単一位相シフト (SPS) 変調は、デュアル アクティブ ブリッジ (DAB) コンバータ用の最も基本的で広く採用されている制御方式です。SPS 制御では、1 次側フルブリッジ (ブリッジ 1) と 2 次側フルブリッジ (ブリッジ 2) は両方とも 50% の固定デューティ サイクルで動作します。各ブリッジの対角線上のスイッチ ペア (Q1/Q4、Q5/Q8 など) は、同期的にオンとオフが切り替えられます。

この方式のコア制御変数は、外部位相シフト角度 $\varphi$ で、1 次側の方形波電圧 (V_p) と 2 次側の方形波電圧 (V_s) の間に生じます。この位相シフト角度は、図 2-4 に示すように、高周波絶縁型トランス T1 を通過する電力の方向と大きさを直接安定化します。

2 つのブリッジ間で伝送される平均電力 P₁₂ は、直列リーケージ インダクタ L_s に蓄積され解放されるエネルギーによって制御されます。このエネルギーは、数学的には次のように表されます。

ここで、V₁ は入力 DC 電圧、V₂ は出力 DC 電圧、f_s はスイッチング周波数、N はトランスの巻線比 (N = N1/N2) です。

• 順方向電力モード ( $0\le \varphi \le \pi$ )：V_p が V_s より進み、1 次側から 2 次側にエネルギーが流れます。
• 逆方向電力モード ( $-\pi \le \varphi \le 0$ )：V_p は V_s よりも遅れ、2 次側から 1 次側にエネルギーがシームレスに逆流する原因となります。

最大電力能力 (P_max) はハードウェア パラメータ L_s および f_s によって厳密に制限され、位相シフト角度 $\varphi$ が次と等しいときに実現します $\pi /2$ 。

スイッチング損失を最小限に抑え、高い総システム効率を実現するため、SPS-DAB はリーケージ インダクタ L_s に蓄積された無効エネルギーに完全に依存して、MOSFET の寄生出力容量 C_oss を放電および充電することにより、ゼロ電圧スイッチング (ZVS) が容易になります。図 2-5 に、PWM と電流の全波形を示します。順方向動作モードを基準として、標準的なスイッチング サイクルは次の重要な間隔で進行します。

• 期間 1 ( $t_0$ から $t_0^{\text{'}}$ - デッドタイム実現、図 2-6 に示す)：このとき、 $t_0$ の前に、Q1 および Q4 はオフになります。このデッドタイム期間中、インダクタ電流 I_L は負の値を維持すること ( $I_L\left(t_0\right)<0$ ) が必須です。この負電流により、L_s に蓄積されたエネルギーが Q2 と Q3 の出力容量を充電する間に Q1 と Q4 の出力容量を強制的に放電し、ターンオン前に Q1 と Q4 の間で必要なゼロ電圧条件が生成されます。
  図 2-6 期間 1 中の DAB コンバータの動作段
• 期間 2 ( $t_0^{\text{'}}$ から $t_1$ - プライマリ チャネル導通、図 2-7 参照)：続いて、 $t_0^{\text{'}}$ では、厳格なゼロ電圧条件下でスイッチ Q1 および Q4 はオンになります (理想的な状況)。インダクタ電流は Q1 と Q4 のチャネルを通過し、直線的に上昇を開始します。
  図 2-7 期間 2 中の DAB コンバータの動作段
• 期間 3 ( $t_1$ から $t_2$ - 電流の反転、図 2-8 を参照)：続いて、 $t_1$ では、インダクタ電流はゼロを交差してその方向を正に切り替え、トランスの両端の電圧差によって駆動される直線的な進行を継続します。
  図 2-8 期間 3 中の DAB コンバータの動作段
• 期間 4 ( $t_2$ から $t_2^{\text{'}}$ - 2 次側の ZVS 実現、図 2-9 を参照)：続いて、 $t_2$ では、2 次側スイッチである Q5 および Q8 がオフになります。2 次側ブリッジで ZVS を有効にするには、この瞬間のインダクタ電流が正であること ( $I_L\left(t_2\right)>0$ ) が必須です。この正のトランス電流は、2 次側デッド タイム中に Q6 と Q7 を充電しながら Q5 と Q8 の出力容量を正常に放電します。
  図 2-9 期間 4 中の DAB コンバータの動作段
• 期間 5 ( $t_2^{\text{'}}$ から $t_3$ ) - フル整流、図 2-9 を参照)：続いて、 $t_2^{\text{'}}$ において、Q5 および Q8 でソフト ターンオンを実現しています。電流は 2 次側ブリッジ チャネルを通って自然に流れ、1 次側から 2 次側への電力整流フェーズが完了します。次の半周期では、残りの FET について、 $t_3$ から $t_6$ まで同じプロセスが繰り返されます。
  図 2-10 期間 5 中の DAB コンバータの動作段