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

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1 電気学会電子回路研究会 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 )

2 1. はじめに アウトライン 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 * SIDO : Single-Inductor Dual-Output 2

3 1. はじめに 電源の課題 : 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 高機能化 降圧型 昇圧型等 ヒステリシス制御 (COT 方式 ) 共振方式 ( ソフト SW ZVS) [ 単電源 ] ( 基本電源方式 ) ( 高速制御 ) ( 高効率化 ) (EMI 低減 ) SIDO 方式シリアル方式 SIDO 方式 ( 同期化方式 ) SIDO 方式 ( 共振レヘ ル ) [ 複合電源 ] ( インタ クタ数低減 ) 低コスト化 図 1 スイッチング電源の開発動向 *SIDO : Single-Inductor Dual-Output *COT : Constant ON Time * ZVS:Zero Voltage Switching * ZCS:Zero Current Switching 3

4 1. はじめに アウトライン 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 * SIDO : Single-Inductor Dual-Output 4

5 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 構成 出力電圧 Vo と基準電圧 を比較増幅 増幅誤差電圧 Vo 増幅誤差電圧と鋸歯状波 を比較 信号 SW Lo Vo AMP Vo Do Co R L COMP1 Vo Io クロック 図 2 降圧型電源図 3 主要波形 5

6 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 = V D の検出で 信号をリセット / スタート SW=ON (ZVS) 特徴 共振条件 : < =Io Zr :(Zr= (Lr/Cr) 特性インピーダンス 共振周波数 :Fr= 1/2π (Lr Cr) Lr < Lo Ir SW V D Vo AMP Lr Cr Lo Do Co R L Ir V D COMP2 COMP1 Vo 図 7 半波型電圧共振電源図 8 主要共振波形 6 Io GND

7 2-2 半波型電圧共振電源 動作説明 * State 0: = H :SW=ON のとき V D = Do = OFF Ir = : 増加中 I r V D Vo Lr Lo Ir Io =H GND 図 7-1 半波型電圧共振電源 図 8-1 主要共振波形 7

8 2-2 半波型電圧共振電源 動作説明 State 1: Vo>ef = L に反転 SW=OFF Cr Lr は共振状態となり は大きく上昇 ( >) Ir=0 で は Do より供給され V D =-V F その後 Ir = 反転 = 減少 = V D を検出 信号をリセット = H に反転 Ir V D Vo Lr Ir Cr Do I D Io =L GND 図 7-2 半波型電圧共振電源 図 8-2 主要共振波形 8

9 2-2 半波型電圧共振電源 動作説明 State 2: = H になり SW=ON = V D により ZVS を実現 Ir は逆流から順方向増加に転じる I D は減少 I D = 0 で V D = に変化 Do=OFF となるが = > Vo より は増加し続ける Ir V D Vo Ir Do I D Io =H GND 図 7-3 半波型電圧共振電源 図 8-3 主要共振波形 9

10 2-2 半波型電圧共振電源 動作説明 * State 3: の増加により Vo > となり = L に転じ SW = OFF State 1 に戻る Ir Lr Cr SW V D Lo Do Vo Ir Io =H GND 図 7-4 半波型電圧共振電源 図 8-4 主要共振波形 10

11 ? ma V 2-3 シミュレーション結果 1) シミュレーション条件 =10V, Vo=5V, Io=0.25A Lo=50uH, Lr=20uH, Co=200uF, Cr=100pF 2) 共振波形 Fop = 380 khz =125V, Ir = 0.25 A Ir Io 図 8 主要共振波形 GND Y Y time/msecs 125V To=2.62 us I r V D 図 9 シミュレーション波形 I D [ms] 500nSecs/div 11

12 2-3 シミュレーション結果 共振条件 共振電圧 < = Io Zr 125 V ただし Zr = (Lr/Cr) = (20u/100p) = 447Ω * Io = 1 A では -500V 高耐圧素子が必要 出力電圧特性 * 0.5A * 過渡応答特性 Io=0.25A [V] ±15mV Io=0.25 A Io=0.50 A Io=0.25 A [ms] 図 10 過渡応答特性 12

13 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 * SIDO : Single-Inductor Dual-Output 13

14 Ir / ma / V 3. 新方式電圧共振電源 3-1 クランプ方式電圧共振電源 共振電圧 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 ) = 125 V 44 V Ir = 220mA 60mA クランプによる特性の変化はないか? Lr V D Lo Vo AMP Clamp OFF 125V Clamp ON 44V 60 ZD V D Cr COMP2 Do COMP1 Co R L 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 time/msecs Ir -220mA -60mA 200uSecs/div

15 ma V / V 3-2 応答特性の確認 シミュレーション結果 (Vz = 40V ) 条件:=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 ーシュート: < ±15 mv (Io= 0.50A/0.25A ) V With Clamp 12mV time/msecs Id Ir 2.04us 500nSecs/div 図 13 クランプ回路付き共振波形図 14 過度応答特性 time/msecs 13mV W/O Clamp 0.25A 0.50A 0.25A uSecs/div

16 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 図 15 負荷電流対制御周期 16

17 1. はじめに アウトライン 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 * SIDO : Single-Inductor Dual-Output 17

18 4. 単インダクタ 2 出力 ( SIDO) 電源 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 SW Vo Cr Ir 図 16 SIDO 電源の構成図 17 半波型共振回路 2 18

19 4-2 共振電源の SIDO 化 (Vz=20V) * 入出力条件 : =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 ( ピーク値が変化 ) ただし のピーク値は一定 ( ー 28V) SEL V1=5V V2=4V -28V 図 18 シミュレーション波形 19

20 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 < Σ Io=1.0A * クロス / セルフ レキ ュレーション :< Io=±0.25A V1=5.0V [V] V1 ±12mV V2=4.0V V2 ±10mV I1=0.50A I1=0.75A I1=0.50A [ms] I2=0.25A I2=0.50A I2=0.25A 図 19 SIDO 電源の過渡応答特性 20

21 4-3 電源損失の検討 ( シミュレーション結果 ) 単出力ソフトSW 電源 * 条件 :=10V Vo=5.0 V (4 割程 UP) [W] Psw( 従来 ) Psw( ソフトSW) Po 2.5 SIDOソフトSW 電源 * 条件 :=12V V1=6.0V V2=5.0V [W] Psw(SISO*2) Psw(SIDO) Po [A] [A] 図 20 単出力電源の損失 図 21 SIDO 電源の損失 DC-DC 電源へのソフト SW 方式の単純適用は 厳しい 21

22 V 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 m 共振電源 50MHz 従来電源 10m 1m 100u 10u Frequency/MHertz 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 20MHertz/div 22

23 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 :=30V~50V に低減 ( ツエナー電圧に依存 ) 2) 定常出力電圧リプル Io=0.5A 過渡応答特性 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 Io=1.0A 過渡応答特性 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 23

24 ご静聴 ありがとうございました

25 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 <V D 時の共振を持続 ( 負電圧に共振持続 ) 次の = V D の検出で 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! Ir SW V D Vo AMP Lr Cr Lo Do Co R L Ir COMP1 Io V D COMP2 図 A 半波型電圧共振電源図 B 主要共振波形 25 GND

26 2-2 半波型電圧共振電源 特徴 * 共振条件 :< = Io Zr (Zr= (Lr/Cr) 特性インヒ ータ ンス * 共振周波数 :Fr= 1/2π (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 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 : 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 ) 今回の検討事項 * クランプ回路による 共振電圧 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 * SIDO : Single-Inductor Dual-Output 26

27 Psw( 従来 ) Psw( ソフト SW) Psw(40V)

28 スイッチングロス * 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 = スイッチング損失 P = 1 6 V I T OFF [W] V I ( T ON + T OFF ) F sw [W] ターン オフ VTr ターン オン ITr 近年の高速化により スイッチング ロスは急増 図 4 スイッチングロス 2 8

29 ZVS- 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 : <2Vo : 低出力電圧では使用不可 動作 CrとLoで共振 : = の検出で SW=ON (ZVS) 0) ステージ0:SW = ON は増加し Voも増加 SW Vo AMP I D Lo Do Cr Co R L I D COMP1 I=0 COMP2 図 5 ZVS- 共振電源図 6 主要共振波形 29

30 1) ステージ 1:Vo>ef となり SW = OFF により 減少 (Cr Lo で共振 ) 2) ステージ 2:<0V で Do = ON 共振停止ただし Do を介して 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 は上昇 4) ステージ 4: = 検出で SW=ON 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 SW Do I D COMP2 Lo Cr COMP1 Co Vo R L AMP 図 5 ZVS- 制御共振電源図 6 主要共振波形 30 I D I=0

31 制御周波数の変化 (Vz = 40V ) 条件:=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 図 16 負荷電流対制御周期 31

32 シミュレーション回路 [ 効率実測時は PMOS 使用 ] [ パワーステージ ] [ 鋸歯状波発生回路 ] [ コントロール部 ] 32