圧： 定常リプル ＜ 10mVpp @

Σ Io=1.0A

＊ｸﾛｽ/ｾﾙﾌ･ﾚｷﾞｭﾚｰｼｮﾝ：＜ ±12mV @ ⊿Io=±0.25A

±10mV ±12mV [ms] [V] ⊿V1 ⊿V2 V1=5.0V V2=4.0V I1=0.50A I2=0.25A I1=0.50A I1=0.75A I2=0.50A I2=0.25A

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 0.25 0.5 0.75 1 Psw(SISO*2) Psw(SIDO) ⊿Po

図２０ 単出力電源の損失 ●単出力ｿﾌﾄSW電源 ●SIDOｿﾌﾄSW電源 ＊条件：Vi=10V、Vo=5.0 V ＊条件：Vi=12V、V1=6.0V、V2=5.0V （4割程 UP） 図２１ SIDO電源の損失 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Psw(従来) Psw(ｿﾌﾄSW) ⊿Po [Ｗ] [Ａ] [Ｗ] [Ａ]

◆DC-DC電源へのソフトＳＷ方式の単純適用は、厳しい

4-3 電源損失の検討（シミュレーション結果）

図２２ スイッチ素子の両端電圧のスペクトラム

◆今後に 更なる

EMI低減

を検討していく

4-4 スイッチング電圧のスペクトラム

◆スイッチ素子の両端電圧のスペクトラム比較

＊ソフトSW：共振電圧は大きく、低域ではスペクトラム大

しかし、50MHz以上では、従来電源より小さい

Frequency/MHertz 20MHertz/div -0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 V 10u 100u 1m 10m 100m 1 10 共振電源 従来電源 50MHz

５． まとめ

半波型電圧共振ソフトスイッチング電源

において、

新電圧共振ソフトスイッチング電源を検討

１）ツエナーによるクランプ回路の適用 ⇒

低耐圧素子の使用可

共振電圧：Vr＝30V～50V に低減 （ツエナー電圧に依存）

２）定常出力電圧リプル ＜2mVpp @ Io=0.5A

過渡応答特性 ＜±15mV @⊿Io=0.25A

３）Exclusive方式 SIDO電源 ⇒

インダクタ数の低減

定常出力電圧リプル ＜10mVpp @ Io=1.0A

過渡応答特性 ＜±12mV @⊿Io=0.25A

４）SW素子電圧のスペクトラム：50MHz以上では、従来より小さい

ご 静 聴

図Ａ 半波型電圧共振電源 図Ｂ 主要共振波形

参考：

全波型

電圧共振電源

【構成】

・半波型構成に、スイッチと直列に

ダイオード挿入

・Vr＜V

D

時の共振を持続（負電圧に共振持続）

・次の

Vr = V

D

の検出

で、SAW信号をﾘｾｯﾄ/ｽﾀｰﾄ

【特徴】 動作周波数は、負荷電流で変化しない！

Vo PWM SAW AMP

Co

R

L Vr COMP2 COMP1 SＷ

Lo

Vi

Cr

Lr

Do

Vr

Ir

I

_L VD VD PWM SAW

Ir

I

L Vr GND Io Vi

2-2 半波型電圧共振電源

【DC-DCコンバータでは】 ＊ZVSによる効果：一般に効率改善が困難 ⇒ 今回は基礎検討！ ＊共振電圧Vr：非常に高い （＞100V）⇒高耐圧素子 必要 ＊無負荷時の共振起動の確保必要（ダミー電流） 【特徴】 ＊共振条件：Vi＜Vr = Io・Zr (Zr=√(Lr/Cr) 特性ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ ＊共振周波数：Fr= １／2_{π √(Lr・Cr)} ＊動作周波数 Fop ∝ 負荷電流Io (除く：全波型共振) ＊ZVSによる効率改善 ⇔ 共振電流によるロス増大 【今回の検討事項】 ＊クランプ回路による「共振電圧Vrの低減」⇒諸特性のチェック ＊負荷電流による動作周波数、効率改善の検討 ＊SIDO電源化による部品点数削減検討 ＊同期整流化による効率改善検討

0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Psw(従来) Psw(ｿﾌﾄSW) Psw(40V)

図４ スイッチングロス

●

スイッチングロス

2

ターン・オフ ターン・オン

Ｉ

Tr VTr

＊ターンオン時の損失

⊿P

ON

= ･V･I･⊿T

ON

[W]

＊ターンオフ時の損失

⊿P

OFF

= ･V･I･⊿T

OFF

[W]

1 6 1 6

★ スイッチング損失

⊿P

= ･V･I･(⊿T

1 ₆ ON

＋⊿T

OFF

）･F

sw

[W]

● 近年の高速化により

スイッチング・ロスは急増

図５ ZVS-PWM共振電源 図６ 主要共振波形

★ ZVS-PWM制御共振電源

【構成】 還流ダイオードと並列に 共振コンダンサのみ 追加 【特徴】 共振条件： Vi＜２Vo ：低出力電圧では 使用不可 【動作】 CrとLoで共振：Vr = Vi の検出で SW=ON (ZVS) ０)ステージ０：SW = ON ⇒ IL は増加し、Voも増加 I=0 PWM SAW

I

D

I

L

Vr

SＷ

Lo

Vi _Vo PWM SAW AMP

Co

Cr

R

L

Do

Vr Vi Vr COMP2 COMP1

I

_L

I

_D

図５ ZVS-PWM制御共振電源 図６ 主要共振波形 １)ステージ１：Vo＞Vref となり、SW = OFF IL により Vr 減少（Cr・Loで共振） ２）ステージ２：Vr＜0V で、Do = ON ⇒ 共振停止 ただし、Doを介して、 IL は順方向に流れ続ける ３）ステージ３：Loはエネルギーを放出し、逆方向に電流 ⇒ Cr に充電 ⇒ Vr は上昇 ４）ステージ４： Vr = Vi 検出で、SW=ON、SAWをﾘｾｯﾄ/ｽﾀｰﾄ Lo は逆電流が減少し、遂には順方向電流⇒ステージ０に戻る I=0 PWM SAW

I

D

I

L

Vr

SＷ

Lo

Vi _Vo PWM SAW AMP

Co

Cr

R

L

Do

Vr Vi Vr COMP2 COMP1

I

_L

I

_D

図１６ 負荷電流 対 制御周期

● 制御周波数の変化（Vz = 40V ）

・条件：Vi=10V, Vo=5.0V, Io=0.2A～1.0A ＊結果： ・クランプ無： To = 2.5 u ～ 11.0 us ・クランプ付： To’= 1.9 u ～ 7.1 us ( Vz=40V ) ★クランプ電圧による差無し クランプにより 周期変化は半減 まだ、 ｋ＝ 7 us/A の傾斜

【シミュレーション回路】

［鋸歯状波発生回路］ ［効率実測時は、PMOS使用］

［コントロール部］ ［パワーステージ］