今日の電子設計における合言葉は小型化です。できるだけ小さなスペースに、できるだけ多くの機能を盛り込みたいと考えています。最新のスイッチング電源 (SMPS) では、フィルタリングに必要なインダクタとコンデンサが、デバイスの他のどの部分よりも多くのスペースを占めます。これらの受動部品の適切な値、つまりサイズは、使用されるスイッチング周波数に反比例します。したがって、コンポーネントのサイズを縮小し、スペースを節約するという目標を達成するには、スイッチング速度を上げることが最善の方法です。
ここでの付随的な利点は、金属コアのインダクタではなく、空芯 インダクタ を使用できるという事実です。これにより、金属コアインダクタに関連する損失が削減されるだけでなく、デバイスの製造コストが大幅に削減され、製造も容易になります。さらに、要求される コンデンサ の値が比較的小さいため、面倒な 電解コンデンサ が不要になる場合がよくあります。
スイッチの損失
より高いスイッチング周波数を使用することで生じる問題は、MOSFET スイッチ 自体の損失であり、これは主に、MOSFET 半導体自体に必然的に存在する内部容量によるものです。これらの損失は、スイッチの「ストレス」の結果であるとよく説明されます。 残念ながら、この影響は周波数とともに増大し、スイッチがオンまたはオフになるたびに電力が失われます。一部の影響、特にEMIとRFIは、いわゆるスナバ回路を使用することで軽減できますが、全体的な効率は低下します。最終結果として、 パルス幅変調 (PWM) スイッチャー の周波数は実質的に1 MHz程度に制限されます。一方、共振コンバーターは、100 MHz以上のVHF範囲の周波数で動作できます。
ソフトスイッチング
共鳴変換、または ソフトスイッチングは、スイッチでの損失に対処する方法です。この戦略では、MOSFETスイッチが、可能な限りゼロ電圧およびゼロ電流 (ZVZC) に近いポイントで遷移するように要求します。これを行うには非常に複雑な制御回路が必要です。よりシンプルで実装しやすいソリューションは、ゼロ電流 (ZCS) またはゼロ電圧 (ZVS) のいずれかのポイントでスイッチングが発生するようにすることです。ZVSの欠点は、損失が出力負荷に比例して減少しないことです。一方、ZCSは、動作できる周波数の高さに関して一般的に制限があります。当然のことながら、ZVSは超高周波共振変換を実装する方法として最も注目を集めています。
実装は非常に複雑ですが、基本レベルでの概念はより簡単に説明できます。どちらの図でも、Sは半導体スイッチを表します。左の図は電流モード共振スイッチングを示し、右の図は電圧モードを示しています。
電流モードでは、スイッチが閉じることで共振動作が開始され、スイッチがオンになったときにゼロ電流 (ZCS) が確保されます。電圧モード共振スイッチングでは、共振コンデンサがスイッチと直接並列に接続され、ゼロ電圧スイッチングが保証されます。
今日のPWMスイッチャーのように出力電圧を制御する手段としてデューティ サイクルを調整するのではなく、共振コンバーターはバースト モード制御に依存することが多く、デューティ サイクルと動作周波数は一定に保たれます。この方法では、デバイス全体の電源をオン/オフにして、必要な出力電圧を維持します。切り替えは、デバイスが内部で動作しているVHF速度よりもはるかに低い速度で発生します。概念は以下に示されます。
出力が要求値を超えると、デバイスはオフになり、負荷はCから電力を供給されます。外。十分に低下すると、コンバータ全体が再びオンになります。コンバータのオン/オフの頻度が高くなるほど、動作全体の効率が低下します。コンデンサが大きいほど、保持できる電荷量が多くなり、スイッチングの頻度が少なくなります。これは、実際の設計上のトレードオフ、つまり、かさばるコンデンサと高い効率、または、より小さなコンデンサと低い効率というトレードオフを示しています。
設計上の考慮事項
ブーストコンバータ は DC-DCコンバータ 印加された入力電圧よりも高い出力電圧を返します。比較的低速で動作する従来のSMPSブーストコンバータについては、「電力変換デバイスのトポロジー。 75 MHzで動作する実験用ブースト コンバータの電源セクションの回路図を以下に示します。
上記の例では、Lを慎重に選択することでZVSが実現されます。ふ、L r、C e およびC r そのため、MOSFETスイッチが開くと、デバイスのドレインとソースに現れる電圧が上昇し、スイッチング周期の半分が経過するまでにゼロに戻ります。この設計は、固定デューティ サイクルと固定スイッチング周波数の両方に依存します。
また、スイッチがオフになったときに電圧がゼロになるだけでなく、デバイスがオンになったときに時間に対する電圧の微分もゼロになることが望ましいです。これはクラスEスイッチングと呼ばれ、スイッチング半導体にかかるストレスが軽減されることで不要な電磁放射も減少するため、極めて重要な設計目標となります。
他にも開発中の方法が多数あります。あるバージョンでは、インダクタとコンデンサがインバータに追加され、固定スイッチング周波数の高調波と共振して、重要な時間にドレイン-ソース間電圧を形成し、スイッチングストレスを軽減します。いずれの場合も、出力電圧は基本的にデバイスのオン/オフを1秒間に何度も切り替えることによって制御されるため、この種の設計では、できるだけ少ないサイクルで安定した出力を実現できる必要があるという点が重要な考慮事項となります。コンバータの整流器部分を、インバータ部分に対して純粋な抵抗器として可能な限り近くなるように設計することで、安定性も向上します。
VHF共振変換デバイスの主な有効性は、 従来のSMPS が提供する効率よりも優れているということではありません。これらが提供する利点は、サイズが小さく、EMIとRFIがはるかに低いことであり、これはさまざまなアプリケーションで非常に重要です。現時点では、このトピックについて簡単にWeb検索すると、主に学術研究記事が見つかります。これは、これらのタイプのデバイスが最終的な商業化に向けた旅を始めたばかりであることを示しています。