Abnormal Phenomena Caused by SynchronousRectifiers in Parallel-Module DC-DC ConverterSystem
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(2) 九州 大 学大 学 院 シ ステ ム情 報 科 学研 究 科報 告 第3巻. 第1号. Research Electrical. 平 成10年3月. Reports on Information Science and Engineering of Kyushu University Vol. 3, No. 1, March 1998. 同 期 整 流 回 路 を 用 い た 並 列 コ ンバ ー タ シ ス テ ム の 異 常 現 象 小浜輝彦*・二宮 Abnormal. Teruhiko. Phenomena. 保*・庄山正仁*. Caused. by Synchronous. in Parallel-Module. DC-DC. KOHAMA,. NINOMIYA. Tamotsu. Converter. Rectifiers System. and Masahito. SHOYAMA. (Received December 22, 1997) Abstract : Problems of synchronous rectifiers (SRs) used in parallel-module DC-DC converter system is revealed. Abnormal oscillation, excessive voltage and current stresses are observed in the parallel system due to the inherent capabilities of SRs such as reverse power-flowing and self-oscillation. The oscillation is analyzed theoretically and confirmed by the experiment. Keywords : Synchronous. 1.は. じ. め. rectifier, Parallel-module,. Switching power supply, Abnormal oscillation. に. ス イ ッチ ング電 源 の 整 流 方式 として一 般 に ダ イオ ー ド 整 流 回路 が使 用 され て い るが,3.3V等. の低電圧用電源. に お いて は全 損 失 に 占め るダ イオ ー ド損 失 の割 合 が大 き い た め電 源装 置 の効 率 向上 の妨 げ とな っ て い る.こ のた め低 イ オ ン抵 抗 のMOSFETを. 用 い て 整 流 を行 う同 期. 整 流 回 路(SRs)1)・2)が提 案 され て い る.一 方,大 電 流 容 量 電 源 や 高信 頼 電 源 を実現 す る場 合 に は電 源 モ ジ ュール の 並 列 接続 が有 効 で あ る.し か し,同 期 整 流 回路 を並 列 接 続 す る場 合 は整 流 素子 の駆 動 方 法 が これ まで の ダ イオ ー ド整 流 回 路 と異 な る た め 不 要 な 電 力 の 回 生,電 源 モ ジ ュー ル の異 常振 動,振 動 に よ る他 モ ジ ュー ルへ の相 互. Fig.. 1. Parallel-module nous. converter. system. with. synchro-. rectifiers.. 干 渉,過 剰 な電 圧 ス トレ ス に よ る素 子 の 破 壊 等 が 起 こ る6).これ まで,こ れ らの現 象 は 実験 的 お よび解 析 的 に も. 過 電 圧 が 印加 され る こ とが な い よ うに注 意 しな けれ ば な. 明 らか に され て お らず 同 期 整 流 回路 を用 い た並 列 シス テ. ら な い.ア. ム を設 計 す るた め に も早 急 な解 明 と対 策 が望 まれ る.本. 電 圧 を ク ラ ン プ し て 電 圧 波 形 を矩 形 波 に 整 形 し ス ト レ ス. 稿 で は 同期 整 流 回路 を用 い る こ とに よ り引 き起 こされ る. を 抑 え る た め 同 期 整 流 に 適 し て い る.ま. 問題 点 を実験 に よ り明 らか に し,こ れ らの現 象 の 主 要 因. チQ2は. で あ る 自励 発 振 動 作 につ い て解 析 し,実 験 結 果 と比 較 を. は 絶 縁 し て 供 給 す る.本. 行 っ た.. 測 さ れ る 問 題 点 に つ い て 述 べ る.. 2.並. ク テ ィ ブ ク ラ ン プ 回 路 は トラ ン ス に 印 加 す る. た,補. 助 スイ ッ. ソ ー ス レベ ル の 電 位 が 変 動 す る た め ゲ ー ト信 号 章 で は この シ ス テム にお い て観. 列 接 続 され た 同期 整 流 回 路 の 問題 点 2.1MOSFETの. Fig.1に 対 象 とす る並列 シ ス テム を示 す.今 回,電 源. 双 方 向 性 に よ る電 力 逆 流 現 象. ダ イ オ ー ド の 電 流 は 一 方 向 性 で あ る の に 対 し,MOS‑. モ ジ ュー ル に はア クテ ィブ クラ ンプ 方式3‑5)と 同 期 整 流. FETの. 回路 を用 い た フ ォ ワー ドコ ンバ ー タ を用 いた.同 期 整 流. た め,出. 回路 の ス イ ッチSR1,SR2は. トラ ンス2次 側 の電 圧 に よ. 出 力 電 圧 の 高 い コ ン バ ー タ か ら低 い コ ンバ ー タ へ 出 力 端. り直 接駆 動 され るた め,2次. 側 の電 圧 は 常 にMOSFET. 子 か ら電 力 が 供 給 さ れ 入 力 側 へ 電 力 が 回 生 され る.こ. を駆 動 す る に十 分 な電 圧 を供 給 しな け らぼな らな いが,. 結 果,出. オ ン状 態 に お け る電 流 は 双 方 向 可 能 で あ る.こ の 力 電 圧 が 異 な る コ ンバ ー タ を 並 列 接 続 した 場 合,. の. 力 電 圧 の 大 き な コ ンバ ー タ が よ り多 くの 電 流 を. 供 給 す る こ と と な り過 大 な 電 流 ス ト レ ス が 生 じ る.Fig. 平成9年12月22日 受付 *電 気 電 子 シ ス テム 工学 専 攻. 2は 電 力 が 出 力 側 か ら 入 力 側 へ 逆 流 し て い る モ ジ ュ ー ル の 各 部 波 形 を 示 し て い る.出 力 イ ン ダ ク タ の 電 流iLが. 逆.
(3) Fig.. Fig. 2. Key. waveforms. flowing. in. SKs. under. reverse. power-. condition.. 3. Key. waveforms. in SRs. under. self-oscillation.. 帰 還 作 用 に よ り時 比 率 が低 下 す る.あ る瞬 間 に時比 率 が ゼ ロ とな る と入 力 側 か らの電 力 供 給 が停 止 され,出 力端 子側 か らの電 圧 に よ り同 期整 流 回路 が 自励 発 振 動 作 を開. の状 態 で は. 始 す る.ひ とた び,自 励 発振 を 開始 す る と逆 流 電 流 は急. ボ デ ィ ダ イ オ ー ドが 機i能 し な い た め ス イ ッ. 減 す るた め出 力端 子 電 圧 は さ らに増 加 し,こ の こ とが 電. 流 し 入 力 側 へ 電 力 が 回 生 さ れ て い る.こ MOSFETの. チ ン グ 時 に デ ッ ド タ イ ム が 生 じ てSR1,SR2の. ター ンオ. 圧 帰還 回路 に よ り さ らに時比 率 の低 下 を働 きか け るた め 時 比 率 ゼ ロ の状 態 は維 持 され る.. フ 時 に 電 圧 サ ー ジ が 発 生 し て い る.. 以 上 の 自励 発振 動 作 は以 下 の状 況 に おい て も観 測 され 2.2同. 期 整 流 回 路 の 自励 発 振 現 象. 同 期 整 流 回 路 はFig.1に FETの. る.. 示 す と お り 一 方 のMOS‑. 状 況1.並. ド レ イ ン ・ソ ー ス 電 圧 が 他 方 の ゲ ー ト ・ソー ス 電. 圧 と な っ て い る.こ の た め,一 方 のFETが. オ ン状 態 で あ. る場 合 に は 他 方 は必 ず オ フ 状 態 と な る.ま. た,ス. イ ッチ. 列 シ ステ ム の故 障 時 や保 守 時 の よ うに停 止 状 態 また は待機 状 態 のモ ジ ュー ルが 含 まれ て い る 場 合.. 状 況2.起. 動 時 間(コ ン バ ー タ の 時 定 数)の 異 な る モ ジ ュー ルが 接 続 され た並 列 シス テ ム を起 動 す る. の 状 態 遷 移 時 に お い て 一 方 の タ ー ン オ ン動 作 が 他 方 の. 場 合.. タ ー ン オ フ 動 作 を加 速 させ る 正 帰 還 作 用 を 行 う こ と か ら 状 態 変 化 は 一 瞬 に し て 起 こ る.ま. た,遷. 移 後 の状 態 が安. 定 し て 継 続 し な い 場 合 に は ス イ ッチ の オ ン ・オ フ を繰 り. 状 況3.重. 負荷 か ら軽 負荷 へ の負 荷 変 動 が生 じた場 合.. こ の 自励 発 振 に よ りFig.3に. 示 す よ う に ス イ ッチ. 返 し 自励 で 発 振 す る こ と が 考 え ら れ る.実 際 にFig.1の. SR1,SR2に. 並 列 シ ス テ ム に お い て 電 力 の 逆 流 が 増 大 す る と,あ. る瞬. 圧 を越 え素 子 を破壊 す る.ま た,自 励 発 振 動作 は コ ンバ ー. 並 列 シス テ. タの制 御 回路 の ス イ ッチ ン グ周波 数 とは異 な る た め振 動. 間 よ り 自励 発 振 動 作 が 開 始 さ れ る.Fig.3は. は電 圧 ス トレス が生 じ,場 合 に よ って は耐. ム に お い て 整 流 回 路 の 電 流 が 逆 流 す る こ と に よ り 自励 発. に よ る相 互 干 渉 も起 こる.Fig.4はFig.1の. 振 を 起 こ した 波 形 を 示 して い る.逆 流 す る 状 況 は2.1節 の. ム に お い て モ ジ ュー ル#2が 自励 発 振 す る こ と に よ りモ. 時比 率. ジ ュー ル#1の 駆 動 パ ル スが 間 欠 的 に発 生 し,リ ア ク トル. 比 率 ゼ ロ が 維 持 さ れ る状. 電 流 リプ ル ムiLお よび 出 力 電 圧 リプ ル ムE。が 増 大 した. 現 象 と似 て い る が 一 次 側 回 路 の 主 ス イ ッ チQlの Dが. ゼ ロ で あ る 点 が 異 な る.時. 並列 シ ステ. 況 は 並 列 シ ス テ ム を 通 常 動 作 さ せ て い る 場 合 に 生 じ,そ. 状 態 を示 して い る.し た が って,こ れ らの問 題 を解 決 し. の メ カ ニ ズ ム は 以 下 の 説 明 に よ る.. 並列 シ ステ ム の設 計 に役立 て るた め には異 常 現 象 の主 要. 並 列 シ ス テ ム に お い て 一 台 の モ ジ ュー ル の 基 準 電 圧 を. 因 とな る 自励 発 振 現 象 の メ カニ ズ ム を明 らか にす る こ と. 増 加 させ るに伴 い 他 方 の モ ジ ュー ル の 出力 電 流 は減 少 し. が重 要 で あ る.次 章 以 降 で は,こ の振 動 現 象 を解析 し,. や が て2.1節 の 逆 流 現 象 が 生 じ る.さ ら に 基 準 電 圧 を 増 加. 実験 結 果 と比 較 を行 った.. さ せ る こ と に よ り逆 流 電 流 が 増 加 す る と,こ. れ と同時 に. 出 力 端 子 の 電 圧 レ ベ ル も上 昇 す る た め モ ジ ュ ー ル の 電 圧.
(4) Fig. 5. Represented duty ratio. Fig.. 4. Interference. between. converter. modules. circuit. for power. module. in Fig. 1 at. D=O.. caused. by self-oscillation.. 3.異. 常振 動 の 解 析. 時比 率 が ゼ ロの状 態 にお け る電源 モ ジ ュー ル は等 価 的 にFig.5で. 表 さ れ る.こ. こ で 電 圧 源E。. ジ ュ ー ル を 表 し て い る.Q2の. は他 の 電 源 モ. Fig.. 6. Schematic. waveforms. Fig.. 7. Equivalent. circuits. in SRs.. 駆 動 電 圧 は パ ル ス トラ ン ス. に よ り絶 縁 さ れ る た めQ1の. 時 比 率D=・Oで. はQI,Q2と. も に オ フ と な り ボ デ ィ ダ イ オ ー ドの み が 機 能 す る.解. 析. に お い て は 以 下 の 仮 定 を 設 け る. 1.全. て の ス イ ッ チ は 理 想 的 で あ る.. 2.ト. ラ ン ス は密結 合 で 巻 線抵 抗 お よ び濡 れ イ ン ダ クタ ン ス は 無 視 で き る.. 3.ク. ラ ン プ コ ン デ ン サCcは. 寄 生容 量 に比 べ て 十 分 大. きい 4.ス. ・ イッ チ の 遷 移 期 間 は 自励 発 振 周 期 に比 べ て 十 分 短 い. Fig.6に. 自励 発 振 動 作 時 の 波 形 の 概 略 を示 す.こ. 形 よ り 同 期 整 流 回 路 の 動 作 は 次 の4つ る.ま. た,そ. の波. の状 態 に分 類 で き. れ ぞ れ の 状 態 を 示 す 等 価 路 はFig.7で. 表 さ. れ る.. 状 態1(SR1:0FF,SR2:0N,Q1:0FF,Q2:0FF) こ の 状 態 は ス イ ッチSR1が. タ ー ン オ フ し,SR2が. ン オ ン す る こ と に よ り始 ま る.一 オ ー ドQ1,Q2は. ター. 次側 回路 の ボデ ィダ イ. オ フ で あ り,二 次 側 回 路 か ら 見 た 場 合,. 一 次 側 回 路 は ス イ ッチ の 寄 生 容 量 で 表 さ れ る こ とか ら等 価 回 路 はFig.7(a)と ン ダ ク タL,励. な る.SRIの. 磁 イ ン ダ ク タLmお. 電 圧 波 形VSRIは. 出力イ. よび寄 生 容 量 に よ り. of Fig.. 5..
(5) 共 振 す る た め 正 弦 波 状 と な る.や とSR2が. タ ー ン オ フ,SR1が. が てVSRIが. ゼ ロ とな る. タ ー ン オ ン し 状 態IIへ. 移. ク タ 電 流iLは とQ、. 直 線 的 に 増 加 し,や. が タ ー ン オ フ し,状. が てiLM+iL>0と. 態IVに. 移 る.こ. な る. の場 合 の 関係. は 以 下 で 示 さ れ る.. る. 状 態1の. 各 電 流 お よ び 電 圧 の 関 係 はFig.7(a)よ. 〃・・1‑一. 五膓. り. VSR1(t)==0(15) VSR2(t)==Ein/n(16). 堕(1). i。m一 侮 ・(Cp1+C・. 状 態IV(SR1:0N,SR2:0FF,Q1:0FF,Q2:. ・)+C・ ・1}4翁1(2). OFF) 五 審. 一 一E・(3). Q2が. タ ー ン オ フ す る こ と に よ り 等 価 回 路 は 状 態IIと. 同 じFig.7(b)と. VSR2=0(4). な る.た. だ し,VSR2の. 初 期 値 がVSR2(0)一. 瓦 。/η で あ る 点 が 異 な る こ と か ら 以 下 の 式 が 得 ら れ る.. で あ り,L?sRlの. 初 期 値 が ゼ ロ で あ る か ら以 下 の 式 が 得 ら VSR1(t)=0(17). れ る.. v・R・(t)‑E調 VSR1(t)一 響. 五 絵E・{1‑…(・t)}. 勉 ・i・(βt)(5) +〆. z/SR2(t)=0(6) β=1/〜 石乙易{死 鷹. 研. σ乱 石丁(7). …(0)。i。(。t)(18). 自 励 発 振 時 aの 電 圧 お よ び 発 振 周 期 は 上 記 の 状 態1か 状 態IVま 状 態II(SR1:0N,SR2:0FF,Q1:0FF,Q2: 初 期 値 で あ る こ と よ り得 ら れ る が,状 OFF). に 計 算 が 複 雑 と な る.そ. ス イ ッ チSRIが. タ ー ン オ ン し,SR2が. タ ー ンオ フす る. こ と に よ り始 ま る た め 等 価 回 路 はFig.7(b)と. な る.SR2. の 電 圧 波 形VSR2は. よび寄 生容. 状 態1と. 同 様 にL,Lmお. 量 に よ り 共 振 を 起 こ しVSR2は E、n/nと 態IIIに. 上 昇 す る.や. な る と ボ デ ィ ダ イ オ ー ドQlが 移 る.こ. が てVSR2が. タ ー ン オ ン し状. の ときの各 電 流 お よび電 圧 の関 係 は. ら. で の 関 係 と各 状 態 お け る 最 終 値 が 次 の 状 態 の. こで,Fig.6の. 態 が複 数 あ るた め 波 形 よ り状 態II. に お け る ク ラ ン プ 電 圧 が 比 較 的 高 く状 態IIか. ら 状 態IV. ま で の 電 圧 波 形 が 正 弦 波 状 に 近 似 で き る 場 合 は 状 態III を 省 略 す る こ とが で き,一 IIで 表 さ れ る.こ. 周 期 動 作 は 状 態1お. の と き の 状 態1お. れ の 電 圧 ス トレ スVSR1,VSR2お. よび 状 態. よ び状 態IIの. それ ぞ. よ び 各 状 態 の 期 間T,,T,. は 以 下 の よ う に して 得 られ る. v… 一 五聯(8) 状 態1 i、。一 一IL‑{n・(C、1+C・. ス イ ッ チSR1お. ・)+C・R・}磐(9). よ びSR2の. 電 圧 ス トレ スVSR1,VSR2は. 式(5)お よ び 式(6)で 表 さ れ る.式(5)よ 〃・ …L傷. 一E・(10). りVSRIは. 初 期 値. z]'SR1(0)に よ っ て 大 き く影 響 を 受 け る こ とが わ か る.ま た,状 態1の. VSR1=0(11). 期 間T,は. 式(5)に お い てt=T,でVSR1(T,);. 0と な る こ と よ り で あ り,v、R2の. 初 期 値 がVSR、(0)=0で. あ る こ とか ら以. T,一 π/β=πLm{n2(COI+CQ2)+CSR1}(19). 下 の 式 が 得 ら れ る.. と な る.こ の 式 よ り期 間 ハ は励 磁 イ ン ダ ク タ ン ス 翫. VSR1(t)==0(12) ・・R・(t)‑L絵E・{・. 一 ・・s(a!)}+が. と寄 生 容 量 に よ っ て 決 定 さ れ,イ. ・㌘(0)・in(at). ンダ クタ ン ス 五 に は依. 存 し な い こ とが わ か る. (13) =1/(. a. ‑Lm//、 乙){n2(Cpi→‑CQ2)十CSR2}(14). 状 態II VSR1お. 状. ‑0で. OFF) VSR2がEin/nを. 越 え る と ボ デ ィ ダ イ オ ー ドQlが. ン オ ン しVSR2はEin/nで はFig.7(c)と. な る.こ. 磁 電 流iLMお. 式(12)お よ び 式(13)で 表 さ れ る.ま. 期 間T,は. あ る こ とよ り. ター. ク ラ ン プ さ れ るた め等 価 回 路 の 間,励. よ びVSR2は. た,状 態IIの. 態III(SR1:0N,SR2:0FF,Q1:0N,Q2:. よび イ ン ダ. T,=2(π. 一 θ)/a(20). θ一t・n‑i(L+Lmv',R2(OL mEoa))(21). 式(13)に お い てt=T,でVSR2(T,).
(6) と な る.式(20)よ を 含 む た め,初. り期 間T,は. 状 態IIの. 初 期 値v'SR2(0). 化 させ た場 合 の 自励 発 振 周 波 数 ん、,を示 して い る.共 に 回 路 パ ラ メー タ値 が増 大 す るに連 れ て発 振 周 波数 は低 下. 期 値 に 対 し て も影 響 を 受 け る.. して い るが,特. 以 上 の 結 果 よ り発 振 周 波 数f。s,は. に励 磁 イ ンダ クタ ン ス 」 翫 に よ る周 波 数. 変 化 が激 しい こ とが分 か る. ノbεc;1/(T,一トT,)(22). 以上 の結 果 よ り実験 値 お よび 解析 値 は比較 的 よ く一 致 して お り解 析 の 妥 当性 が 示 され た.こ れ よ り自励 発 振 時. と な る.. の 電圧 ス トレス お よび周 波 数 と回路 パ ラ メー タ との関 係 4.実. 験 結 果 との比 較. Fig.8か Lmを. らFig.11は. が 定 量 的 に明 らか とな った.. そ れ ぞ れCSR1,CSR2,Lお. 変 化 さ せ た 場 合 の ス イ ッ チSR!,SR2の. よび. 5.ま. と. め. 電圧 ス ト らは. 本稿 で は 同期 整 流 回路 を用 い た並 列 コ ンバ ー タ シ ステ. ス イ ッチ の寄生 容 量 が 大 きい程 そ の スイ ッチ の電 圧 ス ト. ム にお い て現 れ る電 力 逆 流 現 象,電 圧 サ ー ジ,自 励 発 振. レ ス は 低 減 す る が,他. 動 作 に よる モ ジ ュー ル干 渉 お よび電 圧 ス トレス等 の異 常. レ ス の 最 大 値 を示 し て い る.Fig.8お. 方 の ス イ ッチ にか か る ス トレス は. 増 大 す る こ と が 分 か る.ま た,VSR1よ が 大 き い.Fig.10で す る とVSR2が. よ びFig.9か. り もVSR2の ス ト レ ス. は 出 力 イ ン ダ ク タ ン スLを. 急 激 に 増 大 す る た め,Lは. 小 さ く. 大 きい方 が 望 ま. 現 象 を実験 に よ り示 し,そ の 原 因 が 同期 整 流特 有 の双 方 向 性 お よび 自励 発振 構 造 に よ って 引 き起 こ され る こ とを 明 らか に した.特. に 自励 発 振 動 作 は異 常 現 象 の 主要 因 で. 増大 さ. あ り,こ の現 象 を解 析 す る こ とに よ り,発 振 の メ カニ ズ. せ る と θ躍 の ス ト レ ス が 増 大 す る た め 注 意 が 必 要 で あ. ム お よび周 波 数,電 圧 ス トレス 回路 パ ラ メー タ との定 量. る.. 的 な 関係 が 明 らか に な った.今 後 は,こ の 結 果 を基 に異. し い.Fig.11で. Fig.12か. Fig. 8. は 逆 に 励 磁 イ ン ダ ク タ ン スLmを. らFig.15はCsR1,CsR2,Lお. CSRI vs. maximum. voltage. よ びLmを. stresses. 変. of SR1 and Fig.. SR2.. Fig. 9. CSR2 vs. maximum SR2.. 常 現 象 の効 果 的 な 防止 対 策 を行 う こ とが 急務 とな る.. voltage. stresses. 10. L vs.. maximum. voltage. stresses. of SR1. and. SR2.. of SR1 and Fig. 11 Lm vs. maximum. voltage. stresses. of SR1 and SR2..
(7) Fig.. 12 CSRt vs. self-oscillation. Fig. 13. 1). 2). 3). CSR2 vs. self-oscillation. frequency. of SRs.. frequency. of SRs.. R.S. Kagan, M.H. Chi, "Improving power supply efficiency with MOSFET synchronous rectifiers", POWERCON 9 Proc., D-4, 1982. Wojciech A. Tabisz, Fred C. Lee, Dan Y. Chen, "A MOSFET RESONANT SYNCHRONOUS RECTIFIER FOR HIGH-FREOQUENCY DC/DC CONVERTERS", PESC'90 Proc., pp. 769-779, 1990. Cobos Jose A., Garcia Oscar, Sebastian Javier, Uceda Javier, "ACTIVE CLAMP PWM FORWARD CON-. Fig. 14 L vs. self-oscillation. Fig. 15 Lm vs. self-oscillation. 4) 5). 6)吉. frequency. frequency. of SRs.. of SRs.. VERTER WITH SELF DRIVEN SYNCHRONOUS RECTIFICATION", INTELEC'93 Proc., pp. 200-206, 1993. B. Carsten, "High Power SMPS Require intrinsic reliability," PCT81 Proc., pp. 118-132, Sept. 1981. B. Carsten, "Design techniques for transformer Active reset circuits at High Frequencies and Power Levels", HFPC'90 Proc., pp. 235-246, May 1990. 田武 夫,小 浜 輝 彦,二 宮保,庄 山 正 仁,"同 期 整 流 方 式 DC‑DCコ. ンバ ー タの並 列 接続 に お け る一 考 察",第50回. 気 系 学会 九 州 支部 連 合 大会 論 文 集,p.36,1997年10月. 電.
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