2 1 次側の SHB トポロジ

図 2-1 に示すように、ステージ t0 から t1 までで、スイッチ Q2 と Q3 がオフの間、スイッチ Q1 と Q4 を一緒にオンにすることができます。電流は青色の矢印で示されています。ステージ t3 ～ t4 では、スイッチ Q1 と Q4 がオフになった後でスイッチ Q2 と Q3 をオンにできます。電流は緑色の矢印で示されています。ステップ t1 ～ t2 および t3 ～ t4 では、すべての MOSFET がオフになり、電流はゼロになります。

上記の制御方式では、Imid はゼロです。つまり、上側コンデンサと下側コンデンサは同時に充電と放電を行うことができます。2 個の入力コンデンサの中間電圧は、入力電圧の半分になります。この制御方式はハードスイッチハーフブリッジ (HSFB)、LLC、単相シフトデュアルアクティブブリッジ (SPSDAB) 用に設計されていますが、位相シフトハーフ ブリッジ (PSFB) は用ではありません。位相シフト制御の場合、かなり複雑になることがわかります。これについては、次のセクションで詳しく説明します。

図 2-2 に、HSFB SHB 制御の Simplis シミュレーション結果を示します。Vmid は入力直列コンデンサの中間電圧で、Imid は電流が中間点に入り、出力されます。Imid はタイムゾーンまでゼロのままなので、ここでは中間電圧バランスの問題 (MVBI) はありません。ブロック コンデンサの DC バイアス電圧のが入力電圧の半分であることを確認します。

オリジナルの PSFB 制御方式では、図 2-3 に示すように、2 つの直列入力コンデンサの中間電圧が不平衡になる可能性があります。これは、各入力コンデンサの電圧が Vin/2 ではないことを意味します。その主な理由は、1 次側のサークル電流により、別のコンデンサがバランスしている間も 1 つのコンデンサの放電を継続できることです。

ここで、上側 2 個のスイッチの電圧ストレスは、上側のコンデンサまで達します。下側の 2 つのスイッチの電圧ストレスは下側のコンデンサまでになります。

図 2-4 に示すシミュレーション結果から、定常状態で Vmid は最終的に安定した値を得ることができます。安定値は負荷によって異なります。負荷が大きいほど、Cin_top と Cin_bot の電圧振動が大きいことになります。OCP や短絡などの特定の過渡条件では、中間電圧が非常に大きく (または非常に小さい)、スイッチの障害につながる可能性があります。これが、ユーザーが MVBI に注意を払わなければならない理由です。

図 2-5 および 図 2-9に、中電圧バランスの問題の根本原因を示します。

ステージ T0 ～ T1、Q1 と Q4 がオン、Q2 と Q3 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。Imid への電流の流入または流出はできません。Cin_top と Cin_bot は放電しています。

ステージ T1 ～ T2、Q1 と Q2 がオン、Q3 と Q4 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。負の Imid が発生します。Cin_top はまだ放電中です。

ステージ T2 ～ T3、Q2 と Q3 がオン、Q1 と Q4 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。Imid への電流の流入または流出はできません。

ステージ T3 ～ T4、Q2 と Q4 がオン、Q1 と Q3 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。ここでも負の Imid が発生します。Cin_bot は充電中です。

Imid は 4 ステージで同じ方向を維持するため、Cin_top は常に放電し、Cin_bot は充電と放電をそれぞれ 1 回ずつ行います。そのため、中電圧バランスの問題が発生します。振動電圧は 式 1 を使用して計算できます。これは Iout に比例します。

ここでToff は、半周期におけるサイクル電流時間です。

Nps はトランスの巻線比です

ΔIL は出力チョークのリップル電流です

根本的な原因は、サイクル電流に関連しています。これを修正する方法は？基本的な考え方は、Cin_top または Cin_bot は等しくなる可能性があるということです。つまり、1 回のスイッチング周期で Imid を中和する必要があります。

図 2-9 に、実行可能なひとつのプランを提案します。ピンク色でマークされた最初の半周期では、Imid は Cin_top を 2 回通過でき、青色でマークされた別の半周期では、Imid も Cin_bot を 2 回通過できます。各半サイクルで、Imid の方向は反転する可能性があります。Cin_top または Cin_bot は 1 回充電し、1 回放電することができます。したがって、入力コンデンサの中間電圧は平衡型です。

次のセクションでは、図 2-9 から 図 2-17 までの各手順の詳細を示します。

T0 ～ T1 のステージでは、Q1 と Q4 がオンになり、Q2 と Q3 がオフになります。現在のフローパスは青色の矢印で示されています。Imid への電流の流入または流出はできません。Cin_top と Cin_bot は放電しています。

ステージ T1 ～ T2、Q1 と Q2 がオン、Q3 と Q4 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。負の Imid が発生します。Cin_top はまだ放電中です。

ステージ T2 ～ T3、Q2 と Q3 がオン、Q1 と Q4 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。Imid への電流の流入または流出はできません。

ステージ T3 ～ T4、Q2 と Q4 がオン、Q1 と Q3 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。正の Imid。Cin_top は充電中です。

最初の半サイクルでは、Imid は Cin_top を逆方向に 2 回流れるため、Cin_top の電圧は元の値とほぼ同じになります。

ステージ T4 ～ T5、Q1 と Q4 がオン、Q2 と Q3 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。Imid への電流の流入または流出はできません。Cin_top と Cin_bot は放電しています。

ステージ T5 ～ T6、Q2 と Q4 がオン、Q1 と Q3 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。正の Imid が発生します。Cin_bot はまだ放電中です。

ステージ T6 ～ T7、Q2 と Q3 がオン、Q1 と Q4 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。Imid への電流の流入または流出はできません。

ステージ T7 ～ T8、Q2 と Q4 がオン、Q1 と Q3 がオフの場合、電流のフローパスは青い矢印に示すようになります。負の Imid。Cin_bot は充電中です。

サイクルの後半では、Imid は Cin_bot を逆方向に 2 回流れるため、Cin_bot の電圧は Vin/2 を維持します。

この設計は、中電圧バランスの問題を解決します。ただし、PWM はかなり複雑で、1 サイクルで 2 つのパルスが必要です。ほとんどのマイコンデバイスでは、この機能を実現できません。TI の新世代 C2000 デバイスは、8 つの拡張比較レジスタを持つ Type-5 ePWM 機能を提案しています。1 つの PWM 周期内に単一のパルスを生成する代わりに、1 つの PWM 周期内に最大 4 つのパルスを生成できます。

ただし、Type-5 機能はすべての C2000 デバイスでサポートされているわけではないことに注意してください。タイプ 5 ではアップモードのみ使用できます。F28P65X シリーズは、このアプリケーションノートで使用されています。

図 2-18 に、1 つの PWM 周期で 2 つのパルスを生成する例を示します。XCMP1-4 を CMPA に、XCMP5-8 を CMPB に割り当てることで、ユーザーは 1 つの PWM 周期で 2 つのパルスを持つ 2 つの独立した PWM を取得できます。

PMP41139 の設計上のスイッチング周波数は 200kHz ですが、共振タンク内の電流が 2 回サイクルされる可能性があるため、時間ベースクロック (TBCLK) を 100kHz に設定できます。図 2-19 は、提案制御方式のタイプ 5 ePWM 構成を示しています。

Q1 と Q2 は相補的です。XCMP1-3 を Q1 に設定します。

Q3 と Q4 は相補的です。XCMP1-4 を Q3 に設定します。

タイプ 5 を使用する場合、PWM のいくつかの XCMP 値を更新する必要があります。同じ PWM を実現するシンプルな方法はあるでしょうか？タイプ 4 は使用できますか？

答えは「はい」です。図 2-20 に示すように、ピンク色の領域と青色の領域は軸対称になります。ピンク色の領域では、Q1 を取得するために CMPA と CMPB のみを設定し、青色の領域で CMPA と CMPB の値を交換して Q1 を取得する必要があります。

PMP41139 では、この方式を使用して、目的の PWM を出力します。